11.3. Производство вяжущих материалов
Вяжущими материалами называются одно- и многокомпонентные порошкообразные минеральные вещества, образующие при смешении с водой пластичную формующуюся массу, затвердевающую при выдержке в прочное камневидное тело.
В зависимости от состава и свойств вяжущие вещества подразделяются на три группы (рис. 11.6):
Рис. 11.6. Классификация вяжущих материалов
1. Воздушными вяжущими материалами называют материалы, которые после смешивания с водой (затворения) твердеют и длительное время сохраняют прочность только на воздухе.
2. Гидравлическими вяжущими материалами называют материалы, которые после затворения водой и предварительного затвердевания на воздухе продолжают твердеть в воде. Другими словами, сохраняют прочность как на воздухе, так и в воде.
3. К кислотостойким вяжущим материалам относятся такие, которые после затвердевания на воздухе сохраняют прочность при воздействии на них минеральных кислот.
Это достигается тем, что для их затворения используют водные растворы силиката натрия, а в массу материала вводят кислостойкие наполнители (диабаз1, андезит2 и др.).
Сырьё.
Сырьём для производства силикатных материалов, используемых в качестве вяжущих, служат:
- природные материалы – гипсовыё камень, известняк, мел, глины, кварцевый песок;
- промышленные отходы – металлургические шлаки, огарок колчедана, шламы переработки нефелина.
Применение. Вяжущие материалы в строительстве применяются в форме:
- цементного теста (вяжущий материал + вода);
- строительного раствора (вяжущий материал + песок + вода).
Действие вяжущего материала может быть разбито на три последовательные стадии:
- затворение (добавление воды) или образование пластической массы в виде теста или раствора смешением вяжущего вещества с соответствующим количеством воды или силикатного раствора;
- схватывание или первоначальное загустевание и уплотнение теста с потерей текучести и переходом в плотное, но непрочное соединение;
- твердение или постепенное увеличение механической прочности в процессе образования камневидного тела.
Важнейшими видами вяжущих материалов являются: портландцемент (гидравлический цемент) и воздушная (строительная) известь.
11.3.1 Производство портланд-цемента
Портландцементом называется гидравлический вяжущий материал, состоящий из силикатов и алюмосиликатов кальция разного состава.
Основными компонентами портландцемента являются следующие соединения:
- алит (трикальцийсиликат) 3CaO∙SiO2,
- белит (дикальцийсиликат) 2CaO∙SiO2,
- трикальцийалюминат 3CaO∙Al2O3.
Характеристикой портландцемента является «марка».
Маркой цемента называется предел прочности на сжатие образца цемента после затвердевания его в течение 28 суток, выражаемый в кг/см2. Чем больше марка цемента, тем выше его качество.
Существуют марки 400, 500 и 600.
Производство портландцемента складывается из двух стадий: получения клинкера и его измельчения.
11.3.1.1 Получение клинкера
Получение клинкера может осуществляться двумя способами – мокрым и сухим, которые различаются методом приготовления сырьевой смеси для обжига.
Мокрый метод. По мокрому методу сырьё измельчают в присутствии большого количества воды. При этом образуется пульпа, содержащая до 45% воды.
В этом методе обеспечивается:
высокая однородность смеси;
снижается запыленность;
но увеличиваются затраты энергии на испарение воды.
Сухой метод. По сухому методу компоненты сырья сушат, измельчают и смешивают в сухом виде.
Такая технология является энергосберегающей, поэтому удельный вес производства цемента по сухому методу непрерывно возрастает.
На рис. 11.7 представлена схема производства портландцемента мокрым способом:
Рис. 11.7. Принципиальная схема производства портланд-цемента.
Производство клинкера включает операции:
- дробления, размола, корректировки состава сырья;
- последующую высокотемпературную обработку полученной шихты – обжиг.
Сырьё. Сырьём в производстве портландцемента служат:
- различные известковые породы – известняк, мел, доломит;
- глина;
- мергели – представляющие собой однородные тонкодисперсные смеси известняка и глины.
При обжиге шихты последовательно протекают следующие процессы:
- испарение воды (100 ºС);
- дегидратация кристаллогидратов и выгорание органических веществ:
MeO∙nH2O = nMeO + nH2O (500 ºС);
термическая диссоциация карбонатов:
CaCO3 = CaO + CO2 (900- 1200 ºС);
- взаимодействие основных и кислотных оксидов с образованием силикатов, алюминатов и алюмоферритов кальция:
CaO + SiO2 = 2CaO∙SiO2 (белит)
2CaO∙SiO2 + CaO = 3CaO∙SiO2 (алит)
3CaO + Al2O3 = CaO∙Al2O3 (трикальцийалюминат)
Процесс заканчивается при температуре 1450ºС, после чего клинкер поступает на охлаждение.
Состав образовавшегося после обжига продукта следующий: алит 40-60 %; белит 15-30 %; трикальцийалюминат 5-14 %.
Для обжига шихты используются барабанные вращающиеся печи диаметром 3,5-5,0 м и длиной до 185 м (рис. 11.8):
Рис. 11.8. Вращающаяся печь для получения цементного клинкера: 1 – вращающая печь; 2 – бандажи; 3 – опорные ролики; 4 – электромоторы; 5 – шестерни; 6 – шнековый питатель; 7- холодильник; 8 - дымоход
Компоненты сырья, поступающие в печь, последовательно проходят в ней зоны сушки, подогрева, кальцинации, экзотермических реакций образования силикатов, спекания и охлаждения.
Выходящий из печи клинкер охлаждается в барабанных холодильниках, а нагретый воздух используют для нагрева воздуха и газообразного топлива, поступающего в печь.