Основні відомості про портландцемент та технологія виробництва цементу

Зміст

 

Вступ 2

1. Основні відомості про портландцемент та технологія виробництва цементу 3

2. Активні мінеральні добавки 5

3. Пуцолановий цемент і його властивості 9

Висновок 15

Список використаної літератури 16

 

 

Вступ

 

Цемент широко використовується у  будівництві. При цьому в кожному  конкретному випадку потрібними виявляються ті чи інші його властивості. Сьогодні на ринку представлено широке різноманіття видів цементу, кожен  з яких відрізняється набором  специфічних рис.

Цемент - це матеріал, без якого  неможливий практично ні один будівельний елемент початкового будівництва. Склад сухих будівельних сумішей більш ніж на 40 відсотків складається з цементу, сушеного піску і мінеральних добавок. Цемент застосовують у виготовленні бетону, виробів ЗБВ, будівництві фундаментів, заливки опалубок, а також використовують в кладці цегли і шлакоблоків.

Найбільш популярними є портландцемент марок 500 і 400. Рідше користується попитом силікатний цемент, шлакопортландцемент ШПЦ 400 та пуцолановий цемент.

Об’єктом  даної роботи є ознайомлення з  властивостями пуцоланового цементу.

На даний час використання даного виду цементу є актуальним. В даний  час вода не стає перешкодою для  будівельників. А саме він використовується в умовах підвищеної вологості.

 

1. Основні відомості про портландцемент та технологія виробництва цементу

 

Портландцемент – гідравлічна в’яжуча речовина, яку виготовляють спільним тонким подрібненням клінкеру з гіпсом або іншими добавками. 
Перший патент на спосіб виробництва штучного каменю під назвою портландський цемент був отриманий у 1824 р. Джозефом Аспдіном. У практиці світового будівництва портландцемент є головним матеріалом для виробництва бетону,залізобетону й будівельних розчинів.

Портландцементний клінкер отримують випалюванням до спікання (при температурі приблизно 1450 ^оС) сировинної суміші певного складу, що забезпечує синтез переважно високоосновних силікатів кальцію. Гіпс до складу портландцементу вводять для регулювання строків тужавіння і підвищення міцності.

Сировиною для виготовлення портландцементного клінкеру можуть бути карбонатні породи (приблизно 75 %) в суміші з алюмосилікатними речовинами (25 %). Як карбонатні породи використовують вапняки, крейду, вапняки-черепашники, вапнякові туфи, а як алюмосилікатний компонент – глини, але при відповідному економічному обґрунтуванні можна застосовувати суглинки, леси, аргіліти й глинисті сланці. Як сировину використовують природні суміші вапняків з глинами – мергелі.

До найпоширеніших побічних продуктів, придатних для виробництва  портландцементного клінкеру, відносять доменні гранульовані шлаки, які завдяки хімічному складу (SiO₂ – 38…40%, CaO – 43…44%, Al₂O₃ – 5…14 %) іноді використовують замість частини глинистого або карбонатного компонентів.

З метою коригування складу шихти також застосовують електротермофосфорні шлаки, паливні золи, відходи вуглезбагачення та різні шлаки, в тому числі нефеліновий (пелітовий), монокальцієвий і червоний.

 

 

Технологія виробництва  цементу

Виробництво цементу здійснюється сухим, мокрим та комбінованим способами.

Процес приготування сировинної суміші для отримання портландцементного клінкеру включає: подрібнення (крупне й тонке), дозування, змішування сировинних компонентів, коригування хімічного складу отриманої суміші, її гомогенізацію і випалювання.

Сухий спосіб виробництва полягає у подрібненні й ретельному перемішуванні сухих або попередньо висушених сировинних матеріалів. Використання цього способу є доцільним при застосуванні однорідних за складом і структурою вапняку й глини вологістю від 10 до 15 %.

Мокрий спосіб виробництва доцільно застосовувати, якщо м’яка сировина (крейда, глина) має значну вологість. Вихідні компоненти подрібнюють і змішують з великою кількістю води (36…42 % від маси сухої речовини) до утворення рідкотекучої маси у вигляді суспензії (шламу). Мокрий спосіб дає змогу знизити енергоємність процесу подрібнення, полегшити транспортування і перемішування сировинної суміші, проте витрати палива на її випалювання в печі в 1,5…2 рази більші, ніж при сухому способі.

Комбінований  спосіб передбачає підготовку сировинної суміші з отриманням шламу, який потім зневоднюють до вологості 16…18% і переробляють на гранули.

Після випалювання в обертових  або шахтних печах клінкер  інтенсивно охолоджується у барабанних рекуператорах та холодильниках (до температури 100…200 ^оС), щоб попередити утворення крупних кристалів. З холодильників клінкер надходить на склад, де його витримують протягом 1…2 тижнів для стабілізації властивостей.

Помел клінкеру здійснюють у трубних (кульових) млинах. Під  час помелу до клінкеру додають двоводний гіпс (до 3,5% за масою) для сповільнення тужавіння портландцементу.

 

 

2.  Активні мінеральні добавки 

Ще в давнину було відомо, що змішуванням повітряного вапна з вулканічним туфом можна отримати гідравлічно в’яжуче тверднення. Задовго до нашої ери греки для виготовлення стійких в прісній і морській воді гідравлічних розчинів застосовували туф Санторінского родовища, а римляни - вулканічний туф з родовища Поцуолі. Такі добавки в подальшому і були названі пуцоланом, а цементи, що їх містять, - пуцолановий. Вапняно-пуцоланові цементи, отримані шляхом спільного тонкого подрібнення повітряної або гідравлічного вапна з активною мінеральною добавкою при невеликій дозуванні гіпсу відрізняються повільним твердненням, невисокою міцністю, малою повітростійкістю. З появою портландцементу вапняно-пуцоланові цементи поступово втрачали своє значення в гідротехнічному будівництві. В даний час промислове їх виробництво вкрай обмежене. Проте став широко застосовуватися пуцолановий портландцемент, який містить активні мінеральні добавки. 

Активні мінеральні добавки - це неорганічні природні та штучні матеріали, що володіють гідравлічними і (або) пуцоланічними властивостями. При змішуванні в тонкоподрібненому вигляді з гідратним вапном і гіпсом при та водою вони повинні утворювати тісто, здатне після попереднього твердіння на повітрі продовжувати тверднути під водою. Активні мінеральні добавки вводять до складу цементів для поліпшення їх будівельно-технічних властивостей. Добавками осадового походження є - діатоміт, трепели і опоки. 

До активних мінеральних  добавок вулканічного походження відносяться  попели, туфи, пемзи, вітрофіри і траси. Це продукти виверження вулканів, які відклалися на різній відстані від місця виверження і були в різному ступені охолодження. При різкому охолодженні з порід швидко виділяються гази, що підвищує їх пористість. У залежності від подальшого впливу атмосферних агентів і ступеня ущільнення вони поділяються на пухкі попели - пуцолани, кам'яноподібний пористі - вулканічні туфи і сильно ущільнені різниці - траси. Для пемзи характерна  пористо губчаста будова, вона являє собою спучене вулканічне скло. Вітрофіри мають порфірова структуру і складаються на 75-85% з темного вулканічного скла. До їх складу входять також польові шпати, кварц і ін. Різке охолодження  вулканічних порід призводить до швидкого їх загартування, що сприяє утворенню в них вулканічного скла. Вони містять також лужні алюмосилікати цеолітового характеру, кристали польового шпату, авгита та ін. Іноді мінерали бувають осклованих. До штучних добавок відносяться: кремнеземисті відходи, одержані під час добування глинозему з глини; штучні обпалені у відповідних керамічних печах або в само запалюючих відвалах порожніх шахтних порід глини і глинисті та вуглисті сланці; золи, зола-винесення і шлаки, що виходять при спалюванні деяких видів палива; для них характерно переважаючий вміст кислотних оксидів. У ГОСТ з цих добавок вказані тільки кислі золи-винесення; стандартом регламентовані і такі штучні добавки, як доменні гранульовані шлаки, а також белітовий (нефеліновий шлам), одержуваний при комплексній переробці нефелінів і містить до 80% мінералу Беліта, частково гідратованого. Активні мінеральні добавки здатні хімічно взаємодіяти з гідроксидом кальцію. К. Г. Красильников, досліджуючи поверхневі властивості гідратованого кремнезему та його взаємодію з гідроксидом кальцію у водному середовищі,встановив, що однією з найважливіших характеристик є природа поверхні кремнезему, будова поверхневого шару характеризується розташуванням тетраедрів SiO4, тільки частково пов'язаних з об'ємною структурою, причому вільні кути цих тетраедрів, що виходять на поверхню, є гідроксильні групи. 

Реакція гідроксиду кальцію  з кремнеземом починається з  поверхні зерен і поступово захоплює глибші шари; утворюються гідросилікати  тоберморі-печних групи CSH (В) з явно вираженою пластинчастою будовою кристалів. Іноді кремнекислота, що міститься в осадових породах, називається «активною». У дійсності активної, так само як і неактивній кремнекислоти не існує. Наприклад, дослідами було встановлено, що тонкоподрібнений кварцовий пісок проявляє «активність», взаємодіючи з гідроксидом кальцію і особливо сильно при трохи підвищеній (348К) температурі.

Нами зазначалося, що розвиваються, при механічному дисперсуванні кварцу деформації порушують кристалічну структуру поверхневого шару і кілька аморфізірують його. Деструктурувані в результаті цього шари кварцу володіють високою хімічною активністю, зокрема по відношенню до води, що виражається в підвищеній їх розчинності. Вище вже вказувалося, що глієжі і золи-винесення є продуктом випалення глинистих матеріалів. На думку одних вчених, випал каолінітові глин в інтервалі 873-1073К призводить до розкладання каолініту на кремнезем і глинозем, на думку інших - до утворення метакаолініта. Незалежно від виду та складу продуктів, що утворяться випалу вони інтенсивно взаємодіють з гідроксидом кальцію, причому встановлено, що при цьому утворюється невідоме раніше з'єднання - гідрогеленіт (гідроалюмосілікат кальцію). При підвищенні температури випалу глинистих матеріалів> 1073К якість їх, як активних добавок, знижується. Важливо також мінімальний вміст в них розчинного глинозему. Наприклад, максимально допустимий вміст розчинного глинозему для глієжі - 2%.

Більш складною видається  природа гідравлічної активності порід  вулканічного походження. Кремнезем і глинозем в них можна вважати потенційно здатними взаємодіяти з гідроксидом кальцію. Однак це залежить від їх структурних зв'язків у складі породи. Найбільшу активність має вулканічне скло. Істотну роль в хімічному зв'язуванні гідроксиду кальцію грають лужні алюмосилікати, що є цеолітами та здатні обмінювати містями в них іони лужних металів на іони двовалентних металів і, зокрема, вапна. Як відомо, такий іонний обмін пом'якшує жорстку воду. Дослідження показали, що реакції обміну протікають в значній мірі при підвищенні температури до 313-323 К.  
Однак наростання в часі міцності пуцоланового портландцементу пояснити цими реакціями не можна, тому що при обміні іонів лугів на іони кальцію кристалічна решітка цеоліту зберігається і, отже, не можна очікувати такої зміни їх структури, яке вплинуло б на міцність цементу. Дія гідроксиду кальцію проявляється не тільки в цій обмінній реакції. Вважають, що руйнується цеолітова структура, завдяки чому кремнезем і глинозем пов'язує гідроксид кальцію, утворюючи гідросилікати кальцію і можливо гідроалюмосілікати кальцію. Якість активних мінеральних добавок буде залежати також від вмісту розчинного глинозему, тобто в даному випадку здатного до взаємодії з вапном.  
Деякі добавки вулканічного походження містять до 8% лугів, а зола-віднесення до 4-5%. Для отримання фізико-хімічної характеристики активних мінеральних добавок необхідно застосовувати методи хімічного, петрографічного, рентгеноструктурного та диференційного термічного аналізів. Поряд з цим необхідні всебічні випробування цементів, отриманих шляхом спільного тонкого подрібнення клінкеру і гіпсу з різним вмістом досліджуваної активної мінеральної добавки. Досліджуються міцнісні показники цементів з активними мінеральними добавками, при твердінні виявляються їх будівельно-технічні властивості в порівнянні з вихідним портландцементом в розчинах і бетонах.  
 

3. Пуцолановий цемент і його властивості

 

Це гідравлічна в'яжуча  речовина, що отримується шляхом спільного тонкого подрібнення портландцементного клінкеру, необхідної кількості гіпсу і активної мінеральної добавки або ретельно змішуванням тих же матеріалів, подрібнених роздільно. Вміст активних мінеральних добавок у пуцолановомупортландцементі за ГОСТ повинна складати (у% маси цементу): добавок вулканічного походження, обпаленої глини, глієжі або паливної золи - не менше 25% і не більше 40%; добавок осадочного походження - не менше 20% і не більше 30%. Кількість введеної до складу цементу активної мінеральної добавки залежить від її активності. Чим вона вища, тим менше добавки треба вводити до складу пуцоланового портландцементу для хімічного зв'язування гідроксиду кальцію, що утворюється в процесі гідратації клінкерної частини цементу.

Пуцолановий портландцемент випускається у нас в кількості  близько 5 млн. т. Для виробництва пуцоланових портландцементів застосовуються різні види активних мінеральних добавок. На Брянському, Кричевському, Броценскому, Акмянскому цементних заводах та ін застосовується брянський трепел з активністю близько 300 мг / г; Вольська опока тієї ж активності використовується на Вольських цементних заводах, а Баканська опока з активністю близько 250 мг / г - новоросійський цементними заводами. Олексіївський завод споживає місцеву опоку активністю близько 250 мг / г, Сенгилєєвський район завод - місцевий трепел активністю близько 300 мг / м. Для виробництва білого портландцементу на Щуровским і Таузського цементних заводах витрачають кісатібскій діатоміт з активністю близько 300 мг / г, середньоазіатські заводи - глієжі з низькою активністю 30-50 мг / м. Вулканічні туфи з активністю 50-70 мг / г застосовуються на далекосхідних заводах; пемзи і туфи приблизно тієї ж активності - на Закавказької групі цементних заводів, вітофіри з активністю близько 70 мг / г - на Семипалатинському заводі. Зола ТЕЦ використовується в якості добавки до портландцементу на Ангарському комбінаті.

Технологічна схема виробництва  пуцоланових портландцементів звичайна. Вона полягає в сушінні активної мінеральної добавки і подачі її в установленому кількості в цементні млини для сумісного помелу з клінкером при прийнятій дозуванні гіпсу. Сушіння матеріалу при температурах, що не перевищують 479-573 К, помітно не впливає на активність добавок. Однак дослідження показали, що якщо в трепелу є глинисті домішки, то сушка при 873-973К підвищує його активність; раціональна температура сушки для добавок вулканічного походження повинна встановлюватися на основі експериментальних досліджень.