Свойства отдельных фаз (минералов)

Трехкальциевый силикат C₃S обладает повышенной гидравлической активностью и скоростью твердения, формируя высокую прочность цементного камня в ранние сроки, который имеет пониженную водо- и коррозионную стойкость.

Двухкальциевый силикат C₂S имеет значительно мень­шую активность. В отличие от трехкальциевого силиката он твердеет очень медленно. Продукт, получившийся в ходе твер­дения, имеет невысокую прочность, но повышенную водо- и коррозионную стойкость.

Трехкальциевый алюминат С₃А обладает способностью к очень быстрому твердению, но сам продукт твердения имеет невысокую прочность и пониженную водо- и коррозионную стойкость.

Рис. 1.2. Схематическое изображение составных частей цементного клинкера (травление проводилось 1,2- Циклогександиамин-N, N,N',N'-тетрауксусной кислоты ди-натриевой солью (CDTA) (по Й.Планку)

Четырехкальциевый алюмоферрит C₄AF по всем параметрам (гидравлической активности, скорости твердения и прочностным характеристикам), занимает промежуточное положение между трехкальциевым и двухкальциевым силикатами. Продукты твердения обладают повышенной водо- и коррозионной стойкостью.

2. Оксидный состав

Оксид кальция СаО = 63...67 %;

Оксид кремния SiО₂ = 21...24 %;

Оксид алюминия Al₂O₃ = 4...7 %;

Оксид железа Fe₂O₃ = 3...5 %.

Оксид магния MgO < 5 %.

Ограничения по MgO (периклазу) вызваны тем, что при твердении цемента он гидратирует с запаздыванием в затвердевшем цементном камне и вследствие значительно увеличения объема может привести к его разрушению.

2. Модульные характеристики клинкера

Коэффициент насыщения

КН = ≈ 0,91

Силикатный (кремнеземистый) модуль

n = ≈ 2,2

Алюминатный (глиноземистый) модуль

p=Al₂O₃/Fe₂O₃ ≈ 1,4

Модули характеризуют:

КН..... C₃S / C₂S

n....... (C₃S + C₂S) / (C₃A+C₄AF)

р....... C₃A / C₄AF

Коэффициент насыщения КН равен отношению фактического СаО, связанного с SiО₂, к теоретически необходимому СаО для связывания этого количества SiО₂ в C₃S. Следовательно, содержание С₃А и С₄АF не влияет на КН и с повышением КН возрастает доля C₃S и снижается – C₂S. При увеличении n и р повышается соответственно доля силикатных фаз и C₃A в клинкере. Таким образом, при изменении модулей свойства цемента изменяются в соответствии с изменением их фазового состава.

Рассчитать материальный и тепловой балансы печи.

Для получения одной тонны клинкера при мокром способе необходимо переработать до 6 тонн различных материалов.

При этом испаряется около тонны воды, выбрасывается в окружающую среду немного меньше тонны углекислого газа и расходуется на горение более двух тони воздуха (рис. 10.8).

Рис. 10.8. Расход материалов и выход газа для получения 1 т клинкера

Расход тепла на обжиг клинкера

Для обеспечения полного протекания физико-химических процессов во вращающейся печи необходимо соблюдать оптимальный температурный режим, который обеспечивается определенным расходом тепла, полученного от сжигания топлива. Чтобы определить удельный расход топлива (количество топлива для получения 1 кг или 1 т клинкера) необходимо рассчитать количество расходуемого тепла по отдельным статьям теплового баланса (табл. 10.1).

Таблица 10.1

Тепловой баланс печи мокрого способа, кДж/кг клинкера

1. Тепловой эффект клинкерообразования ТЭК ~ 1700 кДж/кг клинкера. ТЭК (q_TK) представляет собой теоретическое количество тепла, затраченного на химические превращения сырьевых компонентов в процессе клинкерообразования, дегидратацию глинистых минералов (q_дег) и декарбонизацию СаСО₃ (q_дек), экзотермические реакции синтеза клинкерных минералов ((q_эр). ТЭК зависит только от исходного и конечного минералогических составов сырья и клинкера. Снизить расход тепла на ТЭК можно, применяя в качестве сырьевых компонентов техногенные материалы, например шлак, которые содержат некарбонатный СаО и поэтому уменьшается q_дек. При условии постоянства исходного и конечного составов сырья и клинкера снижение расхода топлива по данной статье невозможно.

2. Расход тепла на испарение воды q_w ~ 2500 кДж/кг можно снизить, уменьшив влажность шлама W путем ввода при помоле специальных разжижителей (поверхностно-активных веществ), которые позволяют снизить влажность шлама с сохранением его текучести.

3. Потери тепла с отходящими газами q_ог ~ 1000 кДж/кг зависят от температуры, количества V_ог и теплоемкости С_ог отходящих газов. Температура отходящих газов определяется условиями теплообмена в печи и подбором рациональных цепных завес. Объем отходящих газов определяется количеством испаренной воды, карбонатной СО₂, гидратной воды из глины и продуктов горения топлива.

4. Потери тепла в окружающую среду q_oc ~ 600 кДж/кг зависят от удельной поверхности корпуса печи (f=F/Gкл), т.е. от отношения поверхности печи F в м² к производительности печи в кг/с; от температуры корпуса печи и окружающего воздуха Δt_П-В и от коэффициента теплоотдачи α_ТО который в свою очередь зависит от скорости движения воздуха около печи. Удельные потери тепла через корпус в расчете на 1 кг клинкера уменьшаются при создании защитной обмазки в зоне спекания и увеличении производительности печи.

5. Потери тепла при охлаждении клинкера q_кл+q^из_В≈200 кДж/кг клинкера зависят от температуры охлажденного клинкера t_кл от температуры t_В^из и удельного объема избыточного воздуха V_В^из м³/кг клинкера. Для снижения этих теплопотерь необходимо повысить эффективность работы холодильника.

Для наглядности на рис. 10.9 приводится схема расходных статей теплового баланса вращающейся печи.

Рис. 10.9. Схема расхода тепла для печи мокрого способа в кДж/кг клинкера

Учитывая, что часть тепла около 140 кДж/кг клинкера поступает в систему со шламом и воздухом, то теплота сгорания топлива составляет около 5860 кДж/кг или 1400 ккал/кг*, что соответствует 200 кг условного топлива на тонну клинкера.

___________________________________

*1 ккал = 4,19 кДж/кг; 1 кг условного топлива (кут) = 7000 (ккал)

Рекомендовать виды добавок в цемент и описать их роль в гидратации и твердении цемента.

ХОть и говорится, что лучшее - враг хорошего, а вот технологи нашей Компании так не считают. Практически ни одно современное предприятие осуществляющее производство ЖБИ, цемента или бетонных смесей не обходится без применения специальных добавок для бетона, существенно улучшающих качество и характеристики смеси и регулирующих процессы схватывания цемента и его твердения.

Казалось бы, к чему эти добавки для бетона, еслибетонная смесь изготовлена на современном оборудовании, и при её производстве не были нарушены все нормы и требования по времени и тщательности замешивания, соблюдён состав смеси, использованы качественные наполнители: цемент, песок, щебень, вода? Хорошая бетонная смесь - сама по себе хороша, но если есть возможность сделать её лучше: увеличить прочность, сделать её более подвижной, повысить её влагонепроницаемость, морозостойкость, трещиностойкость, защиту от солей, нефтепродуктов и так далее тому подобное, то почему бы это не сделать?

Современное производство бетона, ЖБИ и цемента на то и современное, что учитывает все возможности и нюансы, позволяющие сделать продукцию "быстрее, выше, сильнее". Вот здесь на помощь комбинатам производящим ЖБИ и различным бетонным заводам приходят специальные добавки для бетона, воздействующие на поведение цемента на различных стадиях схватывания и твердения, и влияющие на качественные характеристики изготовленного ЖБИ, или, монолитной железобетонной конструкции, в течении всего периода эксплуатации.

Давайте рассмотрим основные виды химических добавок, которые используются на современном бетонном и ЖБИ производстве. Их можно условно разделить на группы:

• добавки в бетон, регулирующие основные свойства смеси, такие как подвижность, пластичность, водоудержание, порообразование и т.д.

• виды добавок, регулирующих сохраняемость и отвечающих за скорость твердения бетона, скорость схватывания цемента, в основном, влияющие на процесс гидратации в начальной стадии схватывания, твердения и набора прочности бетона.

• добавка для придания ЖБИ или железобетону специальных свойств: полимерная, биоцидная и т.д.

• противоморозные добавки для бетона, позволяющие производить бетонирование при минусовых температурах.

• добавка в бетон, повышающая его прочность, морозостойкость, коррозионную стойкость.

• ингибиторы коррозии стали, ибо стальная арматура, входящая в состав любых ЖБИ или монолитного железобетона, подвержена разрушающему воздействию агрессивных сред, в которых приходится работать многим железобетонным конструкциям.

• расширяющие добавки в цемент, снижающие усадку, повышающие трещиностойкость, создающих самонапряжение ЖБИ и монолитных железобетонных конструкций.

• красящие добавки - пигменты для бетона.

• добавки в бетон для гидроизоляции, к которым можно отнести различные кольматриующие добавки, гидрофобизаторы и другие средства понижающие проницаемость бетонной конструкции.

• различные поризующие виды добавок для лёгких бетонов: газообразующие, воздуховолекающие, пенообразующие и т.д.

Если у нас набралось столько групп, то сколько же будет добавок? Сразу скажу - много! Перечислять их всех - вряд ли хватит сил и времени. Выделим лишь основные, которые могут быть полезны широкому кругу строителей. Наверное не совру, если скажу, что , а вернее, его более продвинутый наследник - - самая используемая на сегодня добавка для бетона, используемая при производстве бетонных смесей. Во всяком случае Компания БЭСТО пластификатор с-3 используется практически всегда. Вообще, химические добавки, способствующие уменьшению водосодержания в составе бетонных смесей - наиболее востребованы. Очень много плюсов от их использования, а именно: повышается текучесть бетонной смеси без добавления лишней воды, она становится более пластичной, экономится цемент, повышается плотность, водонепроницаемость, морозостойкость и т.д.

Вот здесь и приходят на помощь специальные добавки для бетона - пластификаторы, которые начали использовать ещё с сороковых годов прошлого столетия. На сегодняшний день, мы в основном имеем дело с их новой версией, так называемыми суперпластификаторами. Они появились в СССР ещё в начале восьмидесятых. Безусловный лидер здесь - пластификатор с-3. Одним из главных производителей суперпластификатора с-3 является компания "Полипласт". Чем же так хороши пластификаторы, давайте поглядим:

• Экономия цемента. Для получения равнопрочного бетона одинаковой подвижности с применением пластификатора с-3 и без него, на один куб бетонной смеси расходуется цемента на 15% меньше. Достигается сиё великолепие за счёт снижения количества воды затворения. Но для сохранения необходимой подвижности смеси, производители обязательно вводят суперпластификаторы или пластификаторы в бетон. Таким образом одновременно снижается водоцементное отношение и при этом не снижается подвижность.

• Без ущерба для прочности будущих ЖБИ и железобетонных конструкций повышается подвижность смеси. Что особенно актуально для монолитного строительства, где вовсю применяются бетононасосы и автобетононасосы, требующие для нормальной работы бетон п4-п5 (осадка конуса от 16 см).

• Увеличение окончательных прочностных характеристик до 25%.

• Благодаря улучшенной удобоукладываемости отпадает необходимость вибрирования свежеуложенной смеси!

• Возможность без особых проблем заливать густоармированные конструкции: колонны, узкие опалубки стен и так далее.

• Получение составов повышенной плотности (высокая непроницаемость), что положительно сказывается на водонепроницаемости ЖБИ и железобетонных конструкций в целом.

• Повышение морозостойкости вплоть до F350 и трещиностойкости.

• Снижается усадка твердеющего бетона или ЖБИ.

• Возможность получать высокопрочные ЖБИ и бетоны, с показателями прочности на сжатие свыше 100МПа! К примеру: бетонный образец марки м-350 (B25) 28 суточного возраста обладает прочностью на сжатие всего лишь 25 МПа. То есть - в четыре раза меньшей. Применяя специальные модификаторы возможно получить смесь с марочной прочностью превышающёй марку используемого при затворении цемента.

• Заводы выпускающие ЖБИ получают свою выгоду от использования пластификаторов за счёт сокращения времени пропаривания или снижения температуры в камерах. А это существенная экономия энергоресурсов, ускорение оборачиваемости формоснастки и как следствие - увеличение объёмов производства.

• Увеличивается сцепляемость арматуры с бетоном аж в 1,5 раза (если не врут конечно физики-химики)

Мне кажется, что перечисленных плюсов вполне достаточно для того чтобы понять, что производить бетонные смеси или ЖБИ без пластификаторов - не самое выгодное мероприятие. Однако, в нашей бочке мёда есть и ложка дёгтя. Маленькая такая, но есть. И дёготь этот - незначительное замедление сроков схватывания и твердения бетонной конструкции. Можно считать это отрицательным эффектом, может кому-то он покажется и положительным, но суть одна. Для компенсации замедляющего действия пластификаторов иногда вводится специальная добавка для бетона - ускоритель твердения. Она и компенсирует всё, что подпортил пластификатор, а именно график нормального твердения отлитой конструкции.

На сегодняшний момент всё чаще и чаще применяются комплексные виды добавок в бетон. Как правило, они двухкомпонентные. Например: в основе пластификатор с-3, а в довесок ускоритель твердения, либо воздухововлекающая добавка, либо микрокремнезём и т.д. Благодаря таким комбинациям бетонные заводы получают высокопрочные смеси с уникальными характеристиками.