Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология портландцемента и его разновидностей. Учебное пособие
.pdf
Белый портландцемент и цветные цементы широко используются
Показатели
Белый цемент, России
Цемент фирмы
Alborg Portland
Содержание С3А, %
5,0
4…5
Удельная поверхность, м2/кг
470
360…440
Схватывание, мин:
– начало
– конец
220
330
75…120
―
Прочность (28 сут), МПа
44
(ГОСТ 310.4-81)
65…77
(ГОСТ 30744-2001)
для наружной и внутренней отделки зданий и сооружений. Эти цементы применяются для офактуривания строительных деталей и панелей,
используемых при сборном домостроении.
При применении белых и цветных цементов вместо облицовки керамической плиткой стоимость отделки 1 м2 наружных стеновых панелей снижается более чем в три раза. Белый цемент применяют для
скульптур, барельефов и других архитектурных изделий и деталей. В качестве наполнителя при изготовлении изделий рекомендуется использовать белую мраморную крошку, безжелезистые пески.
Белый и цветные портландцементы высоких марок 400, 500 могут
быть рекомендованы для изготовления лестничных ступеней и плиток
для полов, в дорожном строительстве.
При строительстве парковых и пешеходных зон целесообразно
применение ярких и атмосферостойких белых и цветных цементов.
Цементными заводами производятся белые цементы с содержанием
С3А более 10 масс. %, что недопустимо при создании дорожных бетонов. Специалистами РХТУ им. Д.И. Менделеева и ЗАО «НТЦ» разработан белый цемент, который содержал 5 % С3А и обеспечил необходимую морозостойкость цементного камня (бетона). Характеристики
цемента приведены в табл. 19.
Таблица 19
Свойства белого портландцемента для дорожного строительства
В табл. 19 также приведены типичные характеристики зарубежного
аналога ― белого портландцемента фирмы Alborg Portland.
81
Вибропрессованные мелкозернистые и тяжелые бетоны на основе
Страны
Производство БПЦ, млн т
Китай
2,970
Иран
0,900
Испания
0,785
белого цемента с пониженным содержанием трехкальциевого алюмината соответствуют требованиям, предъявляемым к тротуарной плитке.
В США для покрытия бетонных и оштукатуренных поверхностей
применяют различные портландцементные краски, в которых вяжущим
компонентом является белый портландцемент. Эти краски служат как
для декоративных целей, так и для придания поверхности водонепроницаемости, что важно при применении пористого бетона. Портландцементные краски устойчивы к воздействию агрессивных растворов и
паров. В состав этих красок вводят двуокись цинка или сульфит цинка.
Эти пигменты добавляют для усиления белизны и кроющей способности краски. Кроме того, в состав красок вводят гидрофобные вещества
(стеараты кальция или алюминия). Эти краски служат до 4―5 лет.
Помимо декоративных и защитных функций (против атмосферных
воздействий) в строительстве белый цемент выполняет чисто технические функции. Так, например, для уменьшения аварий на автострадах в
ночное время центральные и боковые ограничительные линии выкладывают из белых бетонных плит с волнистой поверхностью.
Белые и цветные портландцементы отечественного производства
применялись на многих крупных объектах страны: на строительстве
каналов Москва-Волга и Волго-Донского, в городах Москве, СанктПетербурге, Сочи.
Производство БПЦ в России и других странах. БПЦ в России выпускается на Щуровском цементном заводе в объеме до 100 тыс. т/год, в
странах СНГ ― на заводах Сас-Тюбинский (Казахстан), Ангренский
(Узбекистан), Енакиевский (Украина), количество выпускаемого цемента резко снизилось и составляет примерно 30 % от ранее достигнутого к 1990 году (700 тыс. т/год). За рубежом выпуск БПЦ представлен
следующим образом (табл. 20).
Производство белого портландцемента в странах мира
Таблица 20
82
Окончание табл. 20
Страны
Производство БПЦ, млн т
Дания
0,650
Турция
0,550
США
0,430
Франция
0,390
Египет
0,300
Индия
0,286
Другие страны
2,240
Итого
9,501
За рубежом БПЦ в основном получают сухим способом. В качестве
сырьевых материалов для БПЦ завод использует известняк, каолин и
кварцевый песок с жестко ограниченным содержанием окрашивающих
оксидов железа, хрома, марганца и титана. В состав сырьевой смеси для
интенсификации процесса ее обжига вводится минерализатор — СаF2 в
количестве 0,4 % от массы смеси. Принципиально важным для описываемой технологии БПЦ является то, что производство его осуществляется с применением короткой вращающейся печи с четырехступенчатым циклонным теплообменником (рис. 12). Применение сухого
способа производства обеспечивает, во-первых, экономию топлива, а
во-вторых — исключение при обжиге клинкера присадки оксидов железа за счет окалины цепной завесы, которая используется при мокром
способе в качестве теплообменного устройства.
Отбеливание клинкера осуществляется на заводе резким охлаждением в воде. Сушка клинкера производится паром после отбеливателя.
Размол клинкера для получения высококачественного БПЦ осуществляется до удельной поверхности 400 м2/кг. Клинкер характеризуется
высоким значением КН = 0,94, минералогический состав которого является высокоалитовым и содержит % (по массе): С3S ― 74; С2S ― 15;
С3А ― 4,5 и С4АF ― менее 1.
Тонкость помола БПЦ составляет 360…440 м2/кг. Высокоалитовый
состав и повышенная тонкость помола цемента обеспечивают получение быстротвердеющего (прочность в 1-суточном возрасте твердения
составляет 19 МПа) высокопрочного БПЦ с 28-суточной прочностью
71 МПа. Белизна портландцемента составляет 87 %.
83
Рис. 12. Схема получения клинкера для белого
портландцемента по сухому способу:
С1-1, С1-2, С2, С3-1, С3-2, С4 ― циклонные теплообменники;
R1, R2 — теплообменники для нагрева воздуха, подаваемого в печь
84
3. ШЛАКОПОРТЛАНДЦЕМЕНТ
Шлакопортландцементом называется гидравлическое вяжущее
вещество, получаемое совместным помолом портландцементного
клинкера, гипса и доменного гранулированного или электротермофосфорного шлака. Согласно ГОСТ 10178, содержание шлака в составе
цемента должно находиться в пределах 21…80 % по массе. Допускается замена части шлака (не более 10 % от массы цемента) гидравлическими добавками. По стандарту, унифицированному с Евростандартом
(ГОСТ 31108-2003), количество шлака в составе цемента ― 36…65 %.
Гипс вводят в цемент в количестве 1,5…3,5 % в пересчете на SO3 для
улучшения строительно-технических свойств цемента.
Вид, состав и свойства шлаков. Шлаками называются побочные
продукты, получаемые при выплавке черных и цветных металлов, сжигании твердого топлива, а также при электротермофосфорной возгонке
фосфора.
В зависимости от происхождения шлаки делят на металлургические и топливные. Они отличаются по химическому и минералогическому составу, а также по структуре. Соответственно отличаются и их
физические и технические свойства.
Металлургические шлаки разделяются на шлаки черной металлургии (доменные, сталеплавильные, ферросплавные) и шлаки цветной
металлургии (медеплавильные, никелевые). Для производства шлаковых цементов преимущественно используются доменные гранулированные шлаки и шлаки электротермофосфорного производства.
Доменные шлаки. В процессе выплавки чугуна при взаимодействии оксидов кремния и алюминия из железосодержащей руды с оксидом кальция и магния (из флюсов) образуется огненно-жидкий расплав,
называемый доменным шлаком. Чугун, восстановившийся из руды, собирается в нижней части печи, где температура достигает 1400…1500 °С.
Расплавленный шлак, имеющий в 2,5-3 раза меньшую плотность, чем
чугун, скапливается над ним и периодически выпускается из домны
через шлаковую летку. Затем, в зависимости от путей дальнейшего
использования, шлаковый расплав подвергается грануляции, разливается в формы для изготовления дорожных плит, брусчатки или направляется в отвал.
85
Количество доменного шлака, его состав и свойства зависят от хи-
Регион
SiO2 Al2O3 Fe2O3
CaO
MgO
SO3 MnO
TiO2
Европейская
часть
39 7 0,3
42 9 0,2
0,6
1,2
Урал
36
12
0,5
42 8 0,4
0,9 ― Западная Сибирь
37
16
0,4
34
12
0,03 ― ―
мического и минералогического состава пустой породы железных руд,
золы кокса, содержания серы в шихте, характера восстановления, теплового состояния печи и вида выплавляемого чугуна.
Важнейшей характеристикой шлака является его химический состав, который представлен оксидами (%): СаО = 30…49; Al2O3 =
4,5…20; Fe2O3 = 0,3…0,8; SiO2 = 33…44; MgO = 1,5…15; MnO =
0,3…3,0. В отдельных случаях шлаки содержат оксиды титана, бора,
ванадия и других соединений. Оксиды, входящие в состав шлака, разделяются на три группы: кислые (SiO2, Р2О5, SO3), основные (СаО,
MgO) и амфотерные (Al2O3, Fe2O3), которые в зависимости от количе-
ственного содержания проявляют себя как кислотными, так и основными оксидами.
Оксид кальция в значительной степени определяет гидратационную активность доменных шлаков: чем выше его содержание в шлаке,
тем больше его активность. Оксид кремния замедляет процесс гидратации шлака. Для характеристики доменных шлаков широко применяют
отношение СаО/SiO2, по величине которого подразделяют шлаки на
основные и кислые. Оксид алюминия и оксид MgO, а также их соотношение являются важной составляющей доменного шлака, оказывающей влияние на его гидравлическую активность. Так, при содержании
5…7 % Al2O3 шлаки активнее, если в них содержится 5…6 % MgO, а
при 15…18 % Al2O3 количество оксида магния может быть увеличено
до 10…12 %. MnO до 3 % не оказывает влияния на качество шлака, а
свыше этого предела понижает его активность. Оксид титана повышает
кристаллизационную активность шлаков и, соответственно, снижает их
активность. Сера присутствует в шлаке в виде сульфидов СаS, количество которых в пределах 7 % оказывает положительное влияние на гидратационную активность. Химический состав доменных гранулированных шлаков по регионам России представлен в табл. 21.
Таблица 21
Химический состав шлаков, %
86
Помимо химического состава важной характеристикой шлаков является их минералогический состав, который в значительной степени
зависит от основности и скорости охлаждения шлаков.
В медленно охлажденных малоизвестковых доменных шлаках
(кислых) основными минералами являются твердые растворы геленита
(2СаО • Al2O3 • SiO2) и окерманита (2СаО • MgO • 2SiO2), называемые
мелиллитами, псевдоволластонит и волластонит (СаО • SiO2), ранкинит
(3СаО • 2SiO2), двухкальциевый силикат α- , γ- и β-форм, мервинит
(3СаО • MgO • 2SiO2), монтичеллит (СаО • MgO • SiO2), анортит (СаО •
Al2O3 • 2SiO2) и др.
Второстепенные компоненты, такие как оксид железа и закись марганца, сера, присутствующие в количестве до 2 %, образуют твердые
растворы с основными минералами, а при более значительном содержании могут выделяться в виде самостоятельных фаз: магнетита, вюстита, сульфидных соединений железа, марганца, кальция, роданита
(МnO • SiO2), шпинели MgO • Al2O3 и т.д. Медленное охлаждение основных шлаков, характеризующееся полной кристаллизацией СаО •
2SiO2, сопровождается их рассыпанием в тонкий порошок в результате
перехода β-С2S в γ-С2S (силикатный распад). Рассыпание шлаков мо-
жет происходить также в результате гидратации избыточного оксида
кальция (известковый распад), сульфида железа (железистый распад)
и MnS (марганцевый распад).
В быстро охлажденных шлаках наряду с кристаллическими минералами присутствует значительное количество (до 90…95 %) стекловидной фазы. Расплав шлака, представляющий собой ионную жидкость, содержит анионы-стеклообразователи [SiO3]2–, [Si2O5]2–, [AlO4]5–
и катионы-модификаторы Са2+, Mg2+, Mn2+, K+, Na+, Fe2+, Ba2+, которые
при охлаждении взаимодействуют друг с другом с образованием компонентных цепочек (Ме―О―Si) различной протяженности и группировки ионной конфигурации. При быстром охлаждении расплава такие
комплексные ионы не успевают расщепиться и образовать более простые и подвижные группировки ионов, которые могли бы диффундировать в расплаве и служить структурными элементами зародышей кристаллов. В шлаках имеются и кристаллиты ― группировки ионов с координацией и плотностью, приближающиеся к кристаллам.
Гидратационная активность доменных шлаков в значительной степени зависит от их закристаллизованности. Чем больше стекла в составе шлака, тем выше активность, поэтому для получения шлакопорт-
87
ландцемента используют гранулированные шлаки. Оценка их качества,
Показатель
Сортность
1 сорт
2 сорт
3 сорт
Коэффициент качества, не менее
1,65
1,45
1,2
Содержание оксида алюминия
8
7,5
не нормируется
Содержание MgO, %, не более
15
15
15
Содержание TiO2, %, не более
4 4 4
Содержание закиси марганца, %,
не более 2 3 4
согласно действующему стандарту, осуществляется по коэффициенту
качества (К), который рассчитывается по формулам:
К = (СаО + Al2O3 + MgO) / (SiO2 + TiO2). (32)
При содержании MgO более 10 % коэффициент рассчитывается:
где оксиды даны в процентах.
В зависимости от К и химического состава доменные шлаки разделяются на три сорта (табл. 22).
Другие шлаки ― сталеплавильные, ферросплавные ― в качестве
добавки к портландцементу не применяются.
Таблица 22
Качество шлаков
Электротермофосфорные шлаки (ЭТФШ). В России производят-
ся шлаки в небольшом количестве, их химический состав представлен в
табл. 23.
ЭТФШ являются побочным продуктом производства фосфора методом возгонки в электропечах. В результате быстрого охлаждения
превращаются в мелкозернистое состояние. При грануляции шлак со-
88
держит до 95 % стекла. Кристаллическая фаза представлена кальцитом,
Предприятие
SiO2
Al2O3
Fe2O3
СаО
Р2О5
«Агрохим» (г. Самара)
38…50
2…3
1…2
42…50
1,3…20
кварцем, псевдоволластонитом. Для получения шлакопортландцемента
шлак должен удовлетворять требованиям: содержание SiO2 ― не менее
38 %; СаО + MgO ― не менее 43 %; Р2О5 ― не более 2,5 %.
Таблица 23
Химический состав ЭТФШ, %
Гидратационная активность шлаков. Полностью закристалли-
зованные шлаки обладают весьма незначительными вяжущими свойствами. Стекловидные шлаки реагируют с водой более активно, чем закристаллизованные. Большинство минералов в стекловидном состоянии проявляют гидратационную активность. С повышением температуры и в присутствии Са2+ и SО
2–
их активность увеличивается. Про-
4
дукты их гидратации в интервале температур 7…250 °С являются CaO •
SiO2H2O(CSH), C2SH, C3S2H, гидрогеленит, гидрогранаты.
При использовании в качестве интенсификатора твердения шлаков
соединений натрия на поверхности зерен сначала образуются гидросиликаты натрия, которые затем перекристаллизовываются в гидросиликаты кальция.
Основные и нейтральные шлаки при гидратации в нормальных условиях активизируются ионами SО
лые шлаки во всех случаях активизируются при наличии одновременно
ионов Са2+ и SО
2–
. На практике в качестве щелочных возбудителей
4
2–
, а при повышенной ― Са2+. Кис-
4
шлаковых вяжущих применяются Са(ОН)2, Мg(ОН)2, портландцемент,
сода, жидкое стекло и т.д. В качестве сульфатных ускорителей твердения используются двуводный и полуводный гипс, ангидрит, сульфат
натрия. В самих шлаках источником извести является сульфид кальция,
который при взаимодействии с водой выделяет гидроксид кальция по
реакции:
2СаS + Н2О → Са(ОН)2 + Са(SН)2. (33)
Микропримеси в стекле также повышают гидратационную активность шлаков.
89
Производство шлакопортландцемента. Технологический процесс получения шлакопортландцемента состоит из следующих основных операций: изготовление клинкера, подготовка гранулированного
шлака и совместный помол этих двух материалов с добавлением гипса.
Подготовка шлака заключается в его сушке, которую осуществляют в сушильных барабанах до остаточной влажности, не превышающей
2 %. При этом нагревание шлака должно осуществляться при температуре не выше 600…700 °С во избежание расстекловывания шлака, что
снижает его гидратационную активность. Высушенный шлак, клинкер
и гипс дозируют и направляют на помол в многокамерные шаровые
мельницы. Для облегчения процесса помола вводят поверхностноактивные вещества, уголь и другие материалы, не ухудшающие качество цемента.
На качество шлакопортландцемента влияют различные технологические факторы: тонкость помола, количество шлака в цементе, минералогический состав клинкера. Обычный шлакопортландцемент измельчают до удельной поверхности S
= 250 м2/кг, увеличение дис-
уд
персности ШПЦ при прочих равных условиях может обеспечить получение цемента более высокой марки. Содержание основных гранулированных шлаков в ШПЦ достигает 50…60 %, а кислых ― 30…40 %.
Иногда в шлакопортландцементах до 8…15 % шлака заменяют активной кремнеземистой добавкой (трепел, опока и т.д.). Активность ШПЦ
возрастает с увеличением C3S и С3А в клинкере. Чем больше их количество в цементе, тем выше прочность ШПЦ. Сумма (C3S + С3А) в
клинкере для производства ШПЦ рекомендуется в пределах 65…70 %.
Наличие в клинкере до 2 % свободного СаО активизирует твердение
шлакопортландцемента.
Гидратация и твердение шлакопортландцемента. Процессы
гидратации и твердения ШПЦ протекают сложнее, чем портландцемента. При гидратации клинкерной части образуются те же гидраты, что и
при твердении портландцемента. При обычных температурах гидратация алита и белита в клинкерной составляющей приводит к образованию пересыщенного по отношению Са(ОН)2 раствора. В этих условиях
образуются гидросиликаты состава 1,7 ― 2СаО • SiO2 • 2H2O (С2SН2).
В дальнейшем, вследствие снижения концентрации гидрата оксида
кальция в растворе, частично поглощаемой шлаковым компонентом,
образуются низкоосновные гидросиликаты кальция СSН. Гидратация
алюмината и алюмоферрита кальция на начальной стадии взаимодействия с водой приводит к образованию гидроалюминатов и гидроферри-
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]