Производство сульфатостойкого портландцемента

Содержание 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

    Портландцемент  является важнейшим вяжущим веществом. По производству и применению он занимает первое место среди всех других вяжущих  веществ.

    Изобретение ПЦ (1824 г.) связано с именами Егора Герасимовича Челиева – начальника мастерских военно-рабочей бригады Джозефа Аспдина – каменщика из английского города Лидса.

    ПЦ  – гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее как в воде, так и  на воздухе [1].

    Цемент  – широко распространенный материал, более дешевый, чем другие промышленные связующие, - жизненно необходим современному обществу [2].

    Современная строительная техника базируется преимущественно  на применении цементного бетона (железобетона) и растворов. Большое разнообразие строительных конструкций, особенности сооружения и существенные различия условий службы при различных видах агрессивных воздействий вызывали необходимость создания цемента со специальными техническими свойствами, которые могли бы использоваться при строительстве гидроэлектростанций, в транспортных сооружениях, при промышленном производстве обычных и преднапреженных железобетонных конструкций и т.д.

    Организация производства специальных цементов оказалась возможной благодаря  развитию науки о цементе и совершенствованию технологии его производства. Для создания технологии специальных цементов потребовалось выполнение больших и разносторонних научно-экпериментальных исследований; при этом часто возникали серьезные трудности, обусловленные ограниченными возможностями лабораторного моделирования природных переменных коррозионных факторов, воздействующих на сооружение.

    Технический прогресс строительной индустрии, расширение фундаментальных знаний в области  химии цемента, возросшая актуальность проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов – все это вызвало необходимость усиления научных работ по специальным цементам. В результате созданы специальные цементы, различающиеся по химическому и соответственно фазовому составу, ибо ни теоретические представления, ни опыт не дают пока оснований утверждать, что может быть создан универсальный цемент, который можно было бы применять в любых условиях [3].

    В настоящее время в цементной  промышленности Республики Казахстан  работает пять цементных заводов. В Казахстане цемент производится энергоемким устаревшим «мокрым» способом. При данном способе производства расходы на энергию составляют до 40% себестоимости.

    Цементная промышленность всегда идет во главе  инвестиционного процесса ввиду, того, что цемент необходим для создания физической инфраструктуры развивающейся экономики. Возрождение промышленности начинается со строительства производственных объектов [4].

    Цемент  не является природным материалом. Его изготовление - процесс дорогостоящий  и энергоемкий, однако результат стоит того - на выходе получают один из самых популярных строительных материалов, который используется как самостоятельно, так и в качестве составляющего компонента других строительных материалов (например, бетона и железобетона). Цементные заводы, как правило, находятся сразу же на месте добычи сырьевых материалов для производства цемента.

    Производство  цемента включает две ступени: первая - получение клинкера, вторая - доведение  клинкера до порошкообразного состояния  с добавлением к нему гипса  или других добавок. Первый этап самый дорогостоящий, именно на него приходится 70% себестоимости цемента. А происходит это следующим образом: первая стадия - это добыча сырьевых материалов. Вторая стадия тоже состоит из нескольких этапов. Это: дробление клинкера, сушка минеральных добавок, дробление гипсового камня, помол клинкера совместно с гипсом и активными минеральными добавками. Однако надо учитывать, что сырьевой материал не бывает всегда одинаковым, да и физико-технические характеристики (такие как прочность, влажность и т. д.) у сырья различные. Поэтому для каждого вида сырья был разработан свой способ производства. К тому же это помогает обеспечить хороший однородный помол и полное перемешивание компонентов.  
 
 

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Характеристика  вяжущего вещества
0. Состав  и свойства вяжущего вещества

 
 

        Сульфатостойким портландцементом (СПЦ) называют ПЦ, изготовленный из клинкера, химический  и минеральный состав которого нормирован по содержанию C₃S и C₃A. Он отличается пониженной экзотермией при твердении и высокой стойкостью при службе в минерализованных и пресных водах.

        По ГОСТ 22266-76^* клинкер, применяемый для получения СПЦ, должен удовлетворять следующим требованиям: расчетное содержание трехкальциевого силиката не выше 50%, трехкальциевого алюмината не выше 5%, а суммарное содержание трехкальциевого алюмината и четырехкальциевого алюмоферрита не более 22% (таб.1)

        СПЦ с минеральной добавкой производят М 400. В качестве добавки вводят 10-20% от массы цемента гранулированный доменный шлак или электротермофосфорный шлак или 5-10% АМД (кроме глиежа). Клинкер для производства этого цемента должен быть такого же минерального состава, что и СПЦ без минеральной добавки (таб.1) [5].

        
 

 

Таблица 1 – Характеристика цементов 

 

3. Гидратация  и твердение вяжущего вещества

 

     При затворении СПЦ водой образуется пластичное тесто, постепенно густеющее и переходящее в камневидное состояние. В процессе твердения  происходят сложные физико-химические процессы, являющиеся результатом взаимодействия клинкерных фаз и гипса с водой. Каждая фаза клинкера вступает в реакции гидратации, т.е. реакции, протекающие с присоединением воды, образуя новые соединения.

     При взаимодействии трехкальциевого силиката (алита) с водой происходит одновременно его гидратация и гидролиз с выделением большого количества гидроксида кальция.

     На  гидратацию алюминатов и алюмоферритов кальция большое влияние оказывает гипс, вводимый в состав цемента как замедлитель схватывания. Вследствие слишком быстрой гидратации трехкальциевого алюмината измолотый клинкер при затворении водой схватывается в течении нескольких минут. Этот срок недостаточен для изготовления строительных растворов и бетонов. В присутствии 3…5% гипса образуется практически нерастворимое соединение – трисульфогидроалюминат кальция 3Ca·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O (эттрингит), который предотвращает дальнейшую быструю гидратацию C₃A за счет образования защитного слоя и замедляет первую стадию процесса твердения – схватывание цемента. Вместе с тем добавка гипса ускоряет процесс твердения цемента в первые сроки гидратации.

     Превращение цемента в камневидное тело с  высокой прогрессирующей  во времени прочностью – сложный многофакторный процесс.

     В первый период после добавления к  цементу воды образуется раствор, который  перенасыщен относительно гидроксида кальция и содержит ионы Ca²⁺, SO₄^2-, OH^-, Na⁺, K⁺. Из этого раствора в качестве первичных новообразований осаждаются гидросульфоалюминат и гидроксид кальция. На этом этапе упрочнения системы не происходит, гидратация минералов носит как бы скрытый характер.

     Второй  период гидратации (схватывание) начинается примерно через час с образования вначале очень тонкодисперсных кристаллов гидросиликатов кальция. Гидросиликаты кальция и гидросульфоалюминат растут в виде длинных волокон, проходящих через жидкую фазу в виде мостиков, заполняющих поры. Образуется пористая матрица, которая постепенно упрочняется и заполняется продуктами гидратации. Вследствие этого подвижность твердых частиц снижается и цементное тесто схватывается. Такая первая высокопористая с низкой прочностью структура, обусловливающая схватывание, состоит главным образом из продуктов взаимодействия с водой C₃A и гипса.

     В течение третьего периода (твердения) поры постепенно заполняются продуктами гидратации клинкерных минералов. Уплотнение и упрочнение структуры цементного камня происходит в результате образования  все большего количества гидросиликатов кальция.

     В конечном счете, цементный камень представляет собой неоднородную систему –  сложный конгломерат кристаллических  и коллоидных гидратных образований, непрореагировавших остатков цементных  зерен, тонкораспределенных воды и  воздуха [1].  

     1.3 Области применения  

     СПЦ и СШПЦ целесообразно применять  в тех случаях, когда одновременно требуется высокая стойкость  против воздействия сульфатных вод  и попеременного замораживания  и оттаивания, высыхания и увлажнения в пресной и слабоминерализованной воде [6].

     Высокая стойкость такого цемента в сульфатных водах обусловлена тем, что в  затвердевшем состоянии он содержит пониженное количество высокоосновных гидроалюминатов кальция. Этим устраняется  возможность образования значительного  количества гидросульфоалюмината кальция трехсульфатной формы, вызывающего коррозию ПЦ камня. Развитие коррозионных процессов в затвердевшем СПЦ замедляется также вследствие ограниченного содержания в клинкере C₃S [5]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Сырьевые  материалы

2.1 Обоснование выбора и характеристика сырьевых материалов  

     Клинкер для СПЦ должен содержать не более 50% C₃S, не выше 5% C₃A и не более 22% C₃A + C₄AF [6].

        В СШПЦ ограничивается содержание  в клинкере C₃A – до 8%, MgO – до 5% [1].

     При производстве СПЦ и СШПЦ сырьем является цементный клинкер, фазовый состав которого нормирован по ГОСТу 22266-76^* (таб.2). 

        Таблица 2 – Характеристика сырьевых материалов