29.Портландуемент. Сырье, химический и минералогический составы.

Портландцемент — основное вяжущее, применяемое в современном строительстве для изготовления монолитных и сборных железобетонных конструкций. Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое в результате тонкого измельчения клинкера с небольшой добавкой гипса. Клинкер представляет собой материал в виде окатанных зерен размером 3...20 мм, получаемый путем обжига до спекания (при температуре 1450°С) сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины. Добавку (З...6%) гипса вводят для регулирования сроков схватывания портландцемента. Изобретение портландцемента связывают с именами Д.Аспдина и Е.Г. Челиева. Каменщик из английского города Лидса Джозеф Аспдин получил в декабре 1824 г. патент на изготовление вяжущего вещества путем обжига смеси извести с глиной. За сходство по цвету с естественным камнем из каменоломен близ города Портленда он назвал это вяжущее портландцементом. Однако Аспдин не доводил смесь до спекания, что является основным условием получения портландцементного клинкера. В то же время начиная с 1817 г. в России военный техник Егор Герасимович Челиев изготовлял вяжущее путем обжига смеси извести с глиной, доводя их до спекания.

Сырьевыми материалами для изготовления портландцементного клинкера являются карбонатные и глинистые горные породы. Главное химическое соединение карбонатных пород (известняка, мела, с высоким содержанием карбоната кальция СаСО₃). Глинистые породы (в основном глины, глинистые сланцы) содержат различные алюмосиликаты типа Al₂O₃·mSi0₂· nН₂0.

Химический состав клинкера. Главные оксиды цементного клинкера - оксид кальция СаО (63-66%), двуоксид кремния Si0₂ (21-24%), оксиды алюминия А1₂0₃ (4-8%), железа Fe₂0₃ (2-4%). Кроме них в состав клинкера в виде различных соединений в небольших количествах могут входить оксид магния MgO, серный ангидрид S0₃, двуоксид титана Ti0₂, оксиды хрома Сг₂0₃, щелочи Na₂0 и К₂0, фосфорный ангидрид Р₂0₅ и др.

Минералогический состав выражает содержание в клинкере (в % по массе) главных минералов:

1.Алит (3CaO·Si0₂ или С₃S) Основной минерал клинкера (40-65%). Характеризуется высокой активностью при взаимодействии с водой в начальные сроки твердения. Реакция с водой происходит с большим выделением теплоты. Этот минерал обеспечивает высокую прочность цементного камня в начальные сроки твердения.

2.Белит (2CaO·Si0₂ или С₂S). 15-40%. Взаимодействует с водой в поздние сроки твердения с умеренным выделением теплоты. Обеспечивает высокую прочность цементному камню (но, меньшую, чем алит).

3.Трехкальциевый алюминат (целит) (3CaO·Al₂O₃ или С₃А). 5-15%. Самый активный минерал цементного клинкера. Первым взаимодействует с водой с бурным выделением теплоты. Но прочности цементному камню не дает из-за высокой пористости продукта твердения.

4.Четырехкальциевый алюмоферит (4CaO·Al₂O₃·Fe₂0₃ или С₄АF). 10-20%. Этот минерал средний во всех отношениях, но обеспечивает долговечность цементного камня.

30.Технология производства портландцемента.

Производство портландцемента может быть разделено на два комплекса операций: изготовление клинкера и получение портландцемента измельчением клинкера совместно с гипсом, активными минеральными и другими добавками (если они используются). Получение клинкера — наиболее сложный и энергоемкий процесс, требующий больших капитальных и эксплуатационных затрат. Удельная стоимость клинкера достигает 70—80 % общей стоимости портландцемента.

Производство портландцемента состоит из следующих основных операций: добычи известняка и глины (если необходимо, то и корректирующих добавок); подготовки сырьевых материалов и приготовления из них однородной смеси заданного состава; обжига сырьевой смеси материалов до спекания с получением клинкера; помола клинкера в порошок с небольшим количеством гипса, а иногда и добавок.

В настоящее время применяют три способа подготовки сырьевой смеси из исходных материалов: мокрый (исходные компоненты размалываются вместе с водой в шаровых мельницах периодического действия. Продукт помола – шлам, который из мельницы выливается в приемную емкость и перекачивается в шлам-бассейны. Оттуда шлам подается на обжиг. Достоинства: отсутствие пыления. Недостатки: высокие энергозатраты на обжиг, т.к. длина печи 230 м.), сухой (все компоненты шихты высушиваются, дробятся и подвергаются помолу в шаровых мельницах. Продукт – сырьевая мука. Достоинства: меньше трудозатрат и энергозатрат на обжиг. используется печь длиной 93 м. Недостатки: сильное пыление – требуется система аспирации) и комбинированный (помол сырьевых материалов ведут по мокрому способу. Полученный шлам отжимают в фильтр-прессах, получают тестообразную массу, из которой с помощью гранулометров формуют гранулы, которые сначала подсушивают, затем отправляют на обжиг во вращающуюся печь длиной 165 м. Обжиг проводят при t=1450°С. Печь работает на подход по принципу противотока. Скорость вращения печи 1-2 оборота в минуту. Печь установлена с уклоном в 3° в сторону выгрузки материала).

Процессы, происходящие при обжиге: происходят сложные физико-химические процессы, связанные с удалением свободной воды при t до 120°С, происходит обезвоживание системы при t до 200°С. При t=100°С удаляется кристаллизационная вода из глинистых минералов, и они распадаются на оксиды. В интервале t=700-900°С происходит декарбонизация известняков, выгорают органические примеси. При t=1200°С происходит спекание щелочных и кислотных оксидов с образованием минералов цементного клинкера – продукты обжига: 2CaO·Si0₂ (белит), 3CaO·Al₂O₃ (целит), 4CaO·Al₂O₃·Fe₂0₃ (четырехкальциевый алюмоферит). При t=1300-1450°С образовавшиеся минералы частично расплавляются (до 25%). В образовавшемся расплаве растворяется имеющийся еще свободный СаО, и из расплава выкристаллизовывается основной минерал цементного клинкера 3CaO·Si0₂ – трехкальциевый силикат (алит). Продукт обжига – клинкер – это не цемент. Чтобы получить цемент , его нужно размолоть вместе с добавками:

1. Гипсовый камень CaSO₄·2H₂O (3-5%) вводится всегда для замедления процессов схватывания цемента.

2. Инертные добавки (кварцевый песок) вводится для получения из клинкера цемента различных марок.

3. Активные добавки участвуют в процессах твердения вместе с клинкером (пуццолоновые добавки – кислые Si0₂, Al₂O₃ в аморфном виде, шлаки). Использование активных добавок изменяет свойства цемента, в результате получают цементы других видов.

Готовый портландцемент – тонкий порошок темно-серого или зеленовато-серого цвета направляется для хранения в силосы – складские емкости.