1. Вступ

Портландцемент- це гідравлічна в’яжуча речовина одержана врезультаті тонкого помелу та ретельного перемішування клінкеру, гіпсу та мінеральних добавок. Клінкер отримують в результаті випалення до спікання сировинної суміші, що складається з вапняку і глини або деяких інших матеріалів (мергелю, нефелінового шламу, доменного шлаку), узятих у співвідношенні, яке забезпечує утворення в клінкері силікатів кальцію, алюмінатного і алюмоферрітної фаз. Гіпс до складу портландцементу вводять для регулювання строків тужавіння.

Його називають гідравлічним, оскільки набір міцності і затвердіння відбувається в присутності води, отримані з цементних мінералів і води сполуки є водостійкі, тобто нерозчинні у воді. Його називають мінеральним, оскільки вихідні матеріали, які використовуються для його отримання, - мінеральні природи (гірські породи або продукти їх вивітрювання). Цемент принципово відрізняється від інших мінеральних в'яжучих (гіпсу, повітряного та гідравлічного вапна), які твердіють тільки на повітрі або, затвердівши на повітрі, іноді продовжують твердіти у воді. Цемент не є природним матеріалом. Його виготовлення - процес дорогий і енергоємний, проте результат вартий того - на виході отримують один з найпопулярніших будівельних матеріалів, який використовується як самостійно, так і в якості складового компонента інших будівельних матеріалів (наприклад, бетону та залізобетону). Цементні заводи, як правило, знаходяться відразу ж на місці видобутку сировинних матеріалів для виробництва цементу. Без цементу не обходиться жодне будівництво, тому цемент є одним з найважливіших будівельних матеріалів. Його застосовують для виробництва бетонів, бетонних і залізобетонних виробів, будівельних розчинів, азбестоцементних виробів. Виготовляють цемент на великих механізованих і автоматизованих заводах. Виробництво цементу обумовлено необхідністю його виробництва для застосування в головним чином у будівництві. Будівництво житла на основі цементу дозволяє отримати об'єкти з низькою теплопровідністю і високою морозостійкістю. Технологія цементного виробництва дозволяє використовувати в ньому відходи видобувної, металургійної галузей, а також побічні продукти цих виробництв. Деякі відходи навіть поліпшують властивості цементу. Гнучка технологія дозволяє здійснювати комбінування виробництва цементу з виробництвом металів, хімічних продуктів і енергії.

Першим самостійним об’єднанням підприємств і організацій цементної промисловості України був утворений рішенням трудових колективів державний концерн «Укрцемент», головним завданням якого було забезпечення вирішення питань подальшого соціально-економічного розвитку галузі.

Асоціація покликана координувати та створювати умови для розвитку та підвищення технічного рівня виробництва, впровадження новітніх технологій, підвищення рівня ефективності праці і конкурентоспроможності продукції галузі, а також представляти і захищати інтереси її учасників в органах законодавчої та виконавчої влади, захищати інтереси вітчизняних виробників продукції цементної промисловості на внутрішньому ринку.

У своєму розвитку цементна промисловість зробила велетенський стрибок: з 1950 до 2000р. виробництво цементу зросло майже в 25 разів. Розширився асортимент, підвищилась марочність цементу. Заводи оснащуються млинами самоподрібнення, млинами з гумовою футеровкою. При проектуванні цементних заводів взято курс на розміщення основного устаткування на відкритих майданчиках. З 1995 р. почали впроваджувати сухий спосіб виробництва цементу в коротких печах великої одиничної потужності (до 1,05-1,50 млн. т за рік).

2. Класифікація

Згідно із ДСТУ Б.В. 2.7-46-2010 класифікацію цементів подано за такими ознаками:

1. За речовинним складом (без урахування добавок, що містять кальцій сульфат) цементи поділяють на п'ять типів (таблиця 1):

• Тип І - портландцемент;

• Тип II - портландцемент з мінеральними добавками від 6 % до 35 %;

• Тип III - шлакопортландцемент (від 36 % до 95 % гранульованого доменного шлаку);

• Тип IV - пуцолановий цемент (від 21 % до 55 % мінеральних добавок);

• Тип V - композиційний цемент (від 36 % до 80 % мінеральних добавок).

Цементи типів II, IV, V поділяють за вмістом компонентів на підтипи А і Б, а типу III - на підтипи А, Б і В (таблиця 1).

2. За стандартною міцністю цементи поділяють на марки 300, 400 і 500.

3. За ранньою міцністю цементи марок 400 і 500 поділяють на два види:

• цемент із звичайною ранньою міцністю (без познаки);

• цемент з високою ранньою міцністю (швидкотверднучий), позначенийР

Для ідентифікації цементів їх познаки повинні включати:

• найменування цементу, познаку даного стандарту і познаку цементу згідно з 1 і табли­цею 1 (стовпчик 3-умовна познака);

• марку цементу згідно з 4.1.2;

• познаку Р за наявності високої ранньої міцності цементу згідно з 3;

• за наявності в складі цементу пластифікуючих ПЛ або гідрофобізуючих ГФ добавок, відпо­відно познаку ПЛ, ГФ;

• познаку Н для цементу на основі клінкеру нормованого складу.

Приклади познак цементу:

1. Портландцемент марки 400, з високою ранньою міцністю на основі клінкеру нормованого складу позначають так:

Портландцемент ДСТУ Б В.2.7-46:2010 ПЦІ-400Р-Н ".

2. Портландцемент з гранульованим доменним шлаком НІ від 6 % до 20 %, марки 400, з високою ранньою міцністю, пластифікований позначають:

"Портландцемент з шлаком ДСТУ Б В.2.7-46:2010 ПЦ ІІ/А-Ш-400Р-ПЛ".

3. Портландцемент композиційний, наприклад:

а) з гранульованим доменним шлаком Ш та вапняком В від 6% до 20%, марки 400 позначають так:

"Портландцемент композиційний ДСТУ Б В. 2.7-46:2010 ПЦ ІІ/А-К(Ш-В)-400";

б) з гранульованим доменним шлаком Ш і золою-винесення 3 від 21 % до 35 %, марки 400 позначають:

"Портландцемент композиційний ДСТУ Б В. 2.7-46:2010 ПЦ ІІ/Б-К(Ш-3)-400".

4. Шлакопортландцемент з гранульованим доменним шлаком від 36 % до 65 %, марки 400 позначають:

"Шлакопортландцемент ДСТУ Б В. 2.7-46:2010 ШПЦ ІІІ/А-400".

5. Пуцолановий цемент з пуцоланом П і золою-винесення 3 від 36 % до 55 %, марки 400 позначають:

Пуцолановий цемент ДСТУ Б В. 2.7-46:2010 ПЦЦ МБ(П-3)-400".

6. Композиційний цемент з гранульованим доменним шлаком Ш від 18 % до 40 % і золи- мнесення 3 від 10 % до 20 %, марки 400 позначають:

"Композиційний цемент ДСТУ Б В. 2.7-46:2010 КЦ \//А(Ш-3)-400".

Таблиця 1. Типи та склад цементів

3. Основні компоненти

Портландцемент ний клінкер К виготовлюють шляхом спікання суміші сировинних матеріалів заданого складу. Хімічний і мінералогічний склад портландцемент ного клінкеру повинні відповідати вимогам технологічного регламенту виробництва. Сумарна масова частка трикальцісвого і дво- кальцісвого силікатів повинна становити не менше, ніж дві третини від маси портлаодцементного клінкеру, решту становлять клінкерні фази, які містять алюміній, ферум та інші сполуки. Співвідно­шення за масою кальцій оксиду до силіцій діоксиду повинно становити не менше ніж 2,0, а масова частка магній оксиду не повинна перевищувати 5 %. Дозволяється вміст магній оксиду в портландцементном клінкері до 6,0 % за умови позитивних результатів випробувань цементу із цього портландцементного клінкеру на рівномірність зміни об'єму в автоклаві за ДСТУ Б В.2.7-185.

Клінкер- один із найважливіших компонентів портландцементу, від його складу залежать основні властивості цементу, отриманого на його основі. Якість портландцементного клінкеру визначається його хімічним і хіміко-мінералогічним складами. Хімічний склад характеризується вмістом у клінкері різних оксидів, основними з яких є СаО, SіО₂, АІ₂О₃ і Fe₂О₃ . Поряд з основними оксидами на властивості цементу можуть впливати також MgO, SO₃ і деякі інші сполуки, такі, як оксиди лужних металів К₂О і Nа₂0, двоокис титану ТіО₂, фосфорний ангідрид Р₂0₅, окис марганцю Мn0₂. Відсотковий вміст основних оксидів в портландцементному клінкері знаходиться в наступних межах,%: СаО -62-67%; SіО₂ -20-24%; , АІ₂О₃-4-7%; Fe₂О₃-2- 5%; MgO, SO₃-1%.

Хіміко-мінералогічний склад клінкеру характеризується сполуками (мінералами), які утворюються з основних оксидів в процесі випалу, і співвідношенням між цими оксидами, виражених коефіцієнтом насичення кремнезему окисом кальцію і різних модулів.

Мінералогічний склад клінкеру. Портландцементний клінкер складається з сполук (мінералів), головними із яких є: трикальцієвий силікат (Аліт)- 3СаО∙SіО₂ ; Двокальціевий силікат (беліт)- 2СаО∙SіО₂; трикальцієвого алюмінату - 3СаО∙АІ₂О₃ і чотирикальцієвий алюмоферрит - 4Са0∙АІ₂О₃∙Fe₂О₃. Для зручності написання формул різних з'єднань прийняті скорочення позначень з'єднань, в яких оксиди позначають першою літерою, що відноситься до них формули, а індекси коло букв показують число молекул даного оксида. Так, 3СаО∙ SіО₂ позначається С₃S; 2СаО∙SіО₂ - С₂S; 3СаО∙АІ₂О₃ - С₃А і 4Са0∙АІ₂О₃∙Fe₂О₃ - С₄АF.

Вміст основних мінералів в клінкері звичайного портландцементу знаходиться в наступних межах,%: 3СаО х SіО₂ -42-65%; 2Са0 х SіО₂ -15-50%; 3СаО х АІ₂О₃ – 2 – 15%; 4СаО х АІ₂О₃ - Fe₂О₃ -10-25%.

Аліт - основний мінерал портландцементного клінкеру. Існує три форми Аліту С₃S, що розрізняються по складу і кристалічним характеристикам. Крім чистого С₃S в клінкері знаходиться трикальцієвий силікат, що містить невелику кількість домішок Fe₂О₃, MgO, Р₂О₅, Мn₂0₃, Аl₂0₃ та інші. Для чистого С₃S встановлені дві температурні області 1900-2070 °С, в яких починається зворотній процес розкладання його на С₂S і СаО. Аліт визначає високую міцність, швидкість твердіння та інші властивості портландцементу.

Беліт. Встановлено існування чотирьох поліморфних форм беліту С₂S: α, α ', β і γ. В портландцементному клінкері переважає форма β - С₂S.

У клінкері з низьким коефіцієнтом насичення КН іноді спостерігається розсипання його в порошок; це відбувається за рахунок переходу при температурі 675 °С активної форми β - С₂S в гідравлічну неактивну форму γ - С₂S. У клінкері з звичайним гліноземним модулем і невисоким КН зустрічаються С₅А₃ і С₃А. У клінкері з високим КН міститься тільки С₃А поряд з алюмоферитами кальцію (від С₈А₃F до С₆АF₂). У складі портландцементного клінкеру зустрічаються також сполуки, що містять луги: Na₂0∙8Са0∙ЗАl₂0₃ і К₂Оx23СаО∙12Sі0₂.

Мінералогічний склад клінкеру покладений в основу поділу портландцементів на наступні види: високоалітовий (вміст С₃S > 60%), алітовий (вміст С₃S = 50-60%), белітовий (вміст С₃S > 35%), алюмінатний (вміст С₃А > 12%) і алюмоферитний (вміст С₃А < 2%).

Модулі та коефіцієнт насичення. Значення модуля і коефіцієнта насичення практично одинакові і для сировинної суміші, і для клінкеру, отриманого з неї при випаленні на беззольному паливі. Зазвичай на виробництві користуються двома модулями - силікатним (n) і глиноземним (р).

Силікатний (кремнеземний) модуль являє собою відношення відсоткового вмісту в клінкері двоокису кремнію до суми відсоткового вмісту оксидів алюмінію і заліза:

n =% SіО₂ / (% А1₂О₃ +% Fе₂0₃)

Величина цього модуля знаходиться в межах від 1,7 до 3,5.

Глиноземний (алюмінатний) модуль показує відношення вмісту глинозему до вмісту оксиду заліза:

р = % А1₂0₃ / (% Fе₂0₃).

Величина цього модуля для звичайного портландцементу знаходиться в межах від 1 до 2,5.

Коефіцієнт насичення КН являє собою відношення кількості оксиду кальцію, що залишається після повного насичення глинозему, оксиду заліза і сірчаного ангідриду відповідно до С₃А, С₄АF і СаSO₄ > 4, до тієї кількості окcиду кальцію, яку необхідно для повного насичення кремнезему до С₃S. Враховуючи, що частина СаО і SіО₂ зазвичай при випалі залишається в невеликій кількості вільна, то значення коефіцієнта насичення розраховується за формулою:

Величина КН зазвичай знаходиться в межах від 0,85 до 0,95. Цементи з високим силікатним модулем n тобто з підвищеним вмістом С₃S і С₂S -повільно тужавіють і твердіють, але з часом міцність їх зростає і через тривалі строки виявляється досить високою. Цементи з високим глиноземним модулем р, тобто підвищеним вмістом С₃А, швидше тужавіють і твердіють, однак досягнута в перші строки тверднення міцність надалі мало або майже не зростає. Такі цементи менш стійкі по відношенню до дії мінералізованних вод.

Гранульований доменний шлак Ш отримують швидким охолодженням алюмосилікатного роз­плаву, який утворюється при плавленні залізної руди в доменній печі, містить не менше половини за масою склоподібної фази і має гідравлічну активність.

Гранульований доменний шлак за хімічним складом повинен містити в сумі за масою не менше ніж дві третини кальцій оксиду СаО. магній оксиду МgО та силіцій діоксццу SiO₂. Решту складає алюміній оксид АІ₂0₃ та невелика кількість інших сполук.

При цьому співвідношення за масою суми (СаО + МgО + АІ₂0₃) lдо SiO₂ повинно становити не менше ніж 1,2.

Пуцоланові матеріали П - це природні речовини силікатного, алюмінієво-силікатного складу або їх комбінації. До пуцоланових матеріалів відносяться природні пуцолани і випалені природні пуцолани.

Пуцоланові матеріали містять, в основному, реакційноздатний силіцій діоксид SiO₂ та алюміній оксид АІ₂0₃. Решту складає ферум оксцц Fе₂0₃ та інші оксиди.

Пуцоланові матеріали повинні відповідати вимогам ДСТУ Б В.2.7-128.

Зола-винесення. Золу-винесення 3 отримують електростатичним або механічним осадженням пилоподібних частинок із димових газів теплових агрегатів, в яких спалюють тонкоподрібнене вугілля.

Зола-винесення повинна відповідати вимогам ДСТУ Б В.2.7-128. Як правило, застосовують золу-винесення, в якій втрати маси при прожарюванні ВПП не перевищують 5 % за масою.

Зола-винесення з ВПП від 5 % до 7 % за масою також може бути застосована в цементі за умови, що вимоги до довговічності, морозостійкості та до сумісності з добавками виконуються згідно з чинними нормативними документами і нормативними актами на бетони і/або будівельні розчини. За умови застосування золи-винесення з ВПП від 5 % до 7 % за масою, їх максимальна кількість має бути вказана в документі про якість цементу.

Вапняк В за своїми характеристиками повинен відповідати вимогам ДСТУ Б В.2.7-128.