Материал: m33170
Основными операциями при производстве портландцемента являются: получение из сырьевой смеси клинкера и последующее его измельчение с гипсом и добавками.
Производство портландцемента в нашей стране осуществляют двумя способами: сухим и мокрым.
При первом способе (рис. 22) сырьевую смесь приготавливают следующим способом: сырьевые материалы (известняк и глина) высушиваются, а затем измельчаются и смешиваются.
Рис. 22. Технологическая схема приготовления сырьевой смеси для производства цемента по сухому способу:
1 – карьер известняка; 2 – карьер глины; 3 – вагоны с огарками; 4 – валковая дробилка; 5, 13, 16, 20, 24 – контрольные станции определения химсостава; 6 – щековая дробилка; 7 – склад; 8, 10, 15, 23 – дозаторы по массе; 9 – бункера; 10 – мельница; 12 – циклон; 14 – промежуточные силосы; 17 – центробежные сепараторы; 18 – бункер-весоизмеритель; 19 – шаровая мельница; 21 – гомогенизационный силос; 22 – запасной силос
Мокрый способ (рис. 23) сводится к измельчению сырьевых материалов с водой. Независимо от применяемого способа производства всегда стремятся получить по возможности наиболее тонкую и однородную сырьевую смесь, что определяет хорошее качество цемента, так как с увеличением степени дисперсности реагирующих веществ и с повышением полноты их смешения между собой быстрее и полнее идут реакции при обжиге. На отечественных заводах наиболее распространен мокрый способ, хотя по расходу топлива он менее выгоден.
101
Рис. 23. Схема производства портландцемента по мокрому способу: 1 – глиноболтушка; 2 – подача воды; 3 – подача глины; 4 – подача известняка; 5 – дробилка; 6 – сырьевая мельница; 7 – шламбассейн; 8 – вращающаяся печь; 9 – холодильник; 10 – подача угольной пыли в печь; 11 – элеватор для подачи угля; 12 - сушильный барабан; 13 – склад угля; 14 – мельница для угля; 15 – склад гипса; 16 – элеватор для подачи гипса; 17 – склад клинкера; 18 – трубная мельница; 19 – склад для цемента; 20 – упаковка цемента
Схема получения портландцемента по мокрому способу заключается в следующем. Глину предварительно превращают в жидкий глиняный шлам, после чего подают в сырьевую мельницу, куда одновременно поступает дробленый известняк. Глину и известняк подают в мельницу в строго определенной пропорции.
После помола сметанообразная смесь известняка, глины и воды (шлам) направляется в шламбассейн, где происходит корректировка химического состава шлама и тщательное его перемешивание. В шламе содержится примерно 75% известняка и 25% глины (в пересчете на сухое вещество). Из бассейна шлам поступает в обжигательную вращательную печь диаметром 3,6–5 м, длиной 150–185 м, наклоненную под некоторым углом к горизонту, примерно 35 0 . Наклон барабана обеспечивает при его вращении определенное продвижение материала в сторону нижнего конца.
102
Шлам подают со стороны поднятой части, а топливо в виде газа или угольной пыли выдувается вентилятором со стороны нижней части. Топливо сгорает вблизи его подачи, где развивается наиболее высокая температура (до 1520 0 С), которая необходима для спекания клинкера и образования клинкерообразующих минералов (рис. 24).
Рис. 24. Вращающаяся печь для обжига и получения цементного клинкера:
1 – дымосос; 2 – питатель для подачи шлама; 3 – барабан; 4 – привод; 5 - вентилятор для подачи топлива; 6 – холодильник
По мере продвижения сырьевых материалов в сторону высоких температур вначале в зоне сушки (70-80 0 С) испаряется вода из шлама, затем в зоне подогрева (200-7000 С) выгорают органические примеси, содержащиеся в сырье и из глинистых минералов удаляется химически связанная вода, а при температуре 1000–1100 0 С (зона кальцинирования) известняк разлагается на окись кальция и углекислый газ. Последний удаляется с дымовыми газами, а окись кальция вступает в химическое взаимодействие с окислами, составляющими глину (SiO2, Аl 2О3, Fe2O3), образуя клинкерные минералы (алит, белит, целит, алюмоферрит и
RO-фазу). В зоне экзотермических реакций (1100-12500 С) все твердофазные реакции завершаются, однако часть CaO остается в свободном состоянии. В зоне спекания (1300-15200 С) происходит интенсивное образование трехкальциевого силиката. В зоне охлаждения происходит формирование структуры клинкера.
После зоны охлаждения клинкер в виде серых, очень твердых, спекшихся шариков поступает в холодильник, где охлаждается потоком холодного воздуха. Следующая за обжигом технологическая операция производства портландцемента – это помол, при котором происходит тонкое измельчение клинкера совместно с гипсом и активными добавками. Помол производится в шаровых мельни-
103
цах, откуда цемент выходит нередко с температурой свыше 100 0 С. Для охлаждения его направляют в силосы, откуда через 7–14 дней направляют на стройки навалом или в бумажных мешках.
4.6. Химический и минералогический состав портландцементного клинкера. Твердение и коррозия цемента. Марки
и виды цемента. Применение в строительстве
Химический состав клинкера выражают содержанием оксидов (% по массе). Главными являются: СаО – 63-66%; SiO 2 - 21-24%, Al 2 O3 - 4-8%, Fe 2 O3 - 2-4%, суммарное содержание ко-
торых составляет 95-97%.
Минералогический состав клинкера. Основными минера-
лами портландцемента являются: четырехкальциевый алюмоферрит 4CaO·Al 2 O3 ·Fe 2 O3 или C4 AF, трехкальциевый силикат
3CaO∙SiO 2 или C3 S (алит), двухкальциевый силикат 2CaO∙SiO 2 или C 2 S (белит), , трехкальциевый алюминат 3CaO∙Al 2 O3 или
C3 A (целит).
Эти минералы содержатся в клинкере в следующих преде-
лах, %: C3 A – 4-14; C 4 AF – 10-18; C3 S – 45-60; C 2 S – 15-35..
Алита и белита вместе обычно содержатся в количестве 70– 80 %. Кроме основных минералов в цементе есть в небольших количествах алюминаты и алюмоферриты кальция 3CaO∙Al 2 O3 ,
4CaO∙Al2 O 3 ∙Fe2 O3 , а также феррит кальция.
При затворении портландцемента водой образуется пластичное клейкое цементное тесто, постепенно густеющее и превращающееся в камень. Процесс твердения цемента в основном зависит от гидратации силикатов, алюминатов и алюмоферритов кальция.
Современные представления о процессах твердения це-
мента. После затворения цемента водой начинаются химические реакции. В начальной стадии процесса гидратации происходит быстрое взаимодействие алита (3СаО × SiО2 ) с водой:
2(3CaO∙SiO 2 ) + 6H 2 O = 3CaO∙2SiO 2 ∙3H2 O + 3Ca(OH) 2 .
Белит ( 2СаО × SiО2 ) гидратируется медленнее алита и при его взаимодействии с водой выделяется меньше Ca(OH) 2 :
2(2CaO∙SiO 2 ) + 4H 2 O = 3CaO∙2SiO 2 ∙3H2 O + Ca(OH) 2 .
104
Взаимодействие трехкальциевого алюмината (3CaO∙Al 2 O3 ) с водой приводит к образованию гидроалюмината кальция и гидроалюмоферрита кальция:
3CaO∙Al2 O 3 + 6H 2 O = 3CaO∙Al 2 O3 ∙6H2 O;
4CaO∙Al2 O 3 ∙Fe2 O3 + pH 2 O = 3CaO∙Al 2 O3 ∙6H2 O + (p-6)H 2 O
Образовавшиеся в результате гидролиза и гидратации гидраты клинкерных минералов начинают выпадать из раствора в виде частичек субмикроскопических размеров, что придает цементному тесту свойства клея, способность прилипать к телам и связывать их между собой. Затем из мельчайших частичек гидратов происходит образование гидратов более крупных размеров, что способствует уплотнению теста и образованию цементного камня. Нарастанию прочности цементного камня существенно способствует кристаллизация уплотненных масс гидратов. Образующиеся при этом кристаллические сростки пронизывают еще не закристаллизовавшуюся часть цементного камня, как бы армируя его. Уплотнение продуктов гидратации цемента и их кристаллизация происходят не сразу, а постепенно, вначале сравнительно быстро, а затем все медленнее и медленнее. Таким же образом нарастает и прочность портландцемента.
Условное обозначение цемента включает: указание наиме-
нования цемента – портландцемент (ПЦ), шлакопортландцемент
(ШПЦ); марку цемента (например, 22,5 или 52,5); обозначение максимального содержания активных минеральных добавок (например, Д0, Д5, Д20); обозначение быстротвердеющего цемента (при необходимости) – Б; обозначение пластификации или гид-
рофобизации (при необходимости) – ПЛ или ГФ; обозначение цемента, полученного на основе клинкера нормированного мине-
ралогического состава (при необходимости) – Н; обозначение стандарта – ГОСТ 10178-85.
Пример условного обозначения портландцемента класса 22,5, с добавками до 20%, быстротвердеющего, пластифицированного:
Портландцемент 22,5-Д20 Б – ПЛ ГОСТ 10178-97 Прочность портландцемента (табл. 19) характеризуется
пределом прочности его образцов при изгибе и при сжатии в возрасте 28 суток нормального твердения (относительная влаж-
105