Производство и свойства портландцемента

скачать (7790.5 kb.)

  1   2
1. Введение
Проблемы рационального использования материальных ресурсов, экономии, снижения издержек в наше время приобретают особую актуальность. Грамотно построенные технологические схемы, позволяющие максимально полно использовать последние достижения научно-технического прогресса в деле экономии материальных ресурсов, являются залогом успеха как отдельных предприятий, так и экономики страны в целом. Особенно остро проблемы экономии минеральных вяжущих веществ, в частности портландцемента, стоят перед предприятиями строительной отрасли, занятыми в производстве сборного железобетона, мелкоштучных стеновых камней, элементов мощения и благоустройства. В настоящее время именно портландцемент является одним из наиболее широко используемых дорогостоящих и дефицитных строительных материалов. Таким образом, вопросы экономии портландцемента неразрывно связаны с проблемой более рационального использования материальных ресурсов в практике современного строительства. Портландцемент - вид цемента, наиболее широко применяемый во всех странах; название получил от г. Портленд (Portland) в Англии. Основой портландцемента является силикат кальция, также известный как портландит.

Портландцемент представляет собой порошок серовато-зеленого цвета, насыпная плотность которого в зависимости от степени уплотнения - 900-1600 кг/м3. При взаимодействии портландцемента с водой происходит образование новых гидратных соединений, обуславливающих схватывание и твердение цементного теста, растворной или бетонной смеси.

На этом явлении и основано использование цемента как вяжущего материала. Портландцемент является наиболее дорогостоящим компонентом бетонной смеси.

Производство портландцемента возможно только на специализированных предприятиях - цементных заводах.

Дробление сырья, тонкий помол компонентов, высокая температура обжига сырьевой смеси, повышенный расход электроэнергии - все это оказывает влияние на конечную стоимость продукта. Однако высокая стоимость портландцемента объясняется не только сложностью его производства, но и постоянным дефицитом этого материала. Сезонный дефицит портландцемента, а, соответственно, увеличение отпускных цен, с которых обычно начинается весенний строительный сезон, открывает широчайшие возможности бессовестной спекуляции при оптовой и розничной перепродаже портландцемента. И все же, не смотря на высокую стоимость и постоянный дефицит портландцемента, перерасход этого дорогостоящего материала в отечественном строительстве поистине огромен, что, прежде всего, связано с низкой культурой производства и глубоким непониманием основных факторов, влияющих на практическую активность портландцемента.

Одними из основных причин перерасхода портландцемента в современном строительстве являются: дефицит высококачественных заполнителей (щебня, гравия, песка); невысокая изначальная активность портландцемента; снижение активности портландцемента вследствие неудовлетворительных условий хранения и транспортировки; низкая культура производства бетонных изделий.

В тоже время существующие отечественные разработки позволяют значительно увеличить активность рядового портландцемента, восстановить активность лежалого портландцемента, и, тем самым, существенно снизить расход портландцемента в производстве строительных материалов, изделий и конструкций. Применение высокоактивного портландцемента, в частности особо быстротвердеющего портландцемента, в практике современного строительства имеет исключительно важное значение. Быстротвердеющий портландцемент целесообразно применять при изготовлении высокопрочных, обычных и преднапряженных железобетонных изделий и конструкций. Применение быстротвердеющего портландцемента позволяет значительно сократить потребность в металлических формах, в некоторых случаях полностью отказаться от тепловой обработки изделий при возведении сооружений из монолитного бетона, сократить сроки выдержки железобетонных конструкции в опалубке.

2. Сырье и технология изготовления портландцемента
Портландцемент - гидравлическое вяжущее, получаемое тонким измельчением портландцементного клинкера и небольшого количества гипса (1,5...3 %). Клинкер получают обжигом до спекания сырьевой смеси, обеспечивающей в портландцементе преобладание силикатов кальция. К клинкеру для замедления схватывания цемента добавляют гипс. Для улучшения некоторых свойств и снижения стоимости портландцемента допускается введение минеральных добавок.
.1 Производство
Основные операции при получении портландцемента: приготовление сырьевой смеси, обжиг ее до получения цементного клинкера и помол его совместно с добавками. Клинкер имеет следующий химический состав(%): СаО - 62...68, SiO2 - 18...26, А12О3 - 4...9, Fе2О3 - 2...6. Чаще используют известняк и глину в соотношении 3:1. В сырьевую смесь вводят корректирующие добавки и промышленные отходы, обеспечивающие требуемый состав клинкера.

Тщательно подготовленную сырьевую смесь (рис.8.1.) подают на обжиг во вращающуюся печь, диаметром до 7 м и длиной до 185м. Изнутри печь выложена огнеупорным кирпичом. Печь установлена под небольшим (3...4˚) углом к горизонту и вращается (0,8...1,3 мин-1), благодаря этому сырьевая смесь перемещается в ней от верхнего конца к нижнему, куда подается топливо. Максимальная температура обжига 1450° С. При таких высоких температурах оксид кальция СаО, образовавшийся в результате разложения известняка, взаимодействует с оксидами SiO2, А12О3 и Fе2О3, образующимися при разложении глины. Продукты взаимодействия, частично плавясь и спекаясь друг с другом, образуют портландцементный клинкер - плотные твердые гранулы серого цвета. В состав портландцементного клинкера входят четыре основных минерала (табл. 1.) и небольшое количество стеклообразного вещества.
Таблица 1. Минеральный состав портландцементного клинкера

Минерал

Формула

Количество, %

Трехкальциевый силикат (алит), C3S Двухкальциевый силикат (белит), C2S Трехкальциевый алюминат, C3A Четырехкальциевый алюмоферрит, C4AF

3CaO · SiO2 3CaO · SiO2 3CaO · AL2O3 4CaO · Al2O3 · Fe2O3

42…65 12…35 4…14 10…18

Примечание: В скобках сокращенное обозначение клинкерных минералов
Портландцементный клинкер (на 60…80%) состоит из силикатов кальция, из-за чего портландцемент называют силикатным цементом.

Для получения портландцемента клинкер размалывают в трубных или шаровых мельницах с гипсом и другими добавками. Свойства портландцемента зависят от его минерального состава и тонкости помола клинкера. При взаимодействии с влагой воздуха активность портландцемента падает, поэтому его предохраняют от действия влаги. Портландцемент хранят в силосах, а транспортируют в специальных вагонах, автомобилях-цементовозах.
.2 Способы производства
В зависимости от технологических особенностей приготовления сырьевых смесей различают три способа производства портландцемента:, мокрый, сухой и комбинированный.

При мокром способе производства измельчение сырьевой смеси производят в водной среде с получением шихты в виде тонкодисперсной сметанообразной водной суспензии - шлама. Обжиг ведут в длинных вращающихся печах с внутрипечными теплообменниками. При сухом способе сырьевую шихту готовят в виде тонко измельченного сухого порошка - сырьевой муки, поэтому перед помолом или в ходе его сырьевые материалы высушивают. Обжигают сырьевую муку в коротких вращающихся печах с запечными теплообменниками. При комбинированном способе производства сырьевую смесь готовят по технологии мокрого способа в виде шлама, а затем обезвоживают на фильтрах до влажности 16-18% и тонко измельчают в дробилках-сушилках.

Каждый из способов производства имеет свои преимущества и недостатки. Так, при мокром способе в присутствии воды облегчается измельчение материалов, легче достигается однородность смеси, надежнее и проще транспортировка шлама, лучше условия труда. Однако при этом способе расход топлива на обжиг на 30-40% больше, чем при сухом способе. Кроме того, необходимо использовать более габаритные и соответственно металлоемкие печи, так как значительная часть печного пространства выполняет функцию испарителя механически примешанной воды из шлама.

Основное преимущество сухого способа производства - существенное снижение расхода теплоты на обжиг клинкера - до 3,4- 4,2 кДж/кг по сравнению с 5,8-6,7 кДж/кг при мокром способе. Объем печных газов (при одинаковой производительности печей) при сухом способе на 35-40% меньше, чем при мокром.

При сухом способе производства снижается стоимость обеспыливания печных газов, имеются лучшие возможности для использования теплоты отходящих газов для сушки сырья, что позволяет снизить общий расход топлива, но при этом усложняется технологическая схема. Важнейшее преимущество сухого способа производства возможность получения более высоких удельных съемов клинкера в печных агрегатах, что позволяет использовать печи производительностью до 6000-10000 т/сут. К недостаткам этого способа следует отнести относительную сложность корректировки состава шихты, повышение расхода электроэнергии, а также увеличение количества единиц технологического оборудования и усложнение схемы производства.

Одним из важнейших условий при компоновке основных агрегатов при проектировании заводов сухого способа является стремление к наиболее полному использованию теплоты отходящих газов, так как только в этом случае данный способ является эффективным. В целом по технико-экономическим показателям сухой способ превосходит мокрый. При использовании мощных высокопроизводительных печей он обеспечивает снижение удельного расхода топлива на обжиг клинкера примерно вдвое, рост годовой выработки на одного работающего примерно на 40%, уменьшение на 10% себестоимости продукции.






3. Твердение и свойства портландцемента
Твердение. При смешивании с водой частицы портландцемента начинают растворяться, причем одновременно может происходить гидролиз (разложение водой) и гидратация (присоединение воды) продуктов растворения с образованием гидратных соединений. По этой схеме взаимодействуют с водой главные компоненты клинкера алит С3S и белит С2S:
(3СаО · SiO2) + 6Н2O ? ЗCаО · SiO2 · 3Н2О + 3Са(ОН)2

2(2СаО· SiO2) + 4Н2О ? 3СаО · SiO2 · 3Н2О + Са(ОН)2
Трехкальциевый силикат С3S взаимодействует с водой намного активнее, чем С2S; при взаимодействии силикатов кальция с водой выделяется растворимый в воде компонент Са(ОН)2 -создающий щелочную реакцию в твердеющем цементе; С3S выделяет Са(ОН)2 в 3 раза больше, чем С2S; общее количество Са(ОН)2 достигает 15 % от массы цементного камня.

Алюминат кальция С3А подвергается только гидратации. Этот процесс идет очень быстро с образованием крупных кристаллов
СаО · А12О3 + 6Н2О ? 3СаО · А12О3 · 6Н2О
Добавка гипса, вводимая при помоле клинкера, замедляет схватывание цемента на несколько часов из-за образования эттрингита 3СаО·А12О3·3СаSО4 · (31-33)Н2О, обладающего развернутой поверхностью и экранирования частиц минерала С3А.

Четырехкальциевый алюмоферрит С4АF взаимодействует с водой медленнее, чем С3А, образуя гидроалюминат и гидроферрит кальция.
4CaO Al2O3 · Fe2O3 + 12 H2O ? 3CaO · Al2O3 · 6H2O + CaO · Fe2O3 6H2O

Основной продукт твердения портландцемента - гидросиликаты кальция - практически нерастворимы в воде. Они выпадают из раствора сначала в виде геля. Гель гидросиликатов кальция со временем кристаллизуется. Остальные продукты взаимодействия клинкера с водой также участвуют в формировании структуры цементного камня и, также влияют на его свойства. Процесс гидратации зерен портландцемента из-за малой их растворимости растягивается на длительное время. Процесс может протекать при наличие воды в твердеющем материале. Качество цемента принято оценивать по прочности, набираемой им через 28 суток твердения.
.1 Коррозия цементного камня
Коррозия цементного камня. Если вода или водные растворы солей и кислот фильтруются сквозь цементный камень, то начинается его разрушение Коррозия протекает тем интенсивнее, чем выше капиллярная пористость цементного камня В зависимости от действующих коррозионных агентов различают несколько видов коррозии.

Физическая коррозия (выщелачивание). При взаимодействии с водой силикатов кальция выделяется Са(ОН)2, около 15 % от объема всех продуктов твердения. Растворимость Са(ОН)2 в воде около 2 г/л. Поэтому происходит вымывание Са(ОН)2 и вынос его на поверхность. На бетоне появляются белесые выцветы. Чем больше вымывается Са(ОН)2 из цементного камня, тем более пористым он становится. Это вызывает усиление фильтрации воды и т. д. Чтобы увеличить стойкость цементного камня к выщелачиванию, используют цементы с пониженным содержанием С3S, а также добавляют к цементу активные минеральные (пуццолановые) добавки, связывающие Сa(OH)2 в менее растворимые гидросиликаты кальция nCaO·SiO2·mH2O.

Еще сильнее разрушает цементный камень фильтрующаяся через него минерализованная вода. В этом случае внутри цементного камня происходят различные химические реакции между растворенными в воде солями и продуктами твердения цемента. Особенно опасна сульфатная коррозия, вызываемая водой, содержащей сульфат-ион SО2-4 (в частности, растворы СаSО4). причиной разрушения является образование в цементном камне сложного комплексного соединения: гидросульфоалюмината кальция (эттрингит). Он образуется при взаимодействии гидроалюмината кальция, находящегося в цементном камне с поступающими с водой ионами Са2+ и SО2-4 по следующей схеме:
СаО·А12О3·6Н2О + 3Са2+ + 3SО2--4 + 25Н2О =

СаО·А12О3·3СаSО4·31Н2О
Объем эттрингита в 2,5 раза превышает объем исходного гидроалюмината, что и вызывает разрушение затвердевшего цементного камня. Это эта же реакция образования эттрингита, но проводимая целенаправленно, используется для получения расширяющихся цементов. Основные пути защиты цементных материалов от коррозии следующие: правильный выбор типа цемента и снижение капиллярной пористости цементного камня.
.2 Свойства портландцемента
К ним относятся, тонкость помола, сроки схватывания, равномерность изменения объема при твердении и прочность затвердевшего цементного камня. Истинная плотность портландцемента составляет 2900...3200 кг/м3, насыпная плотность в рыхлом состоянии 1000...1100 кг/м3, в уплотненном - до 1600 кг/м3.

Тонкость помола характеризуется количеством цемента, проходящим через сито с сеткой №008, (размер отверстий 0,08 мм) и его удельной поверхностью. Согласно ГОСТу через сито с сеткой № 008 должно проходить не менее 95 % цемента, при этом удельная поверхность у обычного портландцемента должна быть в пределах 2000...3000см2/г. Сроки схватывания портландцемента- начало, не ранее 45 мин; конец - не позднее 10 ч. Марку портландцемента определяют по пределу прочности при сжатии и изгибе образцов-балочек 40х40х160мм, изготовленных из цементно-песчаного раствора (состава 1:3) стандартной консистенции и твердевших 28 суток. Портландцемент выпускают марок: 400; 500; 550 и 600. Твердение портландцемента сопровождается выделением большого количества теплоты. Так как эта теплота выделяется в течение длительного времени (дни, недели), заметного разогрева цементного бетона или раствора не происходит. Однако, если объем бетона велик (например, при бетонировании плотин, массивных фундаментов), возможен разогрев бетона до температуры 70...80° С, что приведет к его растрескиванию.
  1   2



Рефераты Практические задания Лекции
Учебный контент

© ref.rushkolnik.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации