Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология портландцемента и его разновидностей. Учебное пособие
.pdf
Б.В. Гусев, Ю.Р. Кривобородов, С.В. Самченко
ТЕХНОЛОГИЯ
ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА
И ЕГО РАЗНОВИДНОСТЕЙ
Учебное пособие
ISBN 978-5-7264-3447-6
Москва 2024
© ФГБОУ ВО «НИУ МГСУ», 2024
© Оформление. ООО Компания
«Ай Пи А
р Медиа», 2024
БЕТОНОВЕДЕНИЕ
УДК 666.9
ББК 38.32
Г96
Р е ц е н з е н т ы :
доктор технических наук, профессор Е.Н. Потапова,
профессор кафедры химической технологии композиционных и вяжущих
материалов РХТУ им. Д.И. Менделеева;
кандидат технических наук Ю.О. Баженова,
доцент кафедры технологии вяжущих веществ и бетонов НИУ МГСУ
Гусев, Б.В.
Г96 Технология портландцемента и его разновидностей [Электронный ресурс] :
учебное пособие / Б.В. Гусев, Ю.Р. Кривобородов, С.В. Самченко / Министерство
науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный
исследовательский Московский государственный строительный университет. —
Электрон. дан. и прогр. (5 Мб). — Москва : Издательство МИСИ – МГСУ, 2024. —
URL: http://www.iprbookshop.ru/. — Режим доступа : для зарегистрированных
пользователей. — Загл. с титул. экрана.
ISBN 978-5-7264-3447-6
Рассмотрены особенности технологии портландцемента и его разновидностей: ви-
ды сырья, подготовка и гомогенизация сырьевой смеси, получение клинкера, процессы
измельчения цемента, свойства цементов и их применение.
Для обучающихся бакалавриата направлений подготовки «Строительство» и
«Химическая технология», изучающих дисциплины «Вяжущие вещества» и
«Технология бетона, строительных изделий и конструкций».
Учебное электронное издание
© ФГБОУ ВО «НИУ МГСУ», 2024
© Оформление. ООО Компания
«Ай Пи Ар Медиа», 2024
Учебное электронное издание
Гусев Б.В., Кривобородов Ю.Р., Самченко С.В.
ТЕХНОЛОГИЯ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА
И ЕГО РАЗНОВИДНОСТЕЙ
Учебное пособие
Редактор Ю.Ю. Желтова
Технический редактор Е.А. Копылова
Корректор М.А. Джалая
Компьютерная правка и верстка С.С. Сизиумовой
Для создания электронного издания использовано:
Microsoft Word 2010, Adobe InDesign CS5.5, ПО Adobe Acrobat
Объем данных 5 Мб.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования «Национальный исследовательский Московский
государственный строительный университет».
129337, Москва, Ярославское ш., 26.
Издательство МИСИ – МГСУ.
Тел.: (495) 287-49-14, вн. 14-23, (499) 183-91-90, (499) 183-97-95.
E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru
ООО Компания «Ай Пи Ар Медиа»
8 800 555 22 35 (бесплатный звонок по России)
E-mail: sales@iprmedia.ru
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение .......................................................................................................... 5
1. ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ ............................................................................... 6
2. РАЗНОВИДНОСТИ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА ...................................... 40
2.1. Быстротвердеющие и высокопрочные цементы .................................... 40
2.2. Сульфатостойкие цементы ..................................................................... 44
2.3. Пластифицированные цементы .............................................................. 55
2.4. Гидрофобный цемент ................................ .............................................. 62
2.5. Дорожный цемент ................................................................................... 66
2.6. Белый и цветные цементы ...................................................................... 71
3. ШЛАКОПОРТЛАНДЦЕМЕНТ ............................................................. 85
4. ПУЦЦОЛАНОВЫЙ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ ...................................... 103
Заключение ................................................................................................. 112
Библиографический список ..................................................................... 113
4
ВВЕДЕНИЕ
Портландцемент является основным вяжущим материалом, обес-
печивающим производство бетона и железобетона. Широкое применение и успешное использование цемента обусловлены его высокими
техническими свойствами. На них оказывают влияние многие факторы:
природа сырьевых материалов, способы их технологической обработки,
особенности физико-химических процессов гидратации и твердения,
предопределяющих формирование структуры цементного камня и т.д.
В течение последних лет производство портландцемента постоянно
растет, ежегодный прирост его выпуска составляет 8 %, общий мировой объем выпуска превысил 3 млрд т.
Наряду с быстрым развитием производства достигнуты большие
успехи в химии и технологии цемента. Детально изучены процессы
клинкерообразования, состав и структура отдельных фаз клинкера,
влияние малых составляющих на свойства клинкера и цемента. Технология развивается в направлении использования более экономичного
сухого способа производства.
Имеющиеся учебники по химии и технологии цемента изданы дав-
но (1980—1985 гг.), поэтому авторским коллективом принято решение
осветить достигнутые в технологии портландцемента и его разновидностей успехи путем издания отдельных частей учебника в виде учебного пособия.
В настоящем труде дается теоретическое обоснование химических
и физико-химических процессов, протекающих при изготовлении
портландцемента и его разновидностей и службе их в строительстве.
Особое внимание уделено снижению энергетических затрат при производстве цемента и повышению качества выпускаемой продукции.
5
1. ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ
Портландцемент — вяжущее вещество, получаемое путем тонкого
измельчения клинкера с гипсом и добавками (или без них). При добавлении к портландцементу воды образуется удобообрабатываемое тесто,
способное затвердевать в воде и на воздухе.
Портландцементный клинкер получают путем обжига до спекания
сырьевой смеси определенного состава, обеспечивающего преобладание в клинкере силикатов кальция.
Химический состав клинкера представлен, главным образом, четырьмя оксидами: СаО, SiO2, Al2O3, Fe2O3, сумма которых составляет
95…97 %. Помимо них, в клинкере присутствуют примеси, которые
содержатся в исходном сырье (оксиды магния, титана, фосфора, щелочей и т.д.). При обжиге сырьевой смеси оксиды, взаимодействуя между
собой, образуют минералы клинкера.
Минералогический состав. Портландцементный клинкер состоит в
основном из четырех главных минералов: алит, белит, алюминаты и
алюмоферриты кальция, обозначаемых как С3S, С2S, С3А, С4АF. Каждый из них образует твердые растворы с второстепенными компонентами или примесями, содержащимися в исходном сырье. Кроме того,
каждому из этих минералов, за исключением алюмоферрита кальция,
присущ сложный полиморфизм.
Алит ― трехкальциевый силикат 3CaO • SiO2 (С3S), устойчив между 1250 и 2070 °С. При 2070 °С плавится инконгруэнтно, образуя расплав и СаО. Ниже 1250 °С чистый С3S разлагается очень медленно. До
1100 °С С3S имеет шесть полиморфных модификаций: Т1 Т2 Т3
М1 М2 М3 R, (Т ― триклинный, М ― моноклинный, R ― ромбоэдрический), каждая из которых образует твердые растворы. При высокой температуре (1070 °С и выше) решетка С3S ― ромбоэдрическая,
а при охлаждении происходит понижение симметрии.
В матричном кристалле С3S могут растворяться многие атомы различных элементов или их смесей, предопределяя развитие сложных
гетеровалентных замещений. Наиболее распространенными внедряющимися элементами являются магний, алюминий и железо. Магний
изоморфно замещает в решетке Са2+, стабилизируя высокотемпературные формы С3S. Предельная растворимость MgO в кристаллической
решетке чистого С3S составляет около 2 %. При этом изменение основ-
6
ных аналитических линий на рентгенограммах минерала при увеличении количества MgO от 0 до 2 % происходит нелинейно. Резкие переходы в строении С3S обусловлены стабилизацией трех модификаций
минерала при следующих концентрациях MgO: при 0,55 % ― переход
триклинных Т1 Т2; при 1,45 % ― триклинной Т1 в моноклинную M1.
Избыточный (сверх 2 %) MgO при 1550 °С выделяется в виде самостоятельной фазы ― периклаза.
Ионы алюминия могут занимать в решетке С3S три позиции: первая ― замещать Si4+ в тетраэдрах (SiO4)4–; вторая ― замещать ионы
Са2+ в многогранниках СаОn; третья ― внедряться в октаэдрические
пустоты, имеющиеся в решетке минерала. Характер происходящих замещений зависит от концентрации Аl2О3 в системе. В присутствии Аl3+
стабилизируются тригональные Т1 (до 0,5 % Аl2О3) и Т2 (0,5…1 % Аl2О3)
модификации С3S. Замещение Si
4+
Al3+ сопровождается локальным
расширением решетки из-за большей величины иона Al3+ в сравнении с
размером ионного радиуса Si4+. Пределом растворения Аl2О3 в решетке
С3S считается 1 %.
Оксид железа трехвалентной формы (Fe2О3) растворяется в С3S до
1,1 %, при этом происходит замещение Са2+, Si4+ и внедрение в пустоты
решетки трехкальциевого силиката с полиморфным превращением
Т1 Т2.
Оксид железа двухвалентной формы (FeО) также способен взаимодействовать с трехкальциевым силикатом. Ионы Fe2+ замещают в
решетке С3S ионы Са2+ и внедряются в ее пустоты, при этом выделяется много свободного СаО. Причиной этого считается распад С3S на
СаО и С2S. Деформация решетки происходит и в результате внедрения Fe2+ в пустоты решетки, величина которых существенно меньше,
чем размер иона.
Алит также может содержать оксиды натрия, калия, титана, фосфора, хрома, марганца, цинка и другие, стабилизирующие ту или иную
полиморфную модификацию.
В промышленных клинкерах наиболее распространенной формой
алита является моноклинная (М3). Также одновременно могут присутствовать полиморфные модификации М3 и М1, редко ― триклинная (Т2)
и ромбоэдрическая (R). Содержание той или иной модификации находится в зависимости от состава сырья и условий обжига клинкера. Алит
в клинкере хорошо определяется методом оптической микроскопии.
Белит ― двухкальциевый силикат 2CaO • SiO2 (С2S), имеет следующий ряд полиморфный превращений: α-, α΄-, β-, γ-формы. Температурные границы превращения модификаций С2S подвержены измене-
7
ниям в зависимости от величины кристаллов ортосиликата, плотности
образца-объекта, температурной области, в пределах которой осуществлялась его термическая обработка, скорости охлаждения и других
факторов. Большое внимание уделяется превращению , поскольку
-форма является гидратационно неактивной. Превращение зави-
сит от температуры, при этом отмечается влияние размера кристалла на
стабилизацию -С2S. Размер кристалла -С2S в 5 мкм считается критическим для образования зародышей -С2S и их роста.
Алюминатная фаза в клинкере может быть представлена в виде
трехкальциевого алюмината 3СаО • Al2O3 (С3А), нестабильного пятикальциевого трехалюмината 5CaO • 3Al2O3 (С5А3), стабильного двенадцатикальциевого семиалюмината 12CaO • 7Al2O3 (С12А7) и их твердых
растворов. Чистый С3А не проявляет изоморфизма. Он имеет кубическую ячейку с параметрами а = 1,5263 нм. С3А плавится инконгруэнтно
при 1542 °С с образованием СаО и жидкой фазы. Показатель светопреломления N = 1,710. В структуре С3А имеются пустоты, доступные для
внедрения различных катионов.
Трехкальциевый алюминат (С3А) является матрицей для образования твердых растворов с многими примесными компонентами. С3А с
Na2O образует твердый раствор с замещением иона кальция Са
2+
2Na+, при этом растворение ионов Na+ изменяет симметрию минерала ―
одновременно с кубической образуется орторомбическая сингония, а
при значительном содержании Na2O (4,6…5,9 %) формируются кристаллы трехкальциевого алюмината моноклинной сингонии. Предельная концентрация Na2O в твердом растворе равна 9 %, что соответствует формуле соединения Na2O • 8СаО • 3Al2O3. Этот состав твердого
раствора четко идентифицируется на рентгенограмме как самостоятельное соединение. Одновременно с Na2O в решетку С3А может внедриться и SiO2 (примерно до 3 %), в результате чего образуется более
сложный твердый раствор типа Na2O • 8СаО • (3 – х)Al2O3 • хSiO2. К2О
подобно Na2O образует соединение К2О • 8СаО • 3Al2O3, которое также
может включать в свой состав до 3 % SiO2 и взаимодействовать с С3А с
получением более сложных твердых растворов. Однако вещество Na2O •
8СаО • 3Al2O3 более устойчиво, чем К2О • 8СаО • 3Al2O3, и образуется
в первую очередь. Эти соединения являются изоморфными, вследствие
чего могут возникать твердые растворы типа (Na,К)2О • 8СаО • 3Al2O3.
В промышленном клинкере С3А существует в виде кубической и
орторомбической сингонии и содержит, помимо К2О и Na2O, большое
количество других примесей: Mg2+, Fe3+, Si4+, Ti4+, V5+, Cr3+, Mn3+, замещающих Al3+.
8
Алюмоферриты кальция в системе СаО―Al2O3―Fe2O3 представляют собой твердые растворы в ряду двухкальциевого феррита и
гипотетического двухкальциевого алюмината (С2F―C2А), состав которых выражается общей формулой 2CaO • xAl2O3 • (1 – x)Fe2O3 (С2АхF
1-х
),
где x > 0 и 0,7. В алюмоферритном ряду установлено образование
следующих соединений: С8А3F, С6А2F, С6АF2. Алюмоферрит состава
4CaO • Al2O3 • Fe2O3 (С4АF) является одним из членов этого ряда.
Соотношение оксидов алюминия и железа в составе алюмоферрита
кальция в большой степени зависит от условий обжига, состава сырьевой смеси, скорости охлаждения. В решетке алюмоферритов кальция
могут присутствовать многие другие элементы, а именно: Mg, Si, Mn,
Cr и т.д.
Из прочих второстепенных фаз в клинкере содержатся: стекло, несвязанный оксид кальция (СаО
), MgO (периклаз), щелочные и суль-
своб.
фатные соединения.
Химико-минералогический состав клинкера характеризуется коэффициентом насыщения (КН), силикатным (n) и глиноземистым (p) модулями.
Коэффициент насыщения ― это отношение количества оксида
кальция в клинкере, фактически связанного с SiO2, к его количеству,
теоретически необходимому для полного связывания кремнезема в
трехкальциевый силикат. Он определяется исходя из химического состава клинкера по формуле:
КН = (СаО – 1,65Al2O3 – 0,35Fe2O3) / 2,87SiO2.
(1)
Силикатный модуль ― отношение процентного содержания в
клинкере кремнезема к сумме процентного содержания оксидов алюминия и железа. Он определяется по формуле:
n = SiO2 / (Al2O3 + Fe2O3). (2)
Глиноземистый модуль представляет собой отношение процент-
ного количества оксида алюминия в клинкере к процентному отношению оксида железа:
p = Al2O3 / Fe2O3.
(3)
КН клинкера на предприятиях страны колеблется в пределах
0,85…0,95, силикатный модуль ― от 1,9 до 2,7; глиноземистый модуль ―
от 0,9 до 1,6.
9
Сырьевые материалы для получения клинкера. Для производства
клинкера используют карбонатные горные породы с высоким содержанием карбоната кальция и глинистые породы, содержащие оксиды
кремния, алюминия и железа. Для изготовления портландцемента применяют все виды известковых пород: известняк, мел, мергели. Глинистые породы используют в виде глин, суглинков, глинистого сланца,
лесса, аргиллита. Помимо природных материалов в качестве сырья
применяются побочные продукты и отходы различных отраслей производства, например, доменные и электротермофосфорные шлаки, нефелиновый шлам и др.
Пригодность сырья для получения портландцемента устанавливают по параметрам химического состава и физическим свойствам. Из
физических свойств наиболее важны следующие: влажность, минералогический состав и структура, гранулометрический состав мягких пород и их способность размучиваться в воде, прочность и размалываемость твердых пород, наличие в сырье посторонних включений: гальки
в глине, кремневых желваков в известняке.
Требования к химическому составу предусматривают ограничение
по МgO, количество которого в сырьевой смеси должно обеспечивать
получение клинкера с содержанием этого оксида не более 5 %. Содержание сульфатов в пересчете на SO3 должно составлять не более 3 %,
Р2О5 ― не более 0,6 %.
Для полной или частичной замены основных сырьевых материалов
(главным образом, глин) используются промышленные отходы (техногенные продукты): шлаки черной и цветной металлургии, химической
промышленности; золы и золошлаковые отходы от сжигания углей;
нефелиновый (белитовый) шлам.
Химический состав доменных гранулированных шлаков колеблется в следующих пределах (в %): SiO2 = 36…40; Al2O3 = 5…16; Fe2O3 =
0,1…06; CaO = 33…45; SO3 = 0,03…0,4; MgO = 6…12; TiO2 = 0,4…3,0.
Минералогический состав шлаков представлен такими соединениями,
как: геленит, окерманит, двухкальциевый силикат β- и γ-формы, волластонит и др. В зависимости от условий охлаждения в шлаках содержится различное количество стекла.
Электротермофосфорные шлаки (ЭТФШ) имеют следующее содержание оксидов (в %): SiO2 = 3...50; Al2O3 = 2…3; Fe2O3 = 1…2; СаО =
42…50; Р2О5 = 1…20. Поскольку не всегда удается получить клинкер
требуемого химического и минералогического состава, изменяя только
соотношение между двумя исходными компонентами (известняком и
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]