Лекция 8. Технология производства строительных материалов

ВОДОСТОЙКОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛЛОВ

В результате насыщения водой свойства материалов значительно изменяются: увеличиваются плотность и теплопроводность, у некоторых материалов, например древесины, повышается объем, а также понижается прочность вследствие нарушения связей между частицами материала за счет расклинивающего действия воды. Для оценки устойчивости строительных материалов к воде применяют коэффициент размягчения (Кразм), который рассчитывают по формуле:

где Rвод – предел прочности при сжатии материала, насыщенного водой, МПа;

Rсух – предел прочности при сжатии материала в сухом состоянии, МПа.

Коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала. Для легких размокаемых материалов Кразм = 0, для материалов, которые полностью сохраняют свою прочность при действии воды (металл, стекло) Кразм = 1. Строительные материалы с Кразм больше 0,8 относят к водостойким, а материалы с Кразм менее 0,8 в местах, подверженных систематическому увлажнению, применять не разрешается.

ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

БЕТОНЫ

Общие сведения о бетонах и их классификация

Бетоном называют искусственный каменный материал, получаемый в результате расширения рационально подобранной, тщательно перемешанной и уплотненной смеси минерального вяжущего вещества, воды, заполнителей и в необходимых случаях специальных добавок. Смесь указанных компонентов до начала ее затвердевания называют бетонной смесью.

Вяжущее вещество и вода - активные составляющие бетона, которые в смеси обволакивают тонким слоем зерна заполнителя. Со временем вяжущее вещество затвердевает и связывает их, превращая бетонную смесь в прочный монолитный камень - бетон.

Заполнители (песок, щебень или гравий) занимают до 80 - 85 % объема бетона и образуют его жесткий скелет препятствующий усадке. Применяя заполнители с различными свойствами, можно получать бетоны с разнообразными физико-механическими показателями, например, легкие, жароупорные и пр.

Классификация бетонов

По плотности бетоны подразделяют на:

1. особо тяжелые - более 2500 кг/м^З;4

2. тяжелые - 1800 - 2500 кг/м^З;

3. легкие -500 - 1800 кг/м^З;I

4. особо легкие (теплоизоляционные) - менее 500 кг/м^З.

По виду применяемого вяжущего вещества бетоны разделяют на:

1. цементные (приготовляемые на клинкерных цементах - портландцементе, шлакопортландцементе, пуццолановом портландцементе и др.);

2. силикатные автоклавного твердения (на известково-песчаном, известково-шлаковом и других вяжущих);

3. гипсовые (на гипсовых и гипсоцементно-пуццолановых вяжущих);

4. асфальтобетоны( на битумном вяжущем);

5. полимерцементные бетоны и полимербетоны (на синтетических смолах).

В зависимости от структуры бетоны разделяют на:

1. бетоны плотной структуры, у которых все пространство между зернами заполнителя занимают затвердевшее вяжущее и поры вовлеченного в него воздуха;

2. бетоны поризованной структуры, пространство между зернами заполнителя которых заполнено затвердевшим вяжущим и поризованным пено- или газообразователем;

3. ячеистые бетоны, состоящие из затвердевшего вяжущего и кремнеземистого компонента и пор равномерно распределенных и образованных газо- или пенообразователями;

4. бетоны крупнопористой структуры, у которых пространство между зернами крупного заполнителя не полностью заполнено мелкими заполнителями и затвердевшими вяжущими.

По назначению бетоны подразделяют на:

1. конструкционные - для бетонных и железобетонных несущих конструкций зданий и сооружений (фундаментные блоки, колонны, балки, плиты и др.);

2. гидротехнические - для возведения плотин, шлюзов, облицовки каналов и др.;

3. бетон для стен зданий и легких перекрытий,

4. дорожный - для устройства дорожных и аэродромных покрытий;

5. специальные - химически стойкие, жаростойкие, декоративные, особотяжелые для биологической защиты, бетонополимеры, полимербетоны и др.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ РАСТВОРЫ

Виды строительных растворов

Строительным раствором называют искусственный каменный материал, полученный в результате затвердевания правильно подобранной смеси вяжущего вещества, воды, мелкого заполнителя (песка) и в необходимых случаях различных добавок (минеральных, поверхностно-активных, химических и др.). Смесь этих материалов до затвердевания называют растворной смесью.

По своему составу строительный раствор является мелкозернистым бетоном, и для него справедливы закономерности, присущие бетонам.

Строительные растворы начали применять еще несколько тысячелетий назад, например, при сооружении пирамид в Египте. Широко используют их и в настоящее время при возведении различных зданий и сооружений. Строительные растворы характеризуются большим разнообразием видов и могут быть классифицированы на группы в зависимости от плотности, вида вяжущего и назначения.

По плотности в сухом состоянии растворы разделяют на тяжелые плотностью 1500 кг/м³ и более (для их изготовления применяют тяжелые кварцевые или другие пески) и легкие плотностью менее 1500 кг/м³ (заполнителями в них являются легкие пористые пески из пемзы, туфов, шлаков, керамзита и других легких мелких материалов).

По виду вяжущего вещества строительные растворы делят на: цементные (на портландцементе или его разновидностях); известковые (на воздушной или гидравлической извести); гипсовые (на основе гипсовых вяжущих веществ – строительного гипса, ангидритовых вяжущих); смешанные (на цементно-известковом, цементно-глиняном, известково-гипсовом вяжущем).

Растворы, приготовленные на одном вяжущем, называются простыми, а на нескольких вяжущих – смешанными, или сложными.

Вяжущее выбирают в зависимости от назначения раствора, предъявляемых к нему требований, температурно-влажностного режима твердения и условий эксплуатации зданий и сооружений.

По назначению различают строительные растворы кладочные, применяемые для каменных кладок и монтажа стен из крупноразмерных элементов, отделочные, используемые для штукатурки, нанесения декоративных слоев на стеновые блоки и панели; специальные, обладающие особыми свойствами (гидроизоляционные, акустические, рентгенозащитные и т. д.).

Вяжущим для простых растворов служат портландцементы, пуццолановые портландцементы, шлакопортландцементы и специальные низкомарочные цементы, например песчаный портландцемент марки 200, а также известь и гипс. Для экономии гидравлических вяжущих и улучшения технологических свойств строительных растворов широко применяют смешанные вяжущие.

Известь в строительных растворах применяют в виде известкового теста или молока. Гипс используют главным образом в штукатурных растворах как добавку к извести.

Вода для затворения растворов не должна содержать примесей, оказывающих вредное влияние на твердение вяжущего вещества. Пригодной для затворения растворов является водопроводная вода.

В качестве мелкого заполнителя для тяжелых строительных растворов применяют кварцевые и полевошпатовые природные пески, а также пески, полученные дроблением плотных горных пород, для легких растворов – пемзовые, туфовые, шлаковые пески. Наибольший размер зерен песка не должен превышать 2,5 мм. Содержание в песке глинистых, илистых и пылевидных частиц, определяемых отмучиванием, не должно превышать 10 %. В то же время песок признают пригодным для кладочных растворов, если в нем не содержится органических примесей.

С целью улучшить удобо укладываемость растворных смесей в их состав вводят пластифицирующие добавки. В качестве минеральной пластифицирующей добавки в цементные и известковые растворы используют глину в виде глиняного молока или тонкомолотого порошка. Кроме того, в растворы для той же цели вводят тонкомолотые гидравлические добавки – трепел, вулканический пепел и др. В качестве органических пластификаторов применяют СДБ, подмыльный щелок (ПМЩ), мылонафт и др.

В состав растворов, предназначенных для применения в зимних условиях, вводят ускорители твердения, а также добавки, снижающие температуру замерзания воды (хлористый кальций, хлористый натрий, поташ, нитрат натрия и др.).

Отделочные растворы

Отделочные растворы разделяют на два основных вида: растворы для обычных штукатурок и декоративные растворы.

Штукатурные растворы в зависимости от области применения разделяют на растворы для наружных и растворы для внутренних штукатурок. Штукатурные растворы приготовляют на цементах, цементно-известковых, известковых, известково-гипсовых и гипсовых вяжущих. Составы штукатурных растворов устанавливают с учетом их назначения и условий эксплуатации зданий. Штукатурные растворы должны обладать необходимой степенью подвижности, иметь хорошее сцепление с основанием и не вызывать образования трещин штукатурки.

Подвижность штукатурных растворов, определяемая глубиной погружения стандартного конуса, и предельная крупность применяемого песка для слоя штукатурки различны. Подвижность раствора для подготовительного слоя при механизированном нанесении составляет 6–16 см, а при ручном нанесении – 8–12 см. Наибольшая крупность песка при этом не должна превышать 2,5 мм. Растворы отделочного слоя обычно имеют подвижность 0–12 см. Их приготовляют на мелком песке с наибольшей крупностью зерен 1,25 мм.

Для внутренней штукатурки стен и перекрытий зданий при относительной влажности воздуха помещений до 66% используют известковые, гипсовые, известково-гипсовые и цементно-известковые растворы. Для штукатурки наружных стен зданий служат цементно-известковые растворы. Для наружной штукатурки цоколей, поясков, карнизов и других участков стен, подвергающихся систематическому увлажнению, применяют цементные и цементно-известковые растворы на портландцементах.

Декоративные цветные растворы предназначены для заводской отделки лицевых поверхностей стеновых панелей и крупных блоков, а также для отделки фасадов зданий и внутренней отделки общественных зданий. В качестве вяжущего в декоративных растворах применяют белый, цветные и обычные портландцементы, а для цветных штукатурок внутри зданий – известь и гипс. Заполнителями в цветных декоративных растворах служат чистый кварцевый песок и песок, полученный дроблением гранита, мрамора, туфа, известняка и других белых и цветных горных пород. В состав раствора отделочного слоя вводят в небольшом количестве слюду, вермикулит или дробленое стекло. В качестве красителей употребляют щелочестойкие и светостойкие природные и искусственные пигменты (сурик железный, охра, мумия, ультрамарин, оксид хрома и др.).

Декоративные растворы, применяемые для отделки лицевых поверхностей стеновых панелей и крупных стеновых блоков, а также для штукатурки фасадов зданий, должны иметь марки по прочности при сжатии не менее 150МПа для отделки железобетонных панелей и 50Мпа - для отделки панелей из легких бетонов и штукатурки фасадов зданий. Марка декоративных растворов по морозостойкости М_рз должна быть не менее 35. Водопоглощение растворов не должно превышать 8%. Фактурную обработку панелей, имеющих слой декоративного раствора, производят на заводе в процессе формования изделий (рельефные матрицы и т. п.) или после затвердевания раствора (обработка поверхности абразивными дисками и др.).

Специальные растворы

К специальным растворам, применяемым в строительстве, относятся: гидроизоляционные, инъекционные, акустические и рентгенозащитные.

Гидроизоляционные растворы используют при отделке поверхностей различных емкостей для жидких продуктов, стен подвалов и др. Их готовят на портландцементе, сульфатостойком портландцементе и водонепроницаемом расширяющемся цементе. Ориентировочный состав растворов для гидроизоляционной штукатурки 1:2,5 или 1:3,5 (цемент: песок по массе). Для повышения водонепроницаемости этих растворов в их состав в процессе приготовления вводят различные уплотняющие добавки (алюминат натрия, хлорное железо, битумную эмульсию, латексы и др.).

Инъекционные растворы служат для заполнения каналов в предварительно напряженных конструкциях с целью защитить арматуру от коррозии. Они могут быть в виде цементно-песчаного раствора, приготовленного на мелком песке, или в виде цементного теста. В качестве вяжущего используют портландцемент марки 400 и выше, расход которого должен быть в пределах 1100–1400 кг на 1 м³ цементно-песчаного раствора и 1300–1600 кг на 1 м³ цементного теста. Марка инъекционного раствора должна быть не ниже 300. В состав растворной смеси для уменьшения ее вязкости добавляют поверхностно-активные вещества (СДБ или мылонафт) в количестве не более 0,2 % по массе цемента.

Акустические растворы применяют для получения звукопоглощающей штукатурки. В качестве вяжущих используют портландцемент, шлакопортландцемент, известь, гипс или их смеси. Заполнителями служат однофракционные пески крупностью 3–5 мм из легких пористых материалов: пемзы, перлита, керамзита и др. Количество вяжущего и зерновой состав заполнителя в акустических растворах должны обеспечивать открытую незамкнутую пористость раствора и плотность 600–1200 кг/м^3.

Рентгенозащитными растворами оштукатуривают стены и потолки рентгеновских кабинетов. Их приготовляют из портландцемента или шлакопортландцемента и баритового песка с зернами не более 1,25 мм. Для повышения защитных свойств в их состав рекомендуется вводить вещества, содержащие легкие элементы: литий, кадмий и др. Плотность рентгенозащитных растворов обычно превышает 2200 кг/м³.

КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Гипсовые вяжущие вещества

Гипсовыми вяжущими веществами называют материалы, состоящие из полуводного гипса или ангидрита и получаемые путем тепловой обработки тонко измельченного исходного сырья.

Сырьем для производства гипсовых вяжущих веществ служат: природный двуводный гипс CaSO₄ Н₂О, называемый, гипсовым камнем, природный ангидрит CаSO₄ и некоторые отходы промышленности, содержащие двуводный или безводный сернокислый кальций (фосфогипс, борогипс и др.).

Гипсовые вяжущие вещества в зависимости oт температуры обработки сырья разделяют на две группы: низкообжиговые и высокообжиговые. Низкообжиговые гипсовые вяжущие получают тепловой обработкой двуводного гипса при 110 - 180^оС. Они состоят главным образом из тонкоизмельченного полуводного гипса CaSO₄0,5Н₂О и характеризуются быстрым твердением. Высокообжиговые гипсовые вяжущие обжигают при 600 - 1000^оС. В них преимущественно входит безводный гипс - ангидрит CaSО₄, они отличаются медленным твердением. К низкообжиговым гипсовым вяжущим веществам относят: формовочный, строительный и высокопрочный гипс, а также гипсовые вяжущие из материалов содержащих гипс. К высокообжиговым вяжущим веществам относят: ангидритовое вяжущее (ангидритовый цемент) и высокообжиговый гипс (экстрих-гипс),

Производство строительного гипса. При обжиге кускового гипсового камня в сушильном барабане (вращающейся печи) происходит непосредственное соприкосновение раскаленных дымовых газов с медленно движущимся дробленым гипсовым камнем. После обжига гипс измельчают в шаровой мельнице.

Совместный обжиг гипсового камня и его помол производят в шаровых мельницах. В них гипсовый камень измельчается, мелкие частицы его подхватываются потоком поступающих в мельницу горячих дымовых газов. Находясь во взвешенном состоянии, частицы гипсового камня обезвоживаются до превращения в полуводный гипс и выносятся дымовыми газами из мельницы в пылеосадочные устройства.

Высокопрочным гипсом называют вяжущее, состоящее в основном из полуводного сульфата кальция, получаемое термической обработкой двуводного гипса в автоклаве под давлением пара или кипячением в водных растворах некоторых солей с последующими сушкой и измельчением в тонкий порошок. Он обладает меньшей водопотребностью (около 45 %), что позволяет получать гипсовые изделия с большой плотностью и прочностью.

Предел прочности при сжатии высокопрочного гипса не менее 25 - 30 МПа. Сроки схватывания высокопрочного гипса примерно такие же, как и у строительного.

Высокопрочный гипс применяют для изготовления архитектурных деталей и строительных изделий с повышенными требованиями по прочности.

Гидравлическая известь

Гидравлическая известь - продукт умеренного обжига мергелистых известняков, содержащих 6 - 20% глинистых и тонкодисперсных песчаных примесей. Обжигают эти известняки в шахтных печах при 900 - 1100^оС. При этой температуре углекислый кальций разлагается и часть оксида кальция соединяется с оксидами кремния и алюминия, которые содержатся в глине. В результате образуются силикаты и алюминаты кальция, придающие гидравлической извести способность твердеть в воде.

Гидравлическая известь, немного смоченная водой, полностью или частично гасится и рассыпается в порошок, а залитая достаточным количеством воды образует тесто, которое начав твердеть на воздухе, продолжает твердеть в воде, при этом физико-химические процессы воздушного твердения сочетаются с гидравлическими.

Негашенная гидравлическая известь представляет собой порошок. Прочность при сжатии гидравлической извести через 28 сут от 1,7 до 10 МПа.

Гидравлическую известь применяют для приготовления кладочных и штукатурных растворов, эксплуатируемых как в сухих, так и во влажных средах, а также для бетонов низких марок. Растворы и бетоны на гидравлической извести в первые сутки твердения необходимо защищать от воздействия воды, так как они легко размываются.

Гидравлическую известь следует хранить в сухих закрытых помещениях, а при перевозке предохранять от увлажнения.

Портландцемент

Портландцемент и его разновидности являются основными вяжущими веществами в современном строительстве. В Украине его производство составляет свыше 65% выпуска всех цементов.

Портландцементом называют гидравлическое вяжуее вещество, получаемое тонким помолом портландцементного клинкера с гипсом, а иногда и со специальными добавками.

Портландцементный клинкер - продукт обжига до спекания тонкодисперсной однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины и некоторых других материалов (мергеля, доменного шлака и пр.). При обжиге обеспечивается преимущественное содержание в клинкере высокоосновных силикатов кальция.

Для регулирования сроков схватывания портландцемента в клинкер при помоле вводят двуводный гипс в количестве 1,5 - 3,5% (по массе цемента в пересчете на SO₃).

По составу различают портландцемент без добавок, портландцемент с минеральными добавками, шлакопортландцемент и др.

Исходным сырьем для производства портландцемента служат горные породы - мергели, известняковые (известняки, мел, ракушечник, известковый туф и др.) и глинистые горные породы. С известняком в состав цемента. вносится основной оксид CaO; с глиной - оксиды кремния, алюминия, железа; с мергелем - все необходимые оксиды.

В природе редко встречаются горные породы, химический состав которых обеспечивал бы получение после обжига портландцементного клинкера необходимого качества, поэтому сырьевую смесь составляют из двух или нескольких компонентов. Соотношение компонентов сырьевой смеси выбирают с таким расчетом, чтобы полученный при обжиге портландцементный клинкер имел следующий химический состав; 63 - 68% СаО; 4 - 8 % Al₂О₃; 19 - 24 %SiO₂, 2 - 6% Fe₂О₃. Обычно сырьевая смесь состоит из 75 - 78% известняка и 25 - 22% глины.

Производство портландцемента состоит из следующих основных процессов: добычи сырья и подготовки сырьевой смеси, обжига смеси до спекания с получением клинкера, помола клинкера в тонкий порошок совместно с добавками.

В зависимости от свойства сырья и типа обжигательных печей сырье к производству готовят мокрым или сухим способом. При мокром способе компоненты измельчают и смешивают в присутствии воды, и смесь в виде жидкой массы (шлама) обжигают; при сухом способе сырьевые компоненты измельчают, смешивают и обжигают в сухом виде.

Производство портландцемента мокрым способом. Мягкие горные породы (глину и мел), применяемые в качестве сырьевых компонентов, предварительно дробят в валковых дробилках и измельчают в специальных бассейнах-болтушках в присутствии 36 - 42 % воды по массе. Суспензии глины и мела в заданных соотношениях поступают в шаровые мельницы для тонкого измельчения. Если в качестве известкового компонента применяют твердый известняк, то его подвергают двухстадийному дроблению на щековой и молотковой дробилках, а затем измельчают в шаровых мельницах совместно с глиняной суспензией, получаемой в болтушках.

Рис.1. Технологическая схема производства портландцемента мокрым способом
(1 – приемный бункер для известняка; 1- дробилка для известняка;
3 – вагонетка с глиной; 4 – дозатор для воды; 5 – бассейн-болтушка;
6 – сырьевая мельница; 7 – шламбассейны; 8 – вращающаяся печь;
9 – форсунка подачи топлива; 10 – склад клинкера; 11 – склад
гипсового камня; 12 - дробилка для гипсового камня; 13 – шаровая
мельница; 14 – силосы для цемента; 15 – вагоны с цементом)

Шаровая многокамерная мельница - стальной цилиндр длиной 8 - 15 и диаметром 1,8 - 3,5 м, внутренняя поверхность которого облицована стальными плитами. Мельница вращается на полых цапфах, через которые, с одной стороны, ее загружают, а с другой - разгружают. Смесь известняка, глины и воды проходит через все камеры мельницы и, измельчаясь под ударами стальных шаров и цилиндров, выходит из нее в виде сметанообразной массы - шлама.

Шлам перекачивают насосами в цилиндрические щламбассейны для корректировки его состава. При корректировке устанавливают химический состав шлама (в основном определяют содержание углекислого кальция) и в соответствии с полученными данными добавляют к нему строго определенное количество шлама другого состава (обогащенного или обедненного известняком). Скорректированный таким образом шлам перекачивают в шламбассейны для хранения. В этих бассейнах шлам постоянно перемешивают. По мере необходимости шлам насосами подают на обжиг.

Сырьевую смесь обжигают во вращающихся печах (рис.2), представляющих собой сварной цилиндр диаметром 4 - 5 и длиной 150 - 185 м, футерованный изнутри огнеупорным материалом. Печь расположена под небольшим уклоном к горизонту и медленно вращается вокруг своей оси. Питатели-дозаторы подают шлам в верхний конец печи. Вследствие вращения печи и наклона ее к горизонту обжигаемый материал перемещается к нижнему концу печи. Навстречу ему движутся горячие топочные газы, образовавшиеся при сгорании топлива (пылевидный уголь, мазут, газ), подаваемого через форсунку в нижней части печи.

Рис.2. Вращающаяся печь для обжига цементного клинкера
(1 – дымосос; 2 – питатель для подачи шлама; 3 – барабан; 4 – привод;
5 – форсунка подачи топлива; 6 – холодильник)

Шлам омывается горячими газами и подсушивается, образуя комья. По мере продвижения материала при 500 - 750^оС выгорают органические вещества и начинается дегидратация - выделение химически связанной воды из глинистой составляющей, сопровождаемая потерей пластичности и связующих свойств. Комья материала распадаются в подвижный порошок. При 750 - 800^оС и выше в материале начинаются реакции в твердом состоянии между его составляющими. Их интенсивность возрастает с повышением температуры. Происходит сцепление отдельных частичек порошка и образование гранул разного размера. При прохождении зоны с температурой 900 - 1000^оС происходит диссоциация карбонатов кальция с выделением оксида кальция и углекислого газа, который уносится с продуктами горения. Оксид кальция СаО вступает в химическое взаимодействие с глиноземом, оксидом железа и кремнеземом. Реакции химического связывания СаО протекают в твердом состоянии достаточно интенсивно при 1200 - 1250^оС, при этом образуются следующие химические соединения: 2CaОSiO₂ (двухкальциевый силикат), 3CaOAl₂О₃ (трехкальциевый алюминат) и 4СаОAl₂О₃Fе₂О₃ (четырехкальциевый алюмоферрит). При температуре свыше 1300^оС 3CaOАl₂О₃ и 4СаОAl₂О₃Fе₂О₃ переходят в расплав, в котором частично растворяются СаО и 2CaO SiO₂ до насыщения раствора; в растворенном состоянии они реагируют между собой, образуя трехкальциевый силикат ЗСаО SiO₂ - основной минерал портландцемента. Процесс образования трехкальциевого силиката, выделяющегося из жидкой фазы в виде кристаллов, способных расти, обычно происходит около 1450^оC. При понижении температуры до 1300^оС жидкая фаза застывает, процесс спекания заканчивается.

Клинкер - гранулы серовато-зеленого цвета размером 15 - 25 мм для охлаждения до 80 - 100^оC направляют в холодильник, откуда он поступает на склад, где его выдерживают в течение 1 - 2 недель. В результате вылеживания содержащийся в клинкере в небольшом количестве свободный оксид кальция гасится влагой воздуха, а также уменьшается твердость зерен клинкера, что, в свою очередь, облегчает его помол и обеспечивает равномерность изменения объема цемента при твердении.

Клинкер измельчают в многокамерных шаровых мельницах. В процессе помола к нему добавляют 2 - 5 % гипсового камня для регулирования сроков схватывания портландцемента и различные, предусмотренные технологическим процессом, добавки. Из шаровых мельниц портландцемент пневмотранспортом подают в силосы - железобетонные башни цилиндрической формы емкостью до 6000 т каждая, где цемент перед отправкой потребителю выдерживается в течение 10 - 14 сут. За это время нагретый при помоле цемент охлаждается и оставшаяся в нем свободная известь гасится, что улучшает свойства цемента. Из силосов цемент поступает в упаковочные машины для расфасовки в многослойные бумажные мешки по 50 кг или направляется в специально оборудованные средства железнодорожного, автомобильного или водного транспорта.

Сухой способ производства портландцемента применяют в том случае, когда сырьевыми материалами являются мергели или смеси твердых известняков и глин влажностью 8 - 10 %. По этому способу сырьевые материалы после предварительного дробления и сушки совместно измельчают в шаровых мельницах. Сухую сырьевую муку с остаточной влажностью 1 - 2% гранулируют в зерна размером 20 - 40 мм или формуют, добавляя молотый на механических прессах уголь в брикеты.

Гранулы обжигают в циклонных теплообменниках, конвейерных кальцинаторах, вращающихся печах, а брикеты - в шахтных. Дальнейшие производственные операции осуществляют в той же последовательности, что и при мокром способе.

При сухом способе на обжиг клинкера расходуется значительно меньше топлива, чем при мокром.

Наряду с рассмотренными выше основными способами производства в последнее время применяют комбинированный способ, совмещающий достоинства мокрого и сухого способов. Сущность его заключается в том, что сырьевую смесь подготовляют по мокрому способу, после чего шлам обезвоживают на специальных установках и в виде гранул, как и при сухом способе, обжигают во вращающихся печах.

Минералогический состав клинкера. Клинкер состоит из следующих основных клинкерных минералов: трехкальциевого силиката ЗСаОSiO₂ (алит), двухкальциевого силиката 2СаО. SiO₂ (белит), трехкальциевого алюмината 3СаО. Аl₂О₃, четырехкальциевого алюмоферрита 4CaOАl₂О₃ Fe₂O₃. Часто используют их сокращенное обозначение: соответственно C₃S, C₂S, С₃А и C₄AF. Содержание этих минералов в портландцементном клинкере обычно колеблется в следующих пределах: 40 - 65% C₃S; 15 - 40 % C₂S; 2 - 15 % C₃A и 10 - 20% С₄АF. При увеличении содержания указанных выше минералов портландцемент получает специальное название. Так, при большом содержании C₃S (более 56%) его называют алитовым; C₂S (более 38%) – белитовым; С₃А (более 12%) - алюминатным и пр. Если в клинкере содержится повышенное количество двух минералов, его соответственно называют алитоалюминатным и пр. Каждый из клинкерных минералов имеет свои специфические свойства.

Трехкальциевый силикат (алит) является химически активным минералом, он оказывает решающее влияние на прочность и скорость твердения цемента. Взаимодействие его с водой происходит с большим тепловыделением. Алит обладает способностью быстро твердеть и набирать высокую прочность, поэтому повышенное содержание трехкальциевого силиката обеспечивает получение из данного клинкера высокомарочного портландцемента.

Двухкальциевый силикат (белит), затворенный водой, в начальный период твердеет медленно, при этом выделяется очень мало теплоты. Продукт твердения в течение первого месяца обладает невысокой прочностью, но затем на протяжении нескольких лет при благоприятных условиях прочность его неуклонно возрастает.

Трехкальциевый алюминат характеризуется высокой химической активностью, в первые сутки твердения он выделяет наибольшее количество теплоты гидратаци и быстро твердеет. Однако продукт его твердения имеет низкую долговечность и малую стойкость против воздействия сернокислых соединений.

Четырехкальциевый алюмоферрит характеризуется умеренным тепловыделением, твердеет он значительно медленнее, чем алит, но быстрее, чем белит. Прочность продуктов его гидратации несколько ниже, чем у алита.

Располагая данными о минералогическом составе портландцементного клинкера и зная свойства клинкерных минералов, можно заранее составить представленге об основных свойствах портландцемента и особенностях его твердения в различных условиях.

Специальные цементы

Эта группа гидравлических вяжущих веществ резко отличается от цементов, изготовленных на основе портландцементного клинкера, видом исходного сырья, технологией производства, химическим и минералогическим составом, свойствами, а также областями применения. В нее входят - глиноземистый, расширяющийся и безусадочный цементы, а также гипсоцементнопуццолановое вяжущее.

Глиноземистый цемент - быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением обожженной до спекания или сплавления сырьевой смеси, богатой глиноземом. В качестве сырьевых материалов для получения глиноземистого цемента используют известняк или известь и породы с высоким содержанием глинозема Аl₂О₃, например, бокситы. Минералогический состав глиноземистого цемента характеризуется большим содержанием низкоосновных алюминатов кальция, главным из которых является однокальциевый алюминат СаО Аl₂О₃.

Глиноземистый цемент имеет вид тонкого порошка серо-зеленого, коричневого или черного цвета. Плотность его в рыхлом состоянии - 1000 - 1300, а в уплотненном - 1600 - 1800 кг/м³, нормальная густота обычно 23 - 28%. Тонкость помола несколько выше тонкости помола портландцемента; при просеивании глиноземистого цемента через сито № 008 должно проходить не менее 90% пробы (по массе). Сроки схватывания глиноземистого цемента: начало - не ранее чем через 30 мин, конец - не позднее 12 ч с момента затворения цемента водой.

Процесс твердения глиноземистого цемента сопровождается значительным тепловыделением, что ограничивает его применение в массивных бетонных конструкциях, но является весьма полезным при производстве строительных работ в зимнее время.

Глиноземистый цемент выпускают марок 400, 500 и 600. Марку цемента устанавливают по пределу прочности при сжатии образцов-кубов в возрасте 3 сут после твердения в нормальных условиях. Цемент характеризуется интенсивным набором прочности в начальные сроки твердения: через 24 ч он набирает 80 - 90% марочной прочности.

Бетоны на глиноземистом цементе водонепроницаемы, стойки в условиях пресных и сульфатных вод, а также морозостойки. Они хорошо твердеют во влажной среде при 15 - 20%. При повышении температуры выше 25оC прочность бетона значительно снижается, поэтому бетоны на глиноземистом цементе нельзя подвергать пропариванию и другим методам искусственного нагрева, Нельзя смешивать глиноземистый цемент с портландцементом, так как при этом снижается его прочность.

Применение глиноземистого цемента ограничено его высокой стоимостью (он в 3 - 4 раза дороже портландцемента). Его используют при срочных ремонтных и аварийных работах, производстве работ в зимних условиях, для бетонных и железобетонных сооружений, подвергающихся воздействию сильно минерализованных вод, получения жаростойких бетонов, а также изготовления расширяющегося и безусадочного цементов.

Расширяющиеся и безусадочные цементы отличаются способностью при твердении во влажных условиях несколько увеличиваться в обьеме или не давать усадки. Промышленность выпускает водонепроницаемый расширяющийся цемент, гипсоглиноземистый расширяющийся цемент, а также водонепроницаемый безусадочный цемент.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) представляет собой быстросхватывающееся и быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного помола и тщательного смешивания измельченных глиноземистого цемента, гипса и высокоосновного гидроалюмината кальция. Цемент характеризуется быстрым схватыванием: начало - ранее 4 мин, конец - не позднее 10 мин с момента затворения. Линейное расширение образцов из цементного теста, твердеющих в воде в течение 1 сут, должно быть в пределах 0,3 - 1%. Физико-химическая сущность процесса расширения цемента заключается в том, что в результате взаимодействия алюминатов кальция и гипса происходит образование гидросульфатоалюмината кальция, сопровождающееся увеличением объема.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) применяют для зачеканки и гидроизоляции швов тюбингов, раструбных соединений, создания гидроизоляционных покрытий, заделки стыков и трещин в железобетонных конструкциях и т.д. Его нельзя применять в конструкциях, эксплуатируемых при температуре выше 80^оС.

Водонепроницаемый безусадочный цемент (ВБЦ) - быстросхватывающееся и быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тщательного смешивания глиноземистого цемента, полуводного гипса и гашеной извести. Начало схватывания цемента должно наступать не ранее 1 мин, а конец - не позднее 5 мин с момента затворения. Величина относительного линейного расширения образцов из цементного теста через 1 сут их твердения в воде должно находиться в пределах 0,01 - 0,1%.

Цемент применяют для устройства гидроизолирующей торкретной оболочки бетонных и железобетонных подземных сооружений, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности (туннели, фундаменты и т. п).

Гипсоцементно-пуццолановое вяжущее (ГЦПВ) получают смешением 50 - 75% полуводного (строительного или высокопрочного) гипса, 15 - 25% портландцемента и 10 - 25% пуццоланической (гидравлической) добавки. Вместо портландцемента целесообразно применять пуццолановый портландцемент с необходимым количеством активной добавки, а также шлакопортландцемент.

Гипсоцементно-пуццолановое вяжущее выпускают марок 100 и 150. Оно характеризуется быстрым твердением и повышенной водостойкостью. Прочность бетонов на ГЦПВ 15 - 30 МПа, причем уже через 2 - 3 ч после их приготовления прочность достигает 30 - 40% марочной, коэффициент размягчения - 0,6 - 0,8; морозостойкость - 25 - 50 циклов. Для ускорения твердения бетонов на ГЦПВ их пропаривают при 70 - 80^оC, при этом через 5 - 8 ч прочность бетона достигает 70 - 90% конечной.