21,22 Портландцемент

Портландцемент – самое главное вяжущее. Это гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тонкого совместного измельчения портландцементного клинкера с природным гипсом. Весьма ценным сырьем являются доменные шлаки. Приготовление сырьевой смеси осуществляется сухим, мокрым и комбинированным способами. Сухой способ заключается в измельчении и тесном смещении сухих материалов, поэтому сырьевая смесь получается в виде порошка, называемого сырьевой мукой. Тонкое современное измельчение известняка и глины осуществляют в глубинных мельницах. Мокрый способ применяют, если мягкое сырье имеет значительную влажность. Тонкое измельчение и смешение исходных материалов осуществляется в водной среде, поэтому сырьевая смесь получается в виде жидко-текучей массы. Обжиг сырьевой смеси как при сухом, так и при мокром способе производства осуществляется в основном во вращающихся печах. Вращающиеся печи работают по принципу противотока. В зоне испарения происходит высушивание поступившего сырья при постепенном повышении температуры с 70-80°С. В зоне подогрева, которая следует за сушкой сырья, при постепенном нагревании сырья с 200°С до 700°С. В зоне кальцинирования температура обжигаемого материала поднимается с 700°С до 1100°С, здесь завершается процесс диссоциации углекислых солей кальция и магния и появляется значительное количество свободного оксида кальция. В зоне экзотермических реакций (1100–1250°С) проходят твердофазовые реакции образования ЗСаО*Аl₂Оз; 4СаО*А1₂0з*Fе₂0з и белита. В зоне спекания (1300–1450°С) температура обжигаемого материала достигает наивысшего значения, необходимого для частичного плавления материала и образования главного минерала клинкера – алита 3CaO*Si0₂ почти до полного связывания оксида кальция (в клинкере СаОсвобод. не более 0,5-1%). В зоне охлаждения температура клинкера понижается с 1300°С до 1000°С; здесь полностью формируется его структура и состав. Цементный клинкер выходит из вращающейся печи в виде мелких камнеподобных зерен-гранул ("горошка") темно-серого или зеленовато-серого цвета. По выходе из печи клинкер интенсивно охлаждается с 1000°С до 100-200°С. После этого клинкер выдерживается на складе 1-2 недели. Помол клинкера в тонкий порошок производится преимущественно в трубных (шаровых) мельницах. Трубная мельница представляет собой стальной барабан, облицованный внутри стальными броневыми плитами и разделенный дырчатыми перегородками на 2–4 камеры. При вращении мельницы мелющие тела поднимаются на некоторую высоту и падают, дробя и истирая зерна материала. Готовый портландцемент - очень тонкий порошок темно-серого или зеленовато-серого цвета; по выходе из мельницы он имеет высокую температуру (80–120°С) и направляется пневматическим транспортом для хранения в силосы, которые обычно выполняются в виде железобетонных банок диаметром 8-15 м и высотой 25-3,0 м. Большие силосы вмещают 4000–10000 т цемента. Цемент в силосах выдерживают до его охлаждения и гашения остатков свободного оксида кальция, которое происходит под действием влаги воздуха. Из силосов цемент погружается в автоцементовозы, в вагоноцементовозы или крытые железнодорожные вагоны. Часть цемента поступает на отвешивающие и упаковывающие машины и поставляется в мешках по 50 кг.

Клинкер — продукт равномерного обжига до спекания тщательно подобранной однородной измельченной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины или других продуктов аналогичного состава, используемый в производстве цемента как основной компонент. Самым распространенным является клинкер портландцементный, получаемый обжигом мергеля или известково-глинистых смесей строго определенного состава. Возможно добавление побочных продуктов некоторых химических производств с частичной заменой (в соответствии с расчетом состава) природного сырья, а также добавок, улучшающих качество клинкера и снижающих температуру обжига. Сырьевая смесь, подготовленная в виде гранул (зерен) или жидкотекучего шлама, подвергается обжигу до температуры спекания при соблюдении необходимых тепловых режимов по зонам печи и последующему охлаждению обожженного продукта. Клинкер портландцементный характеризуется следующими показателями. Химический состав — содержание оксидов, % по массе: СаО — 63—67, SiO₂ — 21—24, Аl₂Оз — 4—7. Клинкер цементный представлен искусственным продуктом, состоящим из кристаллических минералов и стекловидного вещества, заполняющего межминеральное пространство, причем минералы не являются полностью химически чистыми компонентами клинкера. Как только цемент затворяют водой протекают следующие химические реакции: 2(3CaO*SiO₂)(алит)+6H₂O=3CaO*2SiO₂*3H₂O+3Ca(OH)₂;

2(2CaO*SiO₂)(белит)+4H₂O=3CaO*2SiO₂*3H₂O+Ca(OH)₂;

3CaO*Al₂O₃+6H₂O=3CaO*Al₂O₃*6H₂O-непрочная рыхлая кристаллическая структура, опасная в случае коррозии материала;

3CaO*Al₂O₃+3(CaSO₄)+26H₂O=3CaO*Al₂O₃*3CaSO₄*32H₂O;

4CaO*Al₂O₃*Fe₂O₃+mH₂O=3CaO*Al₂O₃*6H₂O+(CaO*Fe₂O₃nH₂O) – гель (очень маленькие частицы).

Минеральный состав клинкера. Основными минералами клин­кера являются: алит, белит, трехкальциевый алюминат и алюмофер­рит кальция.

Алит 3CaO*Si02 (или C₃S) - самый важный минерал клинкера, оп­ределяющий быстроту твердения, прочность и другие свойства порт­ландцемента; содержится в клинкере в количестве 45-60%.

Белит 2CaO*Si0₂ (или C₂S) - второй по важности и содержанию '(20-30%) силикатный минерал клинкера. Он медленно твердеет, но достигает высокой прочности при длительном твердении портланд­цемента.

1 Трехкалъциевый алюминат ЗСаО*А12О3 (или СзА) - в клинкере содержится в количестве 4-12% - самый активный клинкерный минерал, быстро взаимодействует с водой. Является причиной сульфатной коррозии бетона, поэтому в сульфатостойком портландцементе содержание С₃А ограничено 5%.

Четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО-Al2O3*Fe2O3 (или C₄AF) - в клинкере со­держится в количестве 10-20%. Характеризуется умеренным теп­ловыделением и по быстроте твердения занимает промежуточное положение между C3S и C2S.

Клинкерное стекло присутствует в промежуточном веществе в ко­личестве 5-15%, оно состоит в основном из CaO, А1₂0₃, Fe₂0₃, MgO,

К₂0, Na₂0.

Содержание свободных СаО и MgO не должно превышать соот­ветственно 1% и 5%. При более высоком их содержании снижается качество цемента и может проявиться неравномерное изменение его объема при твердении, связанное с переходом СаО в Са(ОН)₂ и MgO в Mg(OH)₂.