Производство вяжущих материалов

Вяжущими материалами называются одно- и многокомпонентные порошкообразные минеральные вещества, образующие при смешении с водой пластичную формующуюся массу, затвердевающую при выдержке в прочное камневидное тело.

В зависимости от состава и свойств вяжущие вещества подразделяются на три группы (рис. 11.6):

Рис. 11.6. Классификация вяжущих материалов

1. Воздушными вяжущими материалами называют материалы, которые после смешивания с водой (затворения) твердеют и длительное время сохраняют прочность только на воздухе.

2. Гидравлическими вяжущими материалами называют материалы, которые после затворения водой и предварительного затвердевания на воздухе продолжают твердеть в воде. Другими словами, сохраняют прочность как на воздухе, так и в воде.   

3. К кислотостойким вяжущим материалам относятся такие, которые после затвердевания на воздухе сохраняют прочность при воздействии на них минеральных кислот.

Это достигается тем, что для их затворения используют водные растворы силиката натрия, а в массу материала вводят кислостойкие наполнители (диабаз [1], андезит [2] и др.).

Сырьё.

Сырьём для производства силикатных материалов, используемых в качестве вяжущих, служат:

- природные материалы – гипсовыё камень, известняк, мел, глины, кварцевый песок;

- промышленные отходы – металлургические шлаки, огарок колчедана, шламы переработки нефелина.

Применение. Вяжущие материалы в строительстве применяются в форме:

-  цементного теста (вяжущий материал + вода);

-  строительного раствора (вяжущий материал + песок + вода).

Действие вяжущего материала может быть разбито на три последовательные стадии:

- затворение (добавление воды) или образование пластической массы в виде теста или раствора смешением вяжущего вещества с соответствующим количеством воды или силикатного раствора;

- схватывание или первоначальное загустевание и уплотнение теста с потерей текучести и переходом в плотное, но непрочное соединение;

- твердение или постепенное увеличение механической прочности в процессе образования камневидного тела.

Важнейшими видами вяжущих материалов являются: портландцемент (гидравлический цемент) и воздушная (строительная) известь.

Производство портланд - цемента

Портландцементом называется гидравлический вяжущий материал, состоящий из силикатов и алюмосиликатов кальция разного состава.

Основными компонентами портландцемента являются следующие соединения:

- алит (трикальцийсиликат) 3 CaO ∙ SiO ₂,

- белит (дикальцийсиликат) 2 CaO ∙ SiO ₂,

- трикальцийалюминат 3 CaO ∙ Al ₂ O ₃.

Характеристикой портландцемента является «марка».

Маркой цемента называется предел прочности на сжатие образца цемента после затвердевания его в течение 28 суток, выражаемый в кг/см². Чем больше марка цемента, тем выше его качество.

Существуют марки 400, 500 и 600.

Производство портландцемента складывается из двух стадий: получения клинкера и его измельчения.

 

Получение клинкера

Получение клинкера может осуществляться двумя способами – мокрым и сухим, которые различаются методом приготовления сырьевой смеси для обжига.

Мокрый метод. По мокрому методу сырьё измельчают в присутствии большого количества воды. При этом образуется пульпа, содержащая до 45% воды.

В этом методе обеспечивается:

высокая однородность смеси;

снижается запыленность;

но увеличиваются затраты энергии на испарение воды.

Сухой метод. По сухому методу компоненты сырья сушат, измельчают и смешивают в сухом виде.

Такая технология является энергосберегающей, поэтому удельный вес производства цемента по сухому методу непрерывно возрастает.

На рис. 11.7 представлена схема производства портландцемента мокрым способом:

 

Рис. 11.7. Принципиальная схема производства портланд-цемента.

Производство клинкера включает операции:

- дробления, размола, корректировки состава сырья;

- последующую высокотемпературную обработку полученной шихты – обжиг.

Сырьё. Сырьём в производстве портландцемента служат:

-  различные известковые породы – известняк, мел, доломит;

-   глина;

-   мергели – представляющие собой однородные тонкодисперсные смеси известняка и глины.

При обжиге шихты последовательно протекают следующие процессы:

-   испарение воды (100 ºС);

-   дегидратация кристаллогидратов и выгорание органических веществ:

MeO∙nH₂O = nMeO + nH₂O (500 º С);

термическая диссоциация карбонатов:

CaCO ₃ = CaO + CO ₂ (900- 1200 ºС);

 -   взаимодействие основных и кислотных оксидов с образованием силикатов, алюминатов и алюмоферритов кальция:

CaO + SiO₂ = 2CaO∙SiO₂ (белит)    

2CaO∙SiO₂ + CaO = 3CaO∙SiO₂ (алит)      

3CaO + Al₂O₃ = CaO∙Al₂O₃ (трикальцийалюминат)      

Процесс заканчивается при температуре 1450ºС, после чего клинкер поступает на охлаждение.

Состав образовавшегося после обжига продукта следующий: алит
40-60 %; белит 15-30 %; трикальцийалюминат 5-14 %.

Для обжига шихты используются барабанные вращающиеся печи диаметром 3,5 - 5,0 м и длиной до 185 м (рис. 11.8):

Рис. 11.8. Вращающаяся печь для получения цементного клинкера:
1 – вращающая печь; 2 – бандажи; 3 – опорные ролики; 4 – электромоторы;
5 – шестерни; 6 – шнековый питатель; 7 - холодильник; 8 - дымоход

Компоненты сырья, поступающие в печь, последовательно проходят в ней зоны сушки, подогрева, кальцинации, экзотермических реакций образования силикатов, спекания и охлаждения.

Выходящий из печи клинкер охлаждается в барабанных холодильниках, а нагретый воздух используют для нагрева воздуха и газообразного топлива, поступающего в печь.

Измельчение клинкера

Для измельчения охлаждённый клинкер:

- выдерживается на складе в течение 10-15 суток для гидратации свободного оксида кальция влагой воздуха;

- смешивается с добавками и измельчается в дробилках и многокамерных мельницах до частиц 0,1 мм и меньше.

Затвердевание портландцемента основано на реакциях гидратации, входящих в его состав силикатов и алюмосиликатов, образованием кристаллогидратов различного состава:

3 CaO ∙ SiO ₂ + (n +1) H ₂ O = 2 CaO ∙ SiO ₂ ∙ nH ₂ O + Ca (OH)₂

2 CaO ∙ SiO ₂ + nH ₂ O = 2 CaO ∙ SiO ₂ ∙ nH ₂ O,

3CaO∙Al₂O₃ + 6H₂O = 3CaO∙Al₂O₃ 6H₂O

При смешении порошка цемента с водой (затворении) масса затвердевает.

Для придания цементу определённых свойств в него вводят добавки:

-   гидравлические, повышающие водостойкость за счёт связывания содержащегося в цементе гидроксида кальция:

Ca(OH)₂ + SiO₂ = CaSiO₃ + H₂O;

-    пластифицирующие, повышающие эластичность массы;

-   кислотостойкие, придающие цементу коррозийную стойкость к кислым средам (гранит);

-   инертные, для удешевления продукции (песок);

-   регулирующие время схватывания массы (гипс).

Основная масса портландцемента используется для изготовления бетона и изделий из него.

Бетоном называется искусственный камень, получаемый при затвердевании затворённой водой смеси цемента, песка и заполнителя.

В качестве заполнителей используют:

-  в обыкновенных бетонах – песок, гравий, щебень;

-  в легких бетонах – различные пористые материалы – пемза, шлак;

-  в ячеистых бетонах – замкнутые поры, образующиеся в бетоне при разложении вводимых в бетонную смесь газо- и пенообразователей;

-  в огнеупорных бетонах – шамотовый порошок;

-  в железобетоне – металлическая арматура.