Расширяющийся портландцемент

Глиноземистый цемент — быстротвердеющее гидравлическое вяжущее, состоящее преимущественно из моноалюмината кальция (СаО•А12О3). Свое название этот цемент получил от технического названия оксида алюминия А12О3 — «глинозем».

Сырьем для глиноземистого цемента служат бокситы и чистые известняки. Бокситы — горная порода, состоящая из гидратов глинозема (А12О3 • nН2О) и примесей (в основном Fe2O3, SiO2, СаО и др.). Бокситы широко используются в различных отраслях промышленности: для получения алюминия, абразивов, огнеупоров, адсорбентов и т.п., а месторождений с высоким содержанием А12О3 очень немного.

 

 

Химический состав глиноземистого цемента, получаемого разными методами, находится в следующих пределах: СаО - 35...45 %; А12О3 - 30...50 %; Fe2O3 - 0...15 %; SiO2 - 5...15 %. В минеральном составе клинкера глиноземистых цементов преобладает однокальциевый алюминат СаО • А12О3 (СА), определяющий основные свойства этого вяжущего. Кроме того, в нем присутствуют алюминаты — СА2, С12А7; двухкальциевый силикат C2S, отличающийся, как известно, медленным твердением, и в качестве неизбежной балластной примеси — геленит - 2СаО • А12О3 • 2SiO2. Внешние параметры глиноземистого цемента - это тонкий порошок серо-зеленого, коричневого или черного цвета.

Тонкость помола должна быть такой, чтобы при просеивании пробы цемента через сито с сеткой № 008 (размер ячеек в свету 0,08 мм) проходило не менее 90% от массы пробы. В соответствии с ГОСТ 969—66 глиноземистый цемент в зависимости от прочности при сжатии делится на три марки: 40, 50 и 60. Марку цемента определяют в возрасте трех суток после изготовления образцов.

Глиноземистый цемент должен изготовляться в соответствии с ГОСТ 969-91 по технологическому регламенту производителя. Содержание глинозема (Al2O3) в цементе должно быть не ниже 35 %.

По прочности на сжатие в возрасте 3-х суток цемент подразделяется на марки: 40, 50 и 60. Физико-механические показатели цемента должны соответствовать указанным в таблице:

 

№ п/п	Физико-механические показатели	Значение для марки цемента
		40	50	60
1	Предел прочности при сжатии, МПа, не менее в возрасте:
	1 сут.	22,5	27,4	32,4
	3 сут.	40	50	60
2	Тонкость помола:
	Остаток на сите с сеткой № 008 по ГОСТ 6613, % не более	10	10	10
3	Сроки схватывания:
	начало, мин., не ранее	45	45	45
	конец, час., не позднее	10	10	10

 

Глиноземистый цемент является быстротвердеющим, но нормально схватывающимся вяжущим веществом. Начало схватывания цемента должно наступать не ранее 30 мин, а конец не позднее 12 ч от момента затворения его водой.

Глиноземистый цемент характеризуется пониженной способностью к деформации в связи с крупнокристаллической структурой формирующегося

 

 

цементного камня. Кроме того, из-за наличия кубического гидратированного моноалюмината при формировании цементного камня происходит потеря массы.

Существуют два способа производства глиноземистого цемента: метод плавления сырьевой шихты и обжиг до спекания.

Способ производства глиноземистого цемента методом плавления включает в себя подготовку зернистой шихты из цементного сырья, плавление, охлаждение полученного шлака, дробление и тонкое измельчение.

Способ спекания характеризуется тем, что исходные компоненты цементного сырья просушивают, тонко измельчают и перемешивают до достижения полной гомогенизации, после чего порошкообразную или гранулированную цементную шихту направляют в печь и выполняют обжиг цементного клинкера в различных печах. Далее цементный клинкер охлаждают, подвергают помолу и получают глиноземистый цемент.

Основные свойства:

-быстрое нарастание прочности  в раннем возрасте;

-при твердении бетона на глиноземистом  цементе выделяется большое количество  тепла, что позволяет использовать  эти бетоны при отрицательных температурах до -10 градусов без подогрева;

-глиноземистый цемент имеет  повышенную плотность цементного  камня, что определяет большую  устойчивость бетона против всех  видов агрессивных жидкостей  и газов по сравнению с бетоном  на портландцементе;

глиноземистый цемент по сравнению с портландцементом является более огнестойким и термически устойчивым материалом. В смеси с огнеупорными заполнителями: шамотом, хромитовой рудой, магнезитом и др. глиноземистый цемент может быть использован для получения гидравли-чески твердеющих огнеупорных растворов и бетонов.

Процесс твердения глиноземистого цемента и прочность образующегося цементного камня существенно зависят от температуры твердения. При нормальной температуре (до + 25° С) основной минерал цемента — СА взаимодействует с водой с образованием кристаллического гидроалюмината кальция и гидроксида алюминия в виде гелевидной массы:

 

2(СаО • А12О3) + 11Н2О = 2СаО •  А12О3 • 8Н2О + 2А1(ОН)3 + Q

 

При твердении глиноземистого цемента основное соединение — однокальциевый алюминат, подвергается гидратации, в результате чего образуется двухкальциевый гидроалюминат. При взаимодействии глиноземистого цемента с водой не образуется гидрата окиси кальция, благодаря чему цементный камень, бетоны и растворы на глиноземистом цементе значительно лучше противостоят действию минерализованных вод; отсутствие трехкальциевого гидроалюмината повышает стойкость к сульфатной коррозии. Однако бетоны па глиноземистом цементе корродируют в кислых агрессивных средах, концентрированных растворах сернокислого магния и в щелочных средах при концентрации щелочей более 1%. С повышением температуры твердения глиноземистого цемента сверх 25—30° С прочность цементного камня понижается, вследствие перекристаллизации

 

 

двухкальциевого гидроалюмината в трех-кальциевый. Поэтому пропаривание и автоклавную обработку изделий на глиноземистом цементе не производят.

При пониженных положительных температурах твердение происходит менее интенсивно, но все же значительно быстрей, чем портландцемента.

При охлаждении массы цемента (бетона) ниже -2 °С твердение его с водой практически прекращается.Поэтому для твердения необходимо обеспечить оптимальные температурные условия.

Растворы и бетоны на глиноземистом цементе водонепроницаемы, химически стойки, огнестойки, огнеупорны, термически устойчивы.

Устойчивость гидратных образований в виде гидроалюминатов кальция, образующихся при твердении цементного раствора, существенно зависит от температуры и концентрации глинозема и оксидов кальция в растворе. Характерной особенностью низкоосновных гидроалюминатов кальция является их способность к перекристаллизации, при которой формируются более устойчивые кристаллогидраты.В процессе гидратации глиноземистого цемента химическая реакция взаимодействия низкоосновных алюминатов кальция с водой приводит к формированию гидроалюминатов кальция и гидроксида алюминия, который характеризуется малой растворимостью в воде, большой удельной поверхностью и положительно влияет на формирование высокопрочного цементного камня.При гидратации участвующее в реакциях оксидное железо образует гидроферриты кальция и гидроалюмоферриты кальция. Гидроксид алюминия выделяется в виде геля.

Отличительной особенностью реакции гидратации однокальциевого алюмината является высокая электротермичность. При затвореиии глиноземистого цемента высоких марок водой выделяется примерно до 376 кДж/кг (90 к кал/кг) тепла; при этом энергичное выделение тепла полностью происходит в первые часы схватывания и твердения цементного теста. Это свойство глиноземистого цемента, с одной стороны, ограничивает использование его для бетонирования массивных конструкций, с другой — может оказать положительное влияние на производство бетонных работ в зимнее время. Объемная масса глиноземистого цемента в рыхлом состоянии находится в пределах 1000—1400 кг/м3.

Высокоглиноземистые цементы разработаны в НИИЦементе; получены два вида — высокоглиноземистый и особочистый высокоглиноземистый, различающиеся по малому содержанию примесей. ВГЦ при наличии 60—65% глинозема содержит 2—3°/0 кремнекислоты, а особочистый ВГЦ — 73—75% глинозема, до 1% кремнекислоты и менее 0,5% оксида железа. Последний цемент по фазовому составу отличается от ВГЦ, он состоит в основном из диалюмината кальция — СА2 и небольшого количества геленита и моноалюмината. Температура плавления его достигает 2033К.

Ангидрито-глиноземистый цемент — гидравлическое вяжущее, получаемое совместным помолом высокоглиноземистого шлака (клинкера) с искусственным либо природным ангидритом. Смешивают готовый глиноземистый цемент с предварительно измельченным ангидритом, получаемым обжигом природного

двуводного гипса при 873—973К. Для АГ-цемента характерно меньшее выделение тепла при гидратации, чем для глиноземистого цемента. Повышающаяся при твердении раствора и бетона температура благоприятно влияет на твердение,

 

так как ускоряет кристаллизацию гидросульфоалюмината кальция. Образовавшиеся кристаллы гидросульфоалюмината играют роль структурного элемента в цементном

камне и в определенных условиях не только предотвращают усадку, но и вызывают явления расширения. Можно считать, что АГ-цемент является одним из начальных видов семейства расширяющихся цементов, получаемых на основе глиноземистого цемента.

По сравнению с портландцементом глиноземистый цемент обеспечивает получение бетонов и растворов большей плотности и водонепроницаемости. Бетоны на глиноземистом цементе морозостойки и более стойки по сравнению с портландцементом против выщелачивания, а также к растворам сульфата кальция и магния, морской и болотной воде, растворам сахара, животным и растительным маслам. Однако глиноземистый цемент быстро разрушается даже слабыми растворами солей аммония и щелочей. Его нельзя применять в щелочных средах и смешивать с известью или портландцементом. Учитывая дефицитность сырья (бокситов) и значительную стоимость глиноземистого цемента, его выпускают в сравнительно небольших количествах (менее 1 % от общего выпуска цемента), а применяют при возведении бетонных конструкций, которые необходимо быстро ввести в эксплуатацию, для срочных аварийных и ремонтных работ, а также для тампонирования нефтяных и газовых скважин, футеровки шахтных колодцев и туннелей и т. п. На основе глиноземистого цемента в смеси с жаростойкими заполнителями изготовляют бетоны, которые хорошо сопротивляются действию высоких температур (1000°С и выше). Глиноземистый цемент используют также для получения расширяющихся цементов: водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ), водонепроницаемый безусадочный цемент (ВБЦ), гипсоглиноземистый расширяющийся цемент(ГГРЦ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор способа и описание технологического процесса

Для помола водонепроницаемого расширяющегося цемента с добавками применяют почти исключительно шаровые мельницы производительностью до 50-100 т/ч и более. Клинкер размалывают по открытому или замкнутому циклу с применением одностадийного, а иногда в двухстадийного измельчения.

Длина шаровых мельниц, работающих по закрытому циклу и называемых трубными, в несколько раз превышает их диаметр (в 4-5 раз). На заводах применяют мельницы размерами 4х13,5, 3,2х15, 2,6х13 м и др. Их производительность при помоле клинкера до остатка 8-10 % на сите № 008 достигает соответственно 90, 50, 25 т/ч. Приводятся они во вращение двигателями мощностью соответственно 3200, 2000 и 1000 кВт. Трубные мельницы разделяют по длине дырчатыми перегородками на две, три и более камер.

В многокамерные мельницы загружают шары нескольких размеров и цильпебс (цилиндрики) одного или двух размеров. При этом необходимо соответствие между удельной поверхностью мелющих тел и размалываемого материала во всех камерах. В первую камеру, где дробятся крупные зерна, помещают обычно более крупные стальные шары диаметром 60-120 мм (в зависимости от размера зерен поступающего клинкера). Вторую камеру заполняют шарами размером 40-60 мм, а третью – мелкими шарами 20-30 мм или цильпебсом размером 20-25 мм.

Большое влияние на производительность мельниц оказывает степень заполнения камер мелющими телами. Обычно камеру грубого измельчения заполняют на 26-32, среднего – на 26-30 в тонкого – на 24-30%. Однако правильность подбора мелющих тел и степень наполнения при помоле тех или иных материалов должна проверяться по эффективности работы мельницы (часовая производительность ее при заданной тонкости помола и удельный расход электроэнергии). Рациональность ассортимента мелющих тел и степени заполнения контролируют по диаграммах помола, которые строят по результатам просеивания проб, отбираемых вдоль камер мельницы, через сита 008, 021, 05, а также более крупные.

При помоле материалов наблюдается значительное выделение теплоты, вызывающее нагревание мелющих тел и материала до 120-150 0С и более, что резко отрицательно сказывается на производительности помольных установок. При тонкости помола до 3300 см с увеличением температуры материала расход электроэнергии еще более повышается (до 130 кВт при 150°С). Это объясняется значительной агрегацией наиболее тонких частиц при повышенных температурах вследствие испарения воды, и адсорбированной частицами и препятствовавшей их слипанию. В связи с этим размалывать следует только холодный клинкер. Кроме того, большое значение приобретают приемы, способствующие уменьшению температуры материала при его измельчении. Для этого применяют вентиляцию мельниц, а также впрыскивают в них воду. Иногда используют и орошение водой корпуса мельницы снаружи.

Вентиляция достигается просасыванием через барабан воздуха со скоростью 0,5-0,7 м/с с помощью аспирационной рационной установки, в состав которой входят вентилятор, циклоны, а также рукавные фильтры или электрофильтр.

 В последних улавливаются тонкие частицы, присоединяемые обычно к общей массе продукта.

 

Измельченный в мельнице материал поступает в сепаратор, где из него выделяются фракция тех размеров, какие требуются для готового продукта, а более крупные частицы направляются снова в мельницу на дополнительное измельчение. Таким образом, из материала непрерывно извлекаются наиболее дисперсные частицы, которым особенно присуще свойство агрегироваться и прилипать к мелющим телам и стенкам мельницы.