Гидравлические вяжущие

Цемент является одним из важнейших строительных материалов. На его основе изготавливают бетон и ж/б и т.д.

В группу цемента входят все портландцементы, пуццолановый ПЦ, ШПЦ, глиноземистый, расширяющийся и т.д.

Цемент каждого вида может при твердении развивать различную прочность, характеризуемую меркой. Выпускаются преимущественно цементы марок 300, 400, 500, 600. С повышением марки цемента возрастает эффективность его применения в бетонах за счет уменьшения удельного расхода вяжущего.

Из числа цементов различных видов наиболее большое значение имеет ПЦ.

Химический и минералогический (минеральный) состав клинкера

Химический состав клинкера выражает содержания оксидов (% по массе). Главными оксидами являются: CaO – 63-66%, SiO₂ – 21-24%, Al₂O₃ – 4-8%, Fe₂O₃ – 2-4%, суммарное количество которых составляет 96-97%. В небольшом количестве в виде различных соединений могут входить MgO, SO₃, Na₂O, K₂O, TiO₂, Cr₂O₃. фосфорный В процессе обжига главные оксиды образуют силикаты, алюминаты и алюмофериты кальция в виде минералов кристаллической структуры.

Минералогический состав клинкера. Основными минералами клинкера являются: алит, белит, трехкальцевый алюминат, четырехкальцевый алюмоферит.

Алит – 3CaO SiO₂ (C₃S) – 45-60%;

белит – 2CaOSiO₂ (C₂S) – 20-30%;

трехкальциевый алюминат – 3CaOAl₂O₃ (C₃A) – 4-12%;

четырехкальциевый алюмоферит – 4CaOАl₂O₃Fe₂O₃ (C₄AF) – 10-20%.

Зная свойства клинкерных минералов и минералогический состав клинкера, можно в первом приближении выявить основные особенности цемента, полученного из этого клинкера.

Алит C₃S – самый важный минерал клинкера, определяющий быстроту твердения, прочность и другие свойства. Поэтому высокомарочные и быстротвердеющие цементы должны содержать большое количество алита.

Белит C₂S – второй по важности силикатный минерал клинкера. Он значительно менее активен. Твердеет медленно, но достигает высокой прочности при длительном твердении ПЦ.

Трехкальциевый алюминат C₃A очень быстро гидратируется и твердеет, но имеет небольшую прочность. C₃A является причиной сульфатной коррозии бетона, поэтому его содержание в ПЦ ограничено 5%.

Четырехкальциевый алюмоферит C₄AF По скорости гидратации минерал занимает промежуточное положение между алитом и белитом, поэтому он не оказывает определяющего влияния на скорость твердения и тепловыделение ПЦ, но придает ему ударную вязкость.

MgO присутствует также в свободном виде кристаллов периклаза. При содержании MgO более 5% это явление может явиться причиной неравномерности изменения объема и растрескивания бетона.

CaO_СВ находится в свежеобожжонном клинкере в виде зерен, его содержание не должно превышать 1%. При более высоком содержании CaO_СВ снижается качество цемента, и может появиться неравномерное изменение его объема при твердении

Портландцемент называют гидравлическое вяжущее вещество, в составе которого преобладают силикаты кальция (70-80%). ПЦ – продукт тонкого измельчения клинкера с добавкой гипсового камня (3-5%). Клинкер представляет собой зернистый материал, получаемый обжигом до спекания сырьевой смеси, состоящей в основном из известняка, глины.

Добавка гипсового камня регулирует сроки схватывания ПЦ. Все свойства ПЦ определяются качеством клинкера, поэтому в свою очередь зависят от химического и минералогического состава.

Основы производства. Основным сырьевым материалом для производства клинкера служат известняки с высоким содержанием СаСО₃ (мел, мергель, плотный известняк) и глинистые породы (глины, глинистые сланцы), содержащие SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃. Примерное соотношение между карбонатными и глинистыми составляющими сырьевой смеси 3:1. В сырьевую смесь вводят также корректирующие добавки, регулирующие температуру спекания смеси и кристаллизацию минералов клинкера.

Производство ПЦ – сложный технологический процесс, включающий следующие операции:

1) добыча сырья в карьере и доставка его на завод;

2) приготовление сырьевой смеси;

3) обжиг сырьевой смеси до спекания – получение клинкера;

4) помол клинкера с добавками;

2 Приготовление сырьевой смеси состоит в тонком измельчении и смешении взятых в установленном соотношении компонентов. Приготовление сырьевой смеси осуществляется сухим, мокрым и комбинированным способами.

Сухой способ заключается в измельчении и тесном смешении сухих поэтому сырьевая смесь получается в виде минерального порошка, называемого сырьевой мукой.

Тонкое измельчение совместно известняка и глины осуществляют в трубных (шаровых) мельницах. При сухом способе производства затраты тепла на обжиг в 1,5-2 раза меньше, чем при мокром.

Мокрый способ применяют, если мягкое сырье (мел, глина) имеют значительную влажность. Тонкое измельчение и смешение исходных материалов осуществляется в водной среде, поэтому сырьевая смесь получается в виде жидкотекучей массы – шлама с большим содержанием воды (35-45%). Основным недостатком является высокая энергоемкость получения клинкера.

Комбинированный способ заключается в том, что приготовленный шлам до поступления в печь обезвоживается на специальных установках. Это дает возможность на 20-30% снизить расход топлива при обжиге по сравнению с мокрым.

3 Обжиг осуществляется во вращающихся печах. При вращении печи сырье медленно движется, проходя различные температурные зоны. Условно разделяют печь на 6 зон.

I зона испарения (сушки). Происходит высушивание поступившего сырья при постепенном повышении t до 200⁰С.

II зона подогрева. В этой зона при постоянном нагревании сырья с 200 до 700⁰С сгорают находящиеся в нем органические примеси, из глинистых материалов, удаляется кристаллизационная вода.

III зона кальцинирования. При t = 700-1100⁰С завершается процесс диссоциации карбонатов кальция и магния, и появляется значительное количество свободного оксида кальция.. В этой зоне происходит распад глиняных минералов на оксиды SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃.

IV зона экзотермических реакций (е = 1100-1250⁰C). Здесь происходят реакции между СаО и другими оксидами. В результате образуются: 3CaOAl₂O₃ – трехкальциевый алюминат, 4CaOАl₂O₃Fe₂O₃ – четырехкальциевый алюмоферит и 2CaOSiO₂ (белит) – двухкальциевый силикат. Эти реакции сопровождаются выделением большого количества тепла.

V зона спекания (1300-1450). Температура обжигаемого материала достигает наивысшего значения (1450⁰С), необходимого для частичного плавления материала и образования главного минерала клинкера 3CaOSiO₂ (алита) – трехкальциевого силиката. Алит плохо растворяется в расплаве и вследствие этого выделяется.

VI зона охлаждения. Температура клинкера понижается до 1000⁰С. Здесь полностью формируется его структура и состав, включающий алит, белит, C₃A, C₄AF, MgO, стекловидную фазу и второстепенные составляющие.

Цементный клинкер выходит из печи в виде мелких гранул темно-серого или зеленовато-серого цвета. По выходе из печи клинкер интенсивно охлаждается с 1000 до 100-200⁰С в барабанных, и т.д. холодильниках воздухом.

4 Помол клинкера в тонкий порошок производится преимущественно в трубных (шаровых) мельницах.

Материал в трубных мельницах измельчается под действием загруженных в барабан мелющих тел – стальных шаров (в камере грубого помола) и цилиндров - цильпипсов (в камерах тонкого помола). При вращении мельницы мелющие тела поднимаются на некоторую высоту и падают, дробя и истирая зерна материала.

При помоле к клинкеру добавляют гипс, служащий для замедления схватывания ПЦ.

Готовый ПЦ – очень тонкий порошок темно-серого или зеленовато-серого цвета, по выходе из мельницы он направляется пневмотранспортом для хранения в силосы.