Введение

Важнейшая задача современного этапа развития производства основного вида вяжущих материалов – портландцемента заключается в интенсификации и повышении эффективности производства, что требует глубоких знаний теоретических основ процессов его получения и применения. Это относится ко всем стадиям производства – от выбора наиболее реакционноспособных видов сырья для получения портландцементного клинкера, осуществления наиболее рационального режима его обжига и помола до наиболее эффективной реализации вяжущих свойств материала на стадии твердения [1].

Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного тонкого измельчения клинкера и гипса и твердеющее в воде и на воздухе. Клинкер получают в результате обжига до спекания сырьевой смеси состава, обеспечивающего преобладание силикатов кальция. Гипс вводят в состав портландцемента для регулирования сроков схватывания. Его содержание должно быть не более 3,5% по SО3. Возможно использование природного гипсового камня, фосфогипса и борогипса.

Данная работа является исследование возможности повышения активности цемента за счет использования нетрадиционного способа переработки составляющих его сырьевых компонентов, сопровождающегося активацией частиц.

Целью проводимых физико-химических исследований являлось аналитические исследования исходного карбонатного и глинистого сырья для получения портландцемента, проведение расчетов цементных шихт и выбор оптимального варианта для получения цемента, получение портландцемента по стандартной методике и определение его качественных характеристик и изучение влияния механоактивации на прочностные характеристики портландцемента.

1 Аналитический обзор

1.1 Общие сведения о портландцементе

Портландцемент (англ. Portland cement) — гидравлическое вяжущее вещество, в составе которого преобладают силикаты кальция (70-80 %). Это вид цемента, наиболее широко применяемый во всех странах. Название получил по имени острова Портленд (Portland) в Англии, так как по цвету похож на добываемый там природный камень. Основой портландцемента являются силикаты кальция (алит и белит). Портландцемент получают тонким измельчением клинкера и гипса. Клинкер — продукт равномерного обжига до спекания однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины определённого состава, обеспечивающего преобладание силикатов кальция (3СаО∙SiO2 и 2СаО∙SiO2 70-80 %).

К основным свойствам портландцемента относятся тонкость помола, водопотребность, сроки схватывания, равномерность изменения объема и прочность (марка) цемента. Самые распространённые методы производства портландцемента так называемые «сухой» и «мокрый». Всё зависит от того, каким способом смешивается сырьевая смесь — в виде водных растворов или в виде сухих смесей. [2]

Основные пути увеличения активности портландцемента, повышения прочности цементного камня, сокращение сроков твердения — это увеличение контактной поверхности цементного зерна, повышение массовой доли частиц определенного размера, получение частиц осколочной формы.

Перечисленные способы повышения активности портландцемента, прежде всего, направлены на обеспечение более полного контакта цементного зерна с водой затворения и, соответственно, сокращение доли цементного зерна не получившего возможности полноценного контакта с водой.

Процесс химического взаимодействия воды с цементным зерном, в результате чего образуются новые химические соединения, в состав которых входит кристаллическая вода, называется гидратацией цемента (в переводе с греческого «гидратация» — присоединение воды к различным веществам).[3]

Так, увеличение контактной поверхности (показатель дисперсности материала) и осколочная форма частиц с зазубренными острыми краями, обеспечивает более интенсивное взаимодействие цементного порошка с водой, чем и обуславливается повышение вяжущих свойств цемента.

Именно обеспечение возможности контакта с водой всей массы цементного зерна позволяет получать высокопрочный и быстротвердеющий цемент.

Соответственно, работы по активации портландцемента направлены на увеличение количества цементного зерна, взаимодействующего с водой затворения.

Увеличение дисперсности, форма частиц, гранулометрический состав порошка — все это только инструменты активации, позволяющие увеличить контактную поверхность материала, интенсифицировать взаимодействие материала с водой.

Именно по этому, внедряя активацию портландцемента на производстве бетонных изделий, необходимо помнить о том, что от того какая часть от общей массы портландцемента получила контакт с водой затворения и зависит в конечном итоге практическая эффективность активации портландцемента.

В итоге, для получения максимального эффекта активации помимо проведения работ по измельчению цемента и приданию частицам размера и конфигурации, облегчающих их контакт с водой, необходимо уделять особое внимание непосредственно смешиванию цементного порошка с водой затворения.

Практическая активность цемента во многом зависит от сроков и, что особенно важно, условий его хранения. При хранении и транспортировке цемента в результате окисления поверхности цементного зерна наблюдается снижение его активности. Причем, чем выше активность цемента, тем скорее происходит окисление поверхности цементного зерна и тем скорее происходит снижение его активности.

Именно этим объясняются трудности, с которыми сталкиваются цементные заводы при организации производства особо быстро твердеющего цемента в промышленных масштабах.

Помимо увеличения затрат энергии на помол цементного клинкера, необходимости модернизации помольного оборудования (организация замкнутого цикла помола цементного клинкера), основной проблемой производства и реализации высокоактивного портландцемента является быстрая потеря его особых свойств.

Соответственно, производство высокоактивного портландцемента, который при существующих способах хранения и скорости доставки потребителю теряет большую часть своих исключительных свойств, для современных цементных заводов экономически не целесообразно.

Естественно, что при сложившемся дефиците портландцемента даже среднего качества цементные заводы совершенно не заинтересованы в производстве более сложного и «капризного» вяжущего материала, пусть и обладающего рядом уникальных свойств. Именно поэтому производство особо быстро твердеющего высокопрочного портландцемента на отечественных цементных заводах носит эпизодический характер, а особо быстро твердеющий портландцемент практически не встречается на отечественных стройках.

Производство особо быстро твердеющего высокопрочного портландцемента на цементных заводах в основном связанно с поступлением крупного, зачастую государственного заказа на выпуск ограниченных объемов портландцемента с особыми свойствами под сооружение крупных строительных объектов.[4]

В результате рядовой потребитель портландцемента вынужден довольствоваться маркой М 500, как максимально возможной. Хотя потенциальные возможности портландцемента гораздо выше указанной марки и поэтому применение высокоактивного портландцемента в современном строительстве имеет исключительно важное практическое значение.

Прежде всего, применение высокоактивного портландцемента позволяет отказаться от наиболее длительного и дорогого процесса - тепловлажностной обработки бетонных изделий, значительно сократить потребность в металлических формах, сократить время выдержки бетона в опалубке.

Итак, высокомарочный быстро твердеющий цемент является товаром весьма скоропортящимся. Даже при благоприятных условиях хранения на цемент воздействует СО2 и пары воды, содержащиеся в воздухе, что приводит к значительному снижению активности и прочности цемента. За 3 месяца хранения цемента его прочность снижается на 15-20 %, а через 6 месяцев хранения уже на 20-30 % и более. Особенно уязвимым является высокомарочный быстротвердеющий цемент: за 2-4 недели хранения он переходит в разряд обычных цементов. Всего за 2-5 суток хранения цемента в инвентарном складе (цементном силосе) при высоте слоя более 10 метров его объемная масса изменяется с 1.1 т/м3 до 1.6 т/м3. Поэтому от того, как на предприятии организована доставка, приемка и хранение цемента во многом зависит и его расход, и качество выпускаемой продукции.

Однако зачастую цемент приходит к потребителю уже потерявший исходную активность. Долгая перевозка, частая перегрузка пневмотранспортными машинами, аэрация, переувлажнение при перевозке или промежуточном хранении - все эти факторы способны в значительной степени снизить активность цемента и, соответственно, прочность цементного камня и как следствие привести к перерасходу цемента на производстве.

Причина этого все та же: окисление поверхности и как результат - снижение реакционной способности цементного зерна. Поэтому при организации работ по активации цемента в производстве строительных материалов необходима интеграция агрегатов активации непосредственно в линии производства бетонных и прочих изделий на основе минеральных вяжущих веществ для сокращения сроков хранения активированного цемента. Оптимальным решением является использование цемента сразу же после его активации, когда его активность максимальна.