Гидравлические вяжущие вещества.

Портландцемент.

1824 год — английский каменщик Дж. Аспдин.

1823 год — русский инженер Егор Челиев.

Портландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, представляющее собой продукт тонкого измельчения портландцементного клинкера, получаемого обжжигом до спекания сырьевой смеси надлежащего состава и содержащего преимущественно силикаты кальция.

(клинкер — продукт обжига)

Химический и минеральный состав портландцемента.

Химический состав.

Он отражает процентное содержание в цементе оксидов металлов и неметаллов. (оксида кальция 63-66%, оксид кремния 21-25%, оксид алюминия 4-8%, оксид железа 2-4%).

Так же есть оксид магния, натрия, оксид серы, фосфора и т.д.

В процессе обжига эти оксиды соединяются друг с другом, образуя минералы цемента.

Минеральный состав.

Он отражает процентное содержание в цементе основных минералов.

название	формула	Условное обозначение	Содержание в %
Трех - кальциевый силикат (алит)		C3S	45-60
Двух - кальциевый силикат (белит)		С2S	20-30
Трех - кальциевый алюминат (цилит)		C3A	4-12%
Четырёх - кальциевый алюмоферрит		C4AF	10-20%

Производство портландцемента.

Оно включает следующие стадии:

1. Подготовка сырьевой смеси
Сырьевые смеси для производства портланд цемента состоят на 75-78% из карбонатных пород (известняк, мел, ракушечник и т.д.) и на 22-25% из глин. Различают 2 осноынх способа производства портландцемента: сухой и мокрый. Эти способы отличаются друг от друга только в стадии подготовки сырьевой смеси. Выбор способа обусловлен влажностью и химической однородностью сырья.

1. Сухой способ.
Его используют при сухом и химически однородном сырье. Размолотые известняк и глину совместно промалывают в мельницах, получая так называемую муку с влажностью 1-2%

2. Мокрый способ.
Размолотые известняк и глину перемешивают вместе с водой, получая сырьевой шлам с лажностью 35-45%. Его складируют в шлам бассейнах, где при необходимости корректируют состав.
Сухой способ более экономичен по сравнению с мокрым.

2. Обжиг. Производится во вращающихся печах при максимальной температуре 1450ºС. 4 зоны:

· Зона испарения Т<200ºС, испаряется физически связанная вода.

· Зона подогрева Т=200-700ºС, испаряется химически связанная вода из глин.

· Зона декарбонизации Т=700-1100ºС. СaCO₃=CaO+CO₂.

· Зона экзотермических реакций Т=1100-1250ºС. В этой зоне образуется 3 минерала: C₃A, C₂S, C₄AF.

· Зона спекания Т=1250-1450ºС. При этой температуре образуется алит C₃S.

· Зона охлаждения Т<1450ºС.

 

60-230 м

 

 

факел

топливо сырье

 

d=2-7м

Продуктом обжига является клинкер в виде серо-зеленых гранул диаметром 10-40 мм

3. Помол
При помоле в клинкер вводят 3-5% гипса. Помол производят в многосекционных шаровых мельницах при действии мелющих тел (стальных шаров или цилиндров). Полученный портландцемент охлаждают 1-2 недели и поставляют потребителю в ж/д вагонах, автоцементовозах или бумажных мешках по 50 и менее кг.

Твердение портландцемента

Происходит при его взаимодействии с водой. При этом протекают химические реакции гидратации между минералами цемента и водой

1. Гидратация алита. 2(3CaO·SiO2)+6H2O=3CaO·2SiO2·3H2О+3Ca(OH)2. Алит является химически активным минералом и реагирует с водой достаточно быстро с образованием в ранние сроки твердения прочного гидросиликата кальция. Эта реакция сопровождается выделением большого количества тепла.

2. Гидратация белита. 2(2CaO·SiO2)+4H2O=3CaO·2SiO2·3H2О+Ca(OH)2. Белит – самый химически неактивный минерал. Реакция гидратации протекает крайне медленно, но с образованием в поздние сроки твердения прочного гидросиликата кальция. При твердении белита выделяется незначительное количество тепла.

3. Твердение С3А. 3CaO·Al2O3+6H2O=3CaO·Al2O3·6H2O. С3А - самый химически активный минерал и реакция твердения протекает очень быстро, но в результате образуется малопрочное соединение – гидроалюминат кальция. Тепловыделение этого процесса – значительное. Если этой реакции дать осуществиться, она вызовет явление т.н. ложного схватывания цемента. Чтобы этого не случилось при помоле вводят гипс, который связывает С3А по реакции: 3CaO·Al3O3+3CaSO4·2H2O+25H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O. Образующийся гидросульфоалюминат кальция кристаллизуется в мягком цементном тесте и дополнительно его упрочняет.

4. Твердение С4AF. 4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃+10H₂O+2Ca(OH)₂= 3CaO·Al₂O₃·6H₂O+3CaO·Fe₂O₃·6H₂O. По тепловыделению и скорости твердения он находится между алитом и белитом и большого влияния на твердение цемента не оказывает.