О производстве портландцемента

Тип работы: Курсовая работа
Бесплатно: Антиплагиат
Объем: 34 страниц
В избранное:

ВВЕДЕНИЕ

Минеральные вяжущие известны с древности. Примерно в IV в. до н. э. применяли искусственные способы изготовления таких вяжущих веществ, как гипс, известь: обжиг соответствующих горных пород - природного гипса и известняка. Основной недостаток этих вяжущих - низкая водостойкость - ограничивал возможности древних строителей, поэтому они не прекращали поиски новых вяжущих, которые бы обеспечивали изделиям не только большую прочность, но и водостойкость. Так, при строительстве морских сооружений в I в. н. э. в Древнем Риме было замечено, если известь смешать с тонкомолотой обожженной глиной (боем кирпича и черепицы) или рыхлой вулканической породой пуццоланой, то полученное на их основе изделие не только приобретает водостойкость, но и будет повышать свою прочность, находясь в воде. Такую известь назвали гидравлической. Русские строители назвали это вяжущее цементом и широко использовали при строительстве Десятинной церкви в Киеве (конец XV в. ), Петровских верфей (XVIII в. ), стен Московского Кремля (конец XV в. ) . Самым монументальным сооружением, построенным в Беларуси с использованием известкового вяжущего, является Софийский собор (XI в. ), затем Борисоглебовский храм, Спасский собор в г. Полоцке (XII в. ), исторические памятники в Несвиже (XIV в. ) .

Проводимые в разных странах многолетние научные исследования в этой области, привели к созданию нового вида водостойкого минерального вяжущего - цемента.

Одновременно цемент был изобретен и запатентован англичанином Дж. Аспдином, который назвал его портландцементом по сходству свойств в затвердевшем состоянии известным природным строительным камнем, добываемым около города Портленд. До настоящего времени эту технологию производства совершенствуют ученые разных стран.

Российский ученый Е. Г. Чилеев предложил свой способ изготовления цемента с лучшими строительными свойствами, чем цемент, вырабатываемый по способу Аспдина. Щвецкий ученый Тернеб назвал основные минералы клинкера (алитом, белитом, целлитом) .

В настоящие время в качестве сырья цемента кроме известняка и глины применяют свыше 30 разновидностей природного сырья и робочных продуктов, в результате появились разновидности цементов /1/.

Портландцемент является важнейшим вяжущим веществом и широко применяется в настоящие время в строительстве. Он относится к классу «гидравлической извести» - это продукт тонкого измельчения цементного клинкера, который получают путем обжига до спекание природного сырья или искусственной сырьевой смеси определенного состава, обеспечивающей в цементе преобладание силикатов кальция /2/.

Портландцемент основной материал современной строительной индустрии, занимающий по масштабу производства и применения первое место среди вяжущих материалов. Основными способами производства в мировой цементной промышленности остаются мокрый и сухой способ. Преобладает мокрый способ, которым выпускает около 70 % общего производства клинкера в мире. Однако постоянно растет производство сухим способом. В 1979 г выпускалось клинкера сухим способом: в Японии - 100 %, ФРГ - 95 %, Франции - 82 %, ГДР - 76 %. Доля прироста мощностей сухого способа производства в период 1981 - 1985 гг., составляла около 60 %, в 1986 - 1990 гг., составляла 80 %. После 1990 г доля сухого способа в отросли удвоилась /3/.

В России основоположником теории и практики заводского производства портландцемента является профессор Военно - инженерной академии А. Р. Шуляченко (1841 - 1903), которого по справедливости можно назвать «отцом русского цементного производства». Разработанная А. Р. Шуляченко теория твердения гидравлической извести и цементов остается в основном справедливой и до нашего времени /2/.

В Казахстане существуют следующие заводы по производству цемента: Шымкенский, Карагандинский, Семипалатинский, Сас - Тугенский, Ускаменагорский. Наиболее фиктивные самые крупные в Р. К. Карагандинский, Шымкенский и Ускаменагорский.

Наиболее фиктивные самые крупные в Р. К. Карагандинский, Шымкенский и Ускаменагорский.

Карагандинский угольный бассейн и близость природного газа к Шымкенту, значительно влияет на снижение себестоимость цемента. В Р. К. как и во всех странах СНГ преобладает мокрый способ производства - 85 %, хотя многие заводы уже переустраивают технологию на более экономичный по расходу топлива. В Японии, Германии, Испании сухим способом изготавливают цемент 100 % заводов, в США - 60 %, в Ново - Карагандинском цементном заводе и одна линия Шымкенского завода.

НОМЕКЛАТУРА ПРОДУКЦИИ

По ГОСТ 10178 - 76 наряду с портландцементом выпускают портландцемент с активными минеральными добавками: гранулированными доменными и шлаками - до 20 %, добавками осадочного происхождения и глиежей - до 10 %, прочими - до 15 %.

Качество клинкера зависит от его химического и минералогического состава.

1. 1 Химический состав клинкера

Химический состав характеризуется содержанием в клинкере различных оксидов, а минералогический-количеством соотношением минералов, образующихся в процессе обжига. Портландцементный клинкер состоит в основном из (% по массе) : 64 - 67 - СaO; 21 - 25 - SiO ₂ ; 4 - 8 - Аl ₂ O ₃ ; 2 - 4 - Fe ₂ O ₃ . Кроме того, в виде примесей могут присутствовать щелочи - МgO, TiO ₂

Главнейшие оксиды CaO; SiO ₂ ; Al ₂ O ₃ ; F ₂ O ₃ при обжиге взаимодействуют между собой, образуя клинкерные минералы, соотношение которых определяет свойства портландцемента. Портландцементный клинкер состоит из ряда кристаллических фаз, отличающихся друг от друга по химическому составу, и стекловидной фазы. Основные минералы клинкера: трехкальциевый силикат (алит) - 3CaO*SiO ₂ (сокращенная запись C ₃ S) ; двухкальциевый силикат (белит) - β - модификация 2CaO*SiO ₂ (β - С ₂ S) ; трехкальциевый алюминат - 3CaO*Al ₂ O ₃ (C ₃ A) и алюмоферриты кальция переменного состава от 8CaO*3Al ₂ O ₃ *Fe ₂ O3 до 2CaO*Fe ₂ O ₃ (C ₈ A ₃ F - С ₂ F) .

В небольших количествах в виде различных соединениях могут входить MgO, SO ₃ , Na ₂ O и K ₂ O, а также TiO ₂ , Cr ₂ O ₃ , P ₂ O ₅ /4/.

1. 2 Минералогический состав клинкера

Алит 3СаО*SiO ₂ - самый важный минерал клинкера, определяющий быстроту твердения, прочность и другие свойства портландцемента; содержится в клинкере в количестве 45 - 60 %. Алит представляет собой твердый раствор трехкальциевого силиката и небольшого количества (2 - 4 %) MgO, Al ₂ O ₃ , P ₂ O ₅ , Cr ₂ O ₃ и других примесей, которые могут существенно влиять на структуру и свойства. Алит в клинкере фиксируется в виде тригональной модификации. Предпочтительнее правильно сформировавшиеся кристаллы вытянутой форме размером 3 - 20 мкм, благоприятствующие повышению марки цемента.

Белит 2СаО* SiO ₂ - второй по важности и содержанию (20 - 30 %) силикатный минерал клинкера. Он медленно твердеет, но достигает высокой прочности при длительном твердении портландцемента. Белит в клинкере представляет собой твердый раствор β - двухкальциевого силиката (β - C ₂ S) и наибольшего количества (1 - 3 %) Al ₂ O ₃ , Fe ₂ O ₃ , MgO, Cr ₂ O ₃ . Регулируя скорость охлаждения, получают клинкер, содержащий белит в виде округлых плотных кристаллов /5/.

Процесс нарастания прочности клинкерных минералов портландцемента различен. Наиболее быстро набирает прочность трехкальциевый силикат: 7 сут. Около 70 % от 28 - суточной прочности; дальнейшее нарастание прочности его значительно замедляется.

Картина твердения двухкальциевого силиката совершенно иная. В начальный период С ₂ S набирает незначительную прочность, составляющую примерно 15 % прочности трехкальциевого силиката, но в последующий период твердении его прочность быстро повышается и в какой - то период достигает и даже может превысить прочность С ₃ S. Это объясняется тем, что С ₃ S гидратируется быстрее, чем C ₂ S. К 28 - суточному возрасту гидратация С ₃ S почти заканчивается, а гидратация C ₂ S только начинает интенсивно развиваться. Поэтому при необходимости получить бетон достаточной прочности в короткие сроки применяют цемент с большим содержанием трехкалбциевого силиката, так называемый алитовый цемент, и наоборот, если требуется высокая прочность в более позднее время, например, для гидротехнических сооружений, то следует применять белитовый цемент.

Наиболее быстро гидратируется трехкальциевый алюминат, и казалось бы, что его прочность в начальный период должна быть наиболее высокой. Однако в связи с тем, что продукты гидратации трехкальциевого алюмината образуют пористую структуру, в отличии от плотной структуры новообразований при гидратации С ₃ S и C ₂ S, прочности его оказывается ничтожной по сравнению с прочностью силикатов. Образование пористой структуры цементного камня отрицательно влияет также и на морозостойкость.

Низкая прочность трехкальциевого алюмината характерна для мономинеральной смеси, т. е. состоящей из одного минерала С ₃ А. В полиминеральных же смесях, каким являются цемент, трехкальциевый алюминат способствует уплотнению коллоидных силикатных масс, а следовательно, повышению прочности цементного камня и скорости его твердения.

Быстротвердеющий цемент, обеспечивающий в короткие сроки высокую прочность, содержит в своем составе значительное количество С3S и С ₃ А (около 60 - 70 %, в том числе до 10 % С ₃ А) /6/.

Минералогический состав клинкера определяет как характер протекания технологического процесса, так и основные физико - технические свойства цемента, что позволяет делать соответствующие прогнозы.

Зная свойства клинкерных минералов, в частности величину тепловыделения при взаимодействии с водой, и минералогический состав данного клинкера, можно в первом приближении выявить основные особенности цемента, получаемого из этого клинкера. Зависят вяжущие свойства цемента от характера кристаллической структуры. Наибольшую гидравлическую активность имеют клинкеры со средним размером кристаллов 20 - 40 мкм /3/.

Если менять минералогический состав клинкера и изготовлять на их основе цементы с различными добавками, то можно получить большую гамму гидравлических вяжущих веществ с разнообразными строительными свойствами, В зависимости от содержания в клинкере основных минералов существенно изменяются свойства получаемого цемента.

Классификация клинкера по преобладающему минералу в его составе приведена в таблице 1 /4/.

Таблица 1 - Классификация клинкеров в зависимости от содержания основных минералов

Клинкер

Примерное содержание, %

C ₃ S

C ₂ S

C ₃ A

C ₄ AF

Клинкер: Алитовый

Примерное содержание, %: Более 60

Менее 15

Клинкер: Нормальный (по содержанию алита)

Примерное содержание, %: 60 - 37, 5

15 - 37, 5

Клинкер: Белитовый

Примерное содержание, %: Менее 37, 5

Более 37, 5

Клинкер: Алюминатный

Примерное содержание, %: -

Более 15

Менее 10

Клинкер: Нормальный (по содержанию алюмината)

Примерное содержание, %: -

15 - 7

10 - 18

Клинкер: Целитовый

Примерное содержание, %: -

Менее 7

Более 18

1. 3 Сроки схватывания

Сроки схватывания и равномерность изменения объема цемента определяют в тесте нормальной густоты.

Для получения нормальных сроков схватывания при помоле клинкера вводят добавку двуводного гипса в количестве до 3, 5 % . Замедление схватывания объясняет отложением на зернах цемента тонких пленок гидросульфоалюмината кальция, образовавшегося при взаимодействии введенного сульфата кальция с трехкальциевым алюминатом. Эти пленки замедляют диффузию воды к цементным зернам, и скорость их гидратации уменьшается.

Замедлителями схватывания портландцемента являются также бура или борная кислота, фосфаты и нитраты кальция, натрия и аммония. Нитраты образуют с Са(ОН) ₂ соединения, хорошо растворимые в воде. Диссоциация этих соединений увеличивает концентрацию ионов кальция, поэтому процесс гидролиза трехкальциевого силиката подавляется, а схватывание происходит медленнее. Замедлители схватывание могут органические вещества (например, СДБ), адсорбирующиеся на частицах цемента и замедляющие их гидратацию.

Ускорителями схватывания портландцемента являются карбонаты и сульфаты металлов. Влияние хлорида кальция на сроки схватывания портландцемента зависит от дозировки. При введении в бетонную смесь в обычной дозировке 1 - 2 % массы цемента хлорида кальция мало влияет на сроки схватывания, но существенно повышает начальную прочность бетона. При использовании хлорида кальция в качестве противоморозной добавки его можно вводить в больших количествах, тогда он ускоряет схватывание, и бетонную смесь рекомендуется затворять на холоде, чтобы избежать преждевременного загустеванния.

Одним из методов ускорения процессов схватывания и твердения заключается во введении добавок, являющихся центрами кристаллизации. Ускорителями, помимо широко применяемых неорганических солей, могут быть органические вещества, например триэтаноламин /7/.

1. 4 Марка цемента

Прочность цементного камня и скорость его твердения зависит от минералогического состава клинкера, тонкости помола цемента, содержания воды, влажности и температуры среды и продолженительности хранения.

Производство цементов высоких марок, достигаемое за счет совершенствования технологического процесса на цементных заводах, равноценно дополнительному выпуску значительных количеств цемента. Также за счет повышения в содержание в цементе трехкальциевого силиката (алитовые цементы) . Прочность цементов высоких марок нарастает быстрее, чем цемента низких марок.

Существуют следующие марки портландцемента, выпускаемые промышленностью строительных материалов:

1. ПЦ 400 ДО и ПЦ 400 Д20. Применяется для производства асбестоцементных изделий, строительства жилья, промышленных зданий и сооружений.

2. ПЦ 500 ДО. Применяется для строительства мостов, путепроводов, железобетонных труб, пролетных строений и блоков.

3. ПЦ 600 ДО. Применяется для строительства мостов, туннелей, высокопрочных сооружений на объектах Министерства Обороны

Требования к маркам портландцемента и некоторым его разновидностям приведены в таблицы 2 /8/.

Таблица 2 - Требования к маркам портландцемента и его разновидностям.

Наименование цемента

Марка цемента

Предел прочности при изгибе, МПа, в возрасте, сут.

Предел прочности при сжатии, МПа, в возрасте, сут.

Наименование цемента: Портландцемент и портландцемент с минеральными добавками

Марка цемента:

400

500

550

600

Предел прочности при изгибе, МПа, в возрасте, сут.:

Предел прочности при сжатии, МПа, в возрасте, сут.:

5, 5

6, 0

6, 2

6, 5

Наименование цемента: Быстротвердеющий портландцемент

Марка цемента: 400

Предел прочности при изгибе, МПа, в возрасте, сут.:

4, 5

Предел прочности при сжатии, МПа, в возрасте, сут.:

5, 5

6, 0

Наименование цемента: Шлакопортландцемент

Марка цемента:

300

400

500

Предел прочности при изгибе, МПа, в возрасте, сут.:

Предел прочности при сжатии, МПа, в возрасте, сут.:

4, 5

5, 5

6, 0

Наименование цемента: Быстротвердеющий Шлакопортландцемент

Марка цемента: 400

Предел прочности при изгибе, МПа, в возрасте, сут.: 3, 5

Предел прочности при сжатии, МПа, в возрасте, сут.: 5, 5

Производство портландцемента из клинкера включает следующие процессы: дробление клинкера, подготовку минеральных добавок (дробление, сушку), дробление гипсового камня, помол клинкера с активными минеральными добавками и гипсом, складирование, упаковку и отправка цемента потребителю. В зависимости от особенностей приготовления сырьевых смесей различают четыре способа производства портландцемента: мокрый, сухой, полусухой, комбинированный /3/.

1. 5 Область применения портландцемента

Область применения портландцемента обширна и разнообразна. Высокая прочность, способность сравнительно быстро твердеть на воздухе и в воде выдвигают портландцемент на первое место среди других видов цементов. Он является основным вяжущим, для применения изготовления сборных бетонных и железобетонных изделий. Этот материал широко применяют также для приготовления строительных растворов, но не следует применять портландцемент для изготовления конструкций, подвергающихся действию воды морской, минерализованной или даже пресной - прочной или подаваемой под большим давлением.

Его применяют для изготовления монолитного и сборного бетона, железобетона, асбестоцементных изделий, строительных растворов, многих других искусственных материалов, скрепления отдельных элементов (деталей) сооружений, жароизоляции и др. Крупными потребителями цемента являются нефтяная и газовая промышленность. Цемент и получаемые на его основе прогрессивные строительные материалы успешно заменяют в строительстве дефицитную древесину, кирпич, известь и другие традиционные материалы.

Следует помнить, что портландцемент является наиболее ценным видом вяжущего. Поэтому строители должны особо бережно относиться к его применению, максимально заменяя портландцемент другими эффективными и дешевыми вяжущими (известью, смешанными цементами), где это технически оказывается возможно. Не следует расходовать портландцемент при возведении конструкций, не требующих большой прочности.

1. 6 Виды портландцемента

В настоящие время выпускают: портландцемент без добавок и с активными добавками; быстротвердеющий портландцемент; шлаковый портландцемент; пуццолановый портландцемент; портландцемент с пластифицирующими и гидрофобными добавками; сульфатостойкий портландцемент; белый и цветные портландцементы /2/.

Быстротвердеющий портландцем ент (БТЦ) - портландцемент с минеральными добавками, отличающийся повышенной прочностью через 3 сут. Твердения. Его выпускают М 400 и 500. БТЦ обладает более интенсивным, чем обычный, нарастанием прочности в начальный период твердения. Это достигается путем более тонкого помола цемента (до удельной поверхности 3500 - 4000 см ² /г), а также повышенным содержанием трехкальциевого силиката и трехкальциевого алюмината (60 - 65 %) . В остальном свойства его не отличаются от свойств портландцемента. БТЦ применяют в производстве железобетонных конструкций, а также при зимних бетонных работах, а при повышенном тепловыделении его не следует использовать в массивных конструкциях.

Сульфатостойкий портландцемент применяют для получения бетонов, работающих в минерализованных и пресных водах. Его получают из клинкера нормированного минералогического состава. Содержание в этом цементе C ₃ S должно быть не более 50 %, C ₃ A - не более 5 % и сумма C ₃ A + C ₄ AF - не более 22 %. Введение инертных и активных минеральных добавок не допускается. Этот цемент, являясь по существу белитовым, обладает несколько замедленным твердением в начальные сроки и низким тепловыделением. Сульфатостойкий портландцемент выпускают М 400. Остальные требования к нему предъявляются такие же, как и к портландцементу.

Сульфатостойкий портландцемент с минералогическими добавками производят М 400 и 500. В качестве минеральной добавки вводят 10 - 20 % от массы цемента гранулированный доменный шлак или шлак или 5 - 10 % активных минеральных добавок осадочного происхождения (кроме глиежа) . Клинкер для производства этого цемента не должен содержать соответственно более 5 % C ₃ A и MgO, а сумма С ₃ А и C ₄ AF не должна превышать 22 %.

Сульфатостойкий шлакопортландцемент производят М 300 и 400. Его получают путем совместного тонкого помола клинкера и гранулированного доменного шлака в количестве 21 - 60 % и небольшого количества гипса. В этом цементе ограничивается содержание в клинкере С ₃ А - до 8 %, MgO - до 5 %.

Пуццолановый портландцемент производят М 300 и 400. Его получают путем совместного помола клинкера и 25 - 40 % от массы цемента активных минеральных добавок и гипсового камня по ГОСТ 4013 - 74. Клинкер для пуццоланового цемента не должен содержать более 8 % С ₃ А и не более 5 % MgO. В остальном свойства его не отличаются от свойств портландцемента.

Белый портландцемент получают из сырьевых материалов, имеющих минимальное содержание окрашивающих оксидов (железа, марганца, хрома) . В качестве сырьевых материалов используют «чистые» известняки или мраморы и белые каолиновые глины, а в качестве топлива - газ или мазут, не загрязняющие клинкер золой. Основным свойством белого цемента, определяющим его качества как декоративного материала, является степень белизны. По этому показателю белый цемент разделяют на три сорта: I, II и III. По прочности белый цемент выпускают М 400 и 500. Начало схватывания белого цемента должно наступать не ранее 45 мин., конец - не позднее 12 ч. Транспортировка и хранение белого цемента производится только в закрытой таре. Вследствие особых требований к сырью и технологическому процессу стоимость белого портландцемента выше стоимости обычного цемента.

Цветные портландцементы получают путем совместного помола клинкера белого цемента со светло- и щелочестойкими минеральными красителями: охрой, железным суриком, ультрамарина, окисью хрома, сажей. Также для получения цветных цементов в процессе приготовления сырьевой смеси вводят оксиды некоторых металлов (0, 05 - 1, 0 %) . Эффективное окрашивание дает оксид хрома (желто - зеленый цвет), марганца (голубой или бархатно - черный), кобальта (коричневый) . При этом получают цементы клинкеров редких цветов, трудно достигаемых при смешивании с пигментами.

... продолжение

Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.