Портландцемент. Сырье, принципы производства.

Портландцемент представляет собой гидравлический вяжущий продукт тонкого помола цементного клинкера, который получается путем обжига до спекания природного сырья или искусственной сырьевой смеси определенного состава. Сырье, пригодное для получения портландцемента должно иметь 75-78% карбоната кальция и 22-25% глины. Такое природное сырье встречается крайне редко, поэтому заводы производящие цемент отлично работают на искусственных смесях из карбонатных пород и глины. Спёкшаяся сырьевая смесь в виде зерен 40-50 мм называется клинкером.

Получение портландцемента хорошего качества зависит от содержания главнейших оксидов в клинкере, процент которых должен быть в пределах: CaO – 60-68%. SiO₂ – 19-25%, оксида алюминия 4-8%, оксида железа 2-6%.

При содержании в портландцементе серного ангидрида SO₃ более 3.5% или MgO более 4.5% наблюдается неравномерность изменения объема. Гидравлический модуль портландцемента 1.7 – 2.7. С целью увеличения содержания в портландцементе того или иного оксида в сырьевую смесь вводят корректирующие добавки, т.е. вещества, содержащие значительное количество того или иного оксида. При помоле клинкера добавляют до 5% гипса для регулирования сроков схватывания.

Улучшение некоторых свойств портландцемента и снижение его стоимости возможно путем введения до 15% активной минеральной добавки при измельчении клинкера. Портландцемент с активными минеральными добавками маркируют следующим образом: ПЦ 500Д15. Без добавок: ПЦ 500Д.

Технология получения цемента

Основные технологические операции выполняющиеся для получения цемента:

Добыча сырья и приготовление сырьевой смеси.

Обжиг сырьевой смеси и получение цементного клинкера.

Помол цементного клинкера с добавкой

Добыча сырья

Добыча сырья является основной в ступени производства цемента. Сырьём для цемента служит слой известняка зеленовато – жёлтого цвета. Добыча ведётся открытым способом. Залегания цементного известняка располагается на глубину до 10 м. неравномерными слоями до 0,7 м. Из опыта геологоразведочных работ таких слоёв, как правило, четыре.
Первичная обработка

После добычи известняк транспортируют и производят специальную сушку и первичный помол с добавлением специальных добавок. В маркировке такого цемента добавляется обозначение Д20, например ПЦ500 Д0 обозначает 0% добавок, а ПЦ 400Д20 - 20% добавок. В конце прохождения этой стадии смеси подвергают обжигу – таким образом получается клинкер.
Конечная обработка

Далее полученный клинкер ещё раз размалывают и сушат с добавлением известкового камня и активными минеральными добавками. Полученный материал является готовым цементом с заданными свойствами.

Поскольку у каждого вида исходного сырья есть свои особенности: минеральный состав, влажность, прочность каждое производство имеет свою уникальную технологию, позволяющую добиться необходимых свойств цемента.
В основном при производстве цемента на второй стадии используют одну из трёх отработанных технологий:

мокрый;

сухой;

комбинированный.

Мокрый способ

Применяется при производстве цемента из сырья состоящий из мела, глины, железосодержащих добавок. Требование к глине по влажности не более 20%, к мелу – не более 29%. Измельчение сырья производится в воде. Полученная шихта в виде суспензии влажностью до 50% поступает в печь для обжига. Диаметр печи может составлять 7 метров и длиной более 200 метров. В результате обжига получаются небольшие шарики – клинкеры, которые после тонкого помола станут готовым цементом.
Сухой способ

Основным отличием данного способа является то, что сырьё после или во время измельчения не увлажняется, а наоборот сушится. Таким образом, порошкообразная шихта поступает на обжиг уже в сухом виде. Данный вид обработки является наиболее экономически целесообразным, поскольку позволяет экономить не только сырьё, но и энергию, которая при мокром способе тратится на удаления воды из шихты.
Комбинированный способ

Данный способ производства совмещает в себе два способа и предполагает две разновидности технологий.

Мокрым способом готовят сырьевую смесь – шлам. После чего шлам пропускают через фильтры, осушая смесь до 16-18%, а затем отправляют на обжиг.

Химический и минеральный составы портландцементного клинкера.

Химический состав клинкера колеблется в сравнительно широких пределах.

Хим. Св-ва выражает содержание оксидов. Главные оксиды; CaO-63-67%

SiO2_20-24%, Al2O3_4-9%,Fe2O3_2-4% их сумма 95-97%. В небольших количествах могут входить оксиды:MgO. Для обозначения минералов приняты сокращенные написания оксидов CaO-C,SiO2-S

Влияние минералогического состава клинкера на свойства портландцемента.

Повышенное содержание окиси кальция (при условии обязательного связывания в химические соединения с кислотными окислами) обусловливает обычно повышенную скорость твердения портландцемента, его высокую конечную прочность, но несколько пониженную водостойкость.
Цементы с повышенным содержанием кремнезема в составе клинкерной части характеризуются пониженной скоростью твердения в начальные сроки при достаточно интенсивном нарастании прочности в длительные сроки; они отличаются повышенными водо- и сульфатостой-костью.
При повышенном количестве А1203, а следовательно, и алюминатов в составе цементов последние приобретают способность к ускоренному твердению в начальные сроки. Цемент при повышенном содержании глинозема характеризуется меньшими водостойкостью, сульфато-стойкостью и морозостойкостью.

14. Физико-механические свойства портландцемента.

1. Абсолютная плотность ρ = 3050 – 3200 кг/м³

2. Насыпная плотность (ρ_нц) = 900-1100 кг/м³ в рыхлом состоянии, 1400-1700 кг/м³ – в уплотненном состоянии.

3. Тонкость помола.Чем тоньше помол, тем выше скорость схватывания и быстрее нарастает прочность.

4. Влияние длительности хранения цемента на его свойства. При хранении портландцемента на него воздействуют пары воды и углекислый газ воздуха.

5. Водопотребность – количество воды в процентах к массе цемента, необходимой для получения теста нормальной густоты.

6. Связующая способность.Показывает возможность введения в цементное тесто большого количества заполнителей, что уменьшает усадку, увеличивает долговечность, уменьшает расход цемента.

7. Водоотделение и водоудерживающая способность.Водоотделение обусловлено процессами седиментации (осаждением твердых частиц под действием сил тяжести)

8. Сроки схватывания.Схватывание - процесс, при котором цементное тесто постепенно теряет свою подвижность без приобретения прочности, но с потерей удобоукладываемости. Определяют иглой прибора Вика на тесте нормальной густоты.

9. Усадка и набуханиеУсадка происходит при высыхании, а набухание при увлажнении цемента

10. Выделение тепла при твердении цемента.Наибольшее количество тепла и за короткие отрезки времени выделяют цементы с повышенным содержанием C₃S и C₃A и цементы высоких марок и более тонкого помола.

11. Равномерность измерения объема цемента.При твердении цементного теста иногда наблюдается искривление изделий, их растрескивание, или полное разрушение.

12. Прочность цемента (активность, марка и класс цемента)Прочностные свойства цемента при изгибе и сжатии цемента определяют на образцах – балочках 40×40×160 мм, приготовленных из стандартного мало пластичного (нормальной консистенции) цементного раствора состава 1:3 (цемент: стандартный песок) и = 0,4

13. Влияние условий твердения на прочность портландцемента. Снижение температуры окружающей среды замедляет твердение цементных растворов тем сильнее, чем ниже температура.

14. Огнестойкость и жаростойкость бетонов и растворов.При нагреве бетона свыше 547 °C в цементном камне происходит диссоциация Ca(OH)₂ → CaO + H₂O (При температуре больше 547 °C) образующаяся известь разрушает изделие.

15. Морозостойкость.Повышают: Уменьшением водоцементного отношения.· Увеличением тонкости помола до S = 5000 – 6000 см²/г.