§2. Получения портландцемента

Портландцемент (17.1) — цемент с высоким содержанием силикатов кальция.

Портландцемент является важнейшим современным вяжущим строительным материалом, который широко используется для изготовления бетона и железобетона. Портландцемент производится на крупных механизированных заводах.

Для изготовления портландцемента в качестве исходного сырья используют смесь: известняк (75%) и глины (25%). В некоторых местностях, например, вблизи Новороссийска, встречается осадочная порода, которая называется мергелем и близкая по составу к этой смеси.

Обжиг ведется в горизонтальной с небольшим наклоном печи длиной 100-170 м и диаметром 5 м. Исходный материал, хорошо перемешанный, поступает в верхнюю часть печи и медленно передвигается книзу. Печь медленно оборачивается. Обогрев внутренний — в потоке накаленных газов (сжигание мазута).

В первой зоне — наиболее холодной зоне — смесь высушивается (зона сушки)

Во второй зоне — 500-800 °С — выгорает органика, глинистые минералы теряют воду (зона подогрева или дегидратации)

В третьей зоне — 900-1200 °С — происходит распад известняка (зона кальцинирования — декарбонизации) и безводной глины

СаСО₃  СаО + СО₂

Al₂O₃∙2SiО₂  Al₂O₃ + 2SiО₂

Этот распад облегчается присутствием основного оксида — СаО.

В четвертой зоне — при 1200-1300 °С — происходят процессы соединения оксидов с выделением теплоты (экзотермическая зона)

Получаются соединения: 2СаО·SiО₂; 5CаO·3Al₂O₃; 3CaО·Al₂O₃; 4CaО·Al₂O₃·Fe₂O₃;

2CaО·Fe₂O₃; CaО; MgО.

В пятой зоне — 1450-1500⁰ — происходит связывание всех оксидов кальция:

СаО + 2СаO·SiО₂  3CaО·SiО₂

образование твердого продукта, который называется цементным клинкером. (зона спекания).

В шестой зоне — 1000-1200 °С — зона охлаждения.

После этого цементный клинкер дробят, прибавляют природный гипс от 3 до 5% с целью замедления сроков твердения. Такой молотый мелкодисперсный продукт называют цементом.

§3. Минералогический состав клинкера портландцемента и их характеристика

Химический состав: СаО — 60-67%; SiО₂ –21-24%; Al₂O₃ — 4-7%; Fe₂O₃-2-4%;

Минералогический состав:

3CaО·SiО_{2 —} трехкальциевый силикат — сокращенно С₃S — 40-60% (алит)

2CaО·SiО₂ — двухкальциевый силикат — сокращенно С₂S — 15-35% (белит)

3СаО·Al₂O₃ — трехкальциевый алюминат — сокращенно С₃A — 7-16% (целит)

4СаО·Al₂O₃·Fe₂O₃ — четырехкальциевый алюмоферрит — сокращенно С₄АF — 10-18% (селит)

Примеси : СаSO₄, Na₂SO₄, K₂SO₄, TiО₂, MnО₂, фосфаты, соединения Mg и др — до 2%.

Эти минералы и определяют основные свойства цемента схватываться и твердеть при затворении водой.

Затворение (17.2) — это процесс взаимодействия цемента с водой.

Разные сорта цемента отличаются между собой гидравлическим модулем (Г).

Гидравлический модуль (Г)(17.3) — это отношение содержания в цементе основных оксидов к кислотным. Опытным путем найдено, что высокие качества цемента наблюдаются тогда, когда Г2.

Концентрации оксидов берутся в массовых процентах.

Характеристика отдельных составных частей цементного клинкера.

Определение минерального состава клинкера дает возможность выявить основные свойства цемента. Особенно эти свойства определяются в процессе затворения цемента.

Трехкальциевый силикат является химически весьма активным в реакции с водой. При полной гидратации его тепловыделение составляет 120 кал/г (502,7 Дж/г), причем за трое суток выделяется 75-80% от этого количества теплоты. Трехкальциевый силикат обладает способностью очень быстро твердеть. При твердении он приобретает большую прочность. Поэтому высокое содержание С₃S имеет важное значение для качества цемента.

Двухкальциевый силикат значительно менее активен. Тепловой эффект гидратации составляет всего лишь 62 кал/г (259,78 Дж/г), за трое суток гидратации выделяется только 10% от этого количества теплоты. Двухкальциевый силикат твердеет очень медленно. Продукт твердения обладает невысокой прочностью в первые недели и месяцы, но на протяжении нескольких лет прочность при благоприятных для твердения условиях неуклонно возрастает.

Наиболее активным минералом клинкера является трехкальциевый алюминат. Тепловыделение при полной гидратации его достигает 203 кал/г (850,57 Дж/г), причем за трое суток выделяется не менее 80% от теплоты гидратации. Трехкальциевый алюминат очень быстро твердеет. Однако продукт твердения имеет низкую прочность.

Четырехкальциевый алюмоферрит выделяет 100 кал/г (419 Дж/г) при полной гидратации, причем около 20% выделяется за трое суток. С₄АF твердеет вообще медленно, но несколько быстрее, чем С₂S. Прочность тоже выше, чем у продукта гидратации двухкальциевого силиката.

Приведенные краткие характеристики клинкерных минералов уже дают некоторое представление о влиянии их количественного содержания в клинкере на свойства цемента.

Так, если требуется получить быстротвердеющий цемент, нужный в производстве сборных железобетонных изделий и конструкций, то изготовляют клинкер с повышенным содержанием С₃S и С₃А; эти минералы в сумме должны составлять не менее 65-70 масс. %.

В строительстве часто необходимо иметь цемент, отличающийся малым тепловыделением. Он предназначается для массивных бетонных конструкций, например, в гидротехнических сооружениях.

Цементный камень (17.4)— продукт взаимодействия минералов цементного клинкера с водой, включает следующие основные части:

• гидроокись кальция;

• гидросиликаты кальция;

• гидроалюминаты кальция;

• гидроферриты кальция.

Практически цементный камень имеет большее или меньшее количество заполненных воздухом или водой пор, так как при затворении бетонных смесей всегда берут (для придания им должной пластичности) больше воды, чем требуется для реакций твердения.

Изучение реакций, происходящих между клинкерными минералами и водой, и физико-химических процессов, приводящих к превращению пластического материала в прочный камень, дает возможность разрабатывать практические способы, позволяющие управлять процессами твердения цемента.

ЗАПОМНИТЕ!!! Процессы, взаимодействия с водой происходят одновременно.