3.2.1 Сырьё для минеральных вяжущих, основы технологии их производства и твердения

• Технология производства портланд­цемента в основном сво­дится к приготовлению сырьевой смеси надлежа­щего состава, ее обжигу до спекания (получение клинкера) и помолу клинкера в тон­кий порошок с добавлением небольшого количества двуводного гипса – регулятора схватывания.

• Для производства портландце­мента применяются сырьевые материалы, содержащие карбонат кальция и алюмосили­каты (известняки, глины, мергели).

• Указанные элементы присутствуют в клинкере в виде различных соединений (минералов). На 70…80 % портландцементный клинкер состоит из силикатов кальция.

• Портландцемент по составу отличается от клинкера, так как при его помоле к нему добавляют гипс, чтобы замедлить сроки схватывания. Содержание гипса ограничивается допустимым общим содержанием в портландцементе ангидрида серной кислоты (SO₃).

• Состав сырьевой смеси подбирают таким образом, чтобы обеспечить требуемый химико-минералогический состав цемента.

• Сырьевую смесь приготовляют сухим или мокрым способом. В соответствии с этим различают и способы производства цемента — сухой и мокрый. При мокром способе сырьевую смесь приготавливают в виде водной суспензии (шлама), при сухом смешение измельчённых исходных компонентов ведут в сухом виде. Пре­имуществом сухого способа производства является снижение расхода теплоты на обжиг в 1,5...2 раза и более высокая производительность.

• Обжиг сырьевой смеси обычно осуществляется во вра­щающихся печах. Вращающаяся печь представляет собой стальной цилиндр длиной до 200 м и более, диа­метром до 5...7 м, футерованную изнутри огнеупорными материалами. Печь располагается горизонтально на роликах под углом 3...4^о к горизонту и медленно вращается вокруг своей оси. Благодаря этому сырьевая смесь, загруженная в верхнюю часть печи, постепенно перемещается к ниж­нему концу, где происходит горение топлива (природного газа, мазута, угольной пыли). Поток раскалённых газов, образующийся при горении топлива, движется навстречу сырьевой смеси и об­жигает ее.

• Сырьевая смесь, перемещающаяся внутри печи, постепенно нагревается и проходит последовательно несколько характерных участков, отличающихся преобладающими в них процессами.

• В зоне сушки сырьевая смесь встречается с горячими газами и подсушивается при повышении температуры до 150…250 °С.

• В зоне подогрева при увеличении температуры до 500…600 °С сгорают находя­щиеся в сырье органические примеси и удаляется химиче­ски связанная вода из глинистых минералов.

• В зоне декарбонизации (кальцинирования) при температуре 900... ...1200°С происходит процесс диссоциации карбонатов кальция СаСО₃ (известняка) на CaO и СО₂.

• Реакции в твёрдом состоянии между известью (СаО) и глинистыми составляющими начинаются уже при температуре 750…800^оС, но значительно ускоряются они в так называемой зоне экзотермических реакций при температуре 1200…1300^оС. К концу зоны экзотермических реакций полностью образуются двухкальциевый силикат – белит - 2CaOSiO₂ (C₂S), трехкальциевый алюминат ЗСаОАl₂О₃ (С₃А) и четырехкальциевый алюмоферрит 4СаОА1₂О₃Fе₂О₃ (C₄AF), но часть оксида кальция еще остается в свободном виде. Обжи­гаемый материал агрегируется в гранулы.

• В зоне спекания при 1300...1450 °С обжигаемая смесь частично расплавляется, в результате чего обра­зуется основной минерал портландцементного клинкера: алит - трехкальциевый си­ликат 3CaOSiO₂ (C₃S). Некоторая часть трёхкальциевого силиката образуется за счёт реакции между C₂S и СаО в твёрдом состоянии.

• В зоне охлаждения (заключительная стадия обжи­га) температура клинкера понижается до 1000 °С, происходит окончательная фиксация его структуры и со­става, включающего C₃S, C₂S, C₃A, C₄AF, стекловидную фазу и второстепенные составляющие. От того, какую структуру приобретают составляющие портландцементного клинкера в процессе обжига и охлаждения, зависят свойства цемента.

• По выходе из печи клинкер быстро охла­ждается в специальных холодильниках, чтобы предотвратить образование в нем крупных кристаллов и сохранить в не­закристаллизованном виде стекловидную фазу. Без быст­рого охлаждения клинкера цемент обладает понижен­ной реакционной способностью.

• После выдержки на складе (1...2 недели) или без неё клинкер пре­вращают в цемент путем помола в шаровых мельницах в тонкий порошок, добавляя небольшое количество двуводного гипса.

• Гото­вый портландцемент направляют для хранения в силосы и далее на строительные объекты.

• Ориентировочное содержание основных четырех ми­нералов в портландцементном клинкере составляет (% по массе): алит¹ 3CaOSiO₂ (C₃S) — 40...65, белит 2CaOSiO₂ (C₂S) — 15...40, трёхкальциевый алюминат ЗСаОА1₂О₃ (С₃А) — 3...15, четырёхкальциевый алюмоферрит 4СаОА1₂О₃Fе₂О₃ (C₄AF) — 10...20.