Портландцемент, производство, твердение - Форум
Четверг, 17.04.2014
Экзамены
[ Новые сообщения · Участники · Правила форума · Поиск · RSS ]
Страница 1 из 11
Форум » Test category » Материаловедение » Портландцемент, производство, твердение (14,15,16 вопросы)
Портландцемент, производство, твердение
BamboochaДата: Понедельник, 14.06.2010, 16:40 | Сообщение # 1
Помогающий людям
Группа: Администраторы
Сообщений: 226
Репутация: 0
Статус: Offline
§3.3.3. ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ

Портландцемент и его разновидности являются основным вяжущим материалом в современном строительстве.
Портландцементом (ПЦ) называется гидравлическое вяжущее, в составе которого преобладают силикаты кальция (70-80%), изготовленное путем совместного помола клинкера и гипса (3-5%).
Клинкер представляет собой зернистый материал (в виде спекшихся гранул диаметром 10-40 мм), полученный обжигом до спекания (при t=1450*С) сырьевой смеси, состоящей в основном из карбоната кальция (различных видов известняков) и алюмосиликатов (глин, мергеля, доменного шлака и др.).
Небольшая добавка гипса регулирует сроки схватывания ПЦ.
Качество клинкера определяет основные свойства ПЦ, добавки же, вводящиеся в цемент, лишь регулируют его свойства.
Качество клинкера зависит от его химического и минерального состава, тщательности подготовки сырьевой массы, условий проведения ее обжига и режима охлаждения.

Химический состав клинкера определяется содержанием оксидов (% по массе); главные из них:
CaO -> (63-66%), SiO2 -> (21-24%), Al2O3 -> (4-8%), Fе2O3 -> (2-4%).
В небольших количествах в виде различных соединений могут входить оксиды MgO (0,5-5%), SO3 (0,3-1%), Na2O и K2O (0,4-1%), TiO2 и Cr2O3 (0,2-0,5%), и др.
В процессе обжига, доводимого до спекания, главные оксиды образуют силикаты, алюминаты и алюмоферрит кальция в виде минералов кристаллической структуры, а некоторые из них входят в стеловидную фазу клинкера.

Основные минералы клинкера: алит, белит, трехкальциевый алюминат и целит.

Примерное содержание в клинкере, %
Алит (трехкальциевый силикат) 45-60
Белит (двухкальциевый силикат) 20-30
Трехкальциевый алюминат 4-12
Целит (четырехкальциевый алюмоферрит) 10-20
1) Алит 3CaOSiO2 (или C3S) - самый важный минерал клинкера, определяющий быстроту твердения, прочность и другие свойства портландцемента; содержится в клинкере в количестве 45-60%. Он быстро твердеет и набирает высокую прочность, интенсивно выделяет тепло. Алит представляет собой твердый раствор трехкальциевого силиката и небольшого количества (2-4%) MgO, Al2O3, P2O5, Cr2O3 и других примесей, которые могут существенно влиять на структуру и свойства минерала.

2)Белит 2СаО*SiO2 (или C2S) - второй по важности и содержанию (20-30%) силикатный минерал клинкера. Он медленно твердеет, но достигает высокой прочности при длительном твердении портландцемента; обладает малым тепловыделением. Белит в клинкере представляет собой твердый раствор бета-двухкальциевого силиката (бета-С2S) и небольшого количества (1-3%) Al2O3, Fe2O3, MgO, Cr2O3.
Содержание минералов-силикатов в клинкере портландцемента в сумме составляет около 75%, поэтому гидратация алита и белита в основном определяет технические свойства портландцемента. Остальные 25% составляет промежуточное вещество, заполняющее объем между кристаллами алита и белита. Промежуточное вещество состоит из кристаллов трехкальциевого алюмината С3А, алюмоферрита кальция C4AF, стекла и второстепенных минералов 12СаО*7Аl2O3 и др.

3) Трехкальциевый алюминат C3A содержится в клинкере в количестве 4-12% и при благоприятных условиях обжига получается в виде кубических кристаллов размером до 10-15 мкм; образует твердые растворы сложного состава. Он очень быстро гидратируется и твердеет, но имеет небольшую прочность и наибольшую интенсивность тепловыделения. Является причиной сульфатной коррозии бетона, поэтому в сульфатостойком портландцементе содержание С3А ограничено 5%.

4) Четырехкальциевый алюмоферрит C4AF в клинкере содержится в количестве 10-20%. Алюмоферритная фаза промежуточного вещества клинкера представляет собой твердый раствор алюмоферритов кальция разного состава, в клинкерах обычных портландцементов ее состав близок к 4CaO*Al2O3*Fe2O3. По скорости гидратации минерал занимает как бы промежуточное положение между алитом и белитом, поэтому он не оказывает определяющего влияния на скорость твердения и тепловыделение при гидратации портландцемента.

Производство портландцемента

Производство портландцемента включает в себя следующие основные этапы:
а) добычу в карьере и доставку на завод сырьевых материалов;
б) приготовление сырьевой смеси;
в) обжиг сырьевой смеси до спекания – получение клинкера;
г) помол клинкера с добавкой гипса – получение портландцемента.
Сырьевыми материалами для производства клинкера служат известняки с высоким содержанием СаСО3 (мел, известь, мергели и др.) и глинистые породы (глина, глинистые сланцы), содержащие SiO2, Al2O3, Fe2O3.
Примерное соотношение между карбонатной и глинистой составляющими сырьевой смеси 3 : 1 (75% известняка и 25% глины). В сырьевую смесь вводят добавки, корректирующие химический состав, регулируя температуру спекания смеси и кристаллизацию минералов клинкера.

Приготовление сырьевой смеси состоит в тонком измельчении и смешении необходимого количества компонентов. Смесь приготовляют сухим, мокрым и комбинированными способами.
Сухой способ заключается в измельчении и тщательном смешении сухих (или предварительно высушенных) сырьевых материалов, поэтому сырьевая смесь получается в виде минерального порошка, называемого сырьевой мукой.
Тонкое совместное измельчение известняка и глины осуществляют в мельницах, в которых совмещаются помол и сушка сырья до остаточной влажности 1 – 2 %. Сырьевую муку направляют в силосы, где корректируются состав сырья и создается необходимый его запас. При сухом способе производства затраты теплоты на обжиг клинкера в 1,5-2 раза меньше, чем при мокром. Этот способ наиболее выгоден при использовании сырья с невысокой влажностью (10-15%), однородного состава и структуры, когда можно получить гомогенную сырьевую муку.
Мокрый способ применяют, если сырье мягкое и имеет значительную влажность. Тонкое измельчение и смешение исходных материалов осуществляют в водной среде, поэтому сырьевая смесь получается в виде жидкотекучей массы – шлама с большим содержанием воды (35-45%). Используется способность мягких горных пород (глины и мела) легко распадаться в воде на мелкие частицы. Глину перерабатывают в водную суспензию в глиноболтушках. Известняк после дробления направляется на совместный помол с глинистым шламом в шаровую мельницу.
После мельниц известково-глиняный шлам перекачивают насосами в шлам-бассейны, где корректируется его химический состав.
Основной недостаток мокрого способа – высокая энергоемкость процесса получения клинкера.
Комбинированный способ дает возможность на 20-30% снизить расход топлива по сравнению с мокрым способом. Сущность этого способа заключается в том, что приготовленный шлам до поступления в печь обезвоживается в специальных условиях, однако, энергоемкость производства в целом остается высокой.

Обжиг сырьевой смеси как при сухом, так и при мокром способе осуществляется в основном во вращающихся печах, которые представляют собой длинный, расположенный слегка наклонно цилиндр (барабан), сваренный из листовой стали с огнеупорной футеровкой внутри. Длина печей от 95 до 230 м, диаметр 5-7 м.
Сырье, подготовленное в виде порошка (сухой способ) или шлама (мокрый способ) подается автоматическим питателем в печь со стороны ее верхнего (холодного) конца, а со стороны нижнего (горячего) конца вдувается топливо (природный газ, мазут, воздушно-угольная смесь), сгорающее в виде 20…30 метрового факела.
Сырье занимает только часть поперечного сечения печи и при ее вращении (скорость 1…2 об/мин) медленно движется к нижнему концу навстречу горячим газам, проходя различные температурные зоны.
В зависимости от характера протекающих в печи процессов ее условно можно разделить на 6 температурных зон.
1- зона испарения (зона сушки), в ней происходит высушивание сырьевой смеси при постепенном повышении температуры с 70 до 200 *С. Подсушенный материал комкуется, при перекатывании комья распадаются на более мелкие гранулы.
2- зона подогрева – здесь при постепенном нагревании сырья с 200 до 700 *С сгорают находящиеся в нем органические примеси, из глины удаляется кристаллохимическая вода (при 500 *С) и образуется безводный каолинит Al2O3*2SiO2.
Подготовительные зоны (испарения и подогрева) при мокром способе занимают 50 – 60 % длины печи, при сухом же способе подготовка сырья сокращается за счет зоны испарения.
3- зона декарбонизации (20% длины печи) – здесь температура материала поднимается с 700 до 1100 *С, завершается процесс разложения карбонатов кальция и магния с выделением большого количества СаО, что сопровождается большим поглощением теплоты. В этой же зоне происходит распад глинистых минералов на оксиды Al2O3, SiO2 и Fe2O3, которые вступают в химическое взаимодействие с СаО и в результате образуются минералы 3СаО*Al2O3 и частично 2СаО*SiO2.
4- зона экзотермических реакций (5-7 % длины печи, температура 1100 –1250*С) – в этой зоне проходят реакции образования 3СаОAl2O3, целита и белита; эти экзотермические реакции сопровождаются выделением большого количества теплоты и интенсивным повышением температуры материала.
5- зона спекания – (10-15 % длины печи), здесь при температуре с 1300*С до 1450*С образуется расплав из легкоплавких минералов, в которых растворяются белит и СаО, из которых в расплаве происходит образование алита 3СаО*SiO2, идущее почти до полного связывания СаО. При вращении печи частично расплавленный материал непрерывно перекатывается, мелкие частицы слипаются в гранулы. Понижение температуры с 1450 до 1300*С вызывает кристаллизацию 3СаО*Al2O3, целита и MgO, которая заканчивается в зоне охлаждения.
6- зона охлаждения – температура клинкера понижается с 1300 до 1000С; здесь полностью формируется его структура и состав, включающий алит, белит, C3A, C4AF, MgO (периклаз), стекловидную фазу и второстепенные составляющие.
Цементный клинкер выходит из вращающейся печи в виде мелких зерен – гранул. На выходе из печи клинкер интенсивно охлаждается воздухом с 1000 *С до 100 – 200 *С в колосниковых и др. холодильниках. После этого клинкер выдерживается на складе 1-2 недели.

Помол клинкера производится при помощи трубной мельницы, представляющей собой барабан, облицованный внутри стальными броневыми плитами и разделенный дырчатыми перегородками на 2-4 камеры.
Материал измельчается под действием загруженных в барабан стальных шаров или цилиндров.
При помоле к клинкеру добавляется гипс (так чтобы общее содержание SO3 в цементе < 3,5 %), который регулирует сроки схватывания портландцемента.

Готовый портландцемент – очень мелкий порошок темно-серого или зеленовато-серого цвета; на выходе из мельницы он имеет высокую температуру (80-120 *С) и направляется пневмотранспортом на хранение в силосы, где он выдерживается до окончательного охлаждения и гашения влагой воздуха остатков свободного СаО. Из силосов портландцемент поступает в специальный транспорт, а также на расфасовку в мешки.

Твердение портландцемента

При смешивании цемента с водой образуется цементное тесто, которое легко формируется и обладает пластичностью в течение 1-3 часов после его приготовления. Затем наступает период схватывания цементного теста, который заканчивается через 5-10 часов. При этом цементное тесто загустевает, теряет подвижность и в конце схватывания превращается в камень, но его прочность еще мала. Переход цементного теста в твердое состояние означает конец схватывания и начало собственно твердения, сопровождающееся нарастанием прочности.
Твердение при благоприятных условиях длится годами – вплоть до полной гидратации цемента.

После затворения водой частицы цемента растворяются с поверхности и одновременно начинаются химические реакции:
2(3СаО SiO2) + 6 H2O = 3СаО 2 SiO2 3 H2O + 3Са(ОН)2;
2(2СаО SiO2) + 4 H2O = 3СаО 2 SiO2 3 H2O + Са(ОН)2;
3СаО Al2O3 + 6 H2O = 3СаО Al2O3 6 H2O ;
4СаО Al2O3 Fe2O3 + (m + 6) H2O = 3CaO Al2O3 6 H2O + CaO Fe2O3 m H2O.

Взаимодействие алита с водой происходит быстро и сопровождается выделением трудно растворимого гидросиликата кальция и свободного гидроксида кальция Са(ОН)2.
Белит является менее основным, т.е. содержит меньше щелочной окиси кальция. При обычных условиях приготовления бетонов и растворов белит практически лишь гидратируется, но при автоклавной обработке он гидролизуется с выделением свободного Са(ОН)2.
В результате гидратации С3А образуется стабильная форма – шестиводный гидроалюминат, выделяющийся в виде кристаллов кубической формы. Эта химическая реакция протекает очень быстро и ведет к раннему структурообразованию в цементном тесте.
Для замедления сроков схватывания при помоле клинкера добавляется 3 – 5 % от массы цемента) природного гипса, который реагирует с С3А и связывает его в гидросульфоалюминат кальция (минерал эттрингит) в начальные сроки гидратации цемента:
3СаО Al2O3 + 3(СаSO4 2 H2O) + 26 H2O = 3СаО Al2O3 3СаSO4 32 H2O.

Процессы твердения портландцемента протекают сначала быстро, а потом замедляются. На 3-4 сутки цемент имеет 30 – 50 % марочной прочности; на 7-е сутки – 60 – 70 %, на 15-е – 85 % и на 28-е – 100%. В дальнейшем прочность продолжает нарастать и при благоприятных условиях за 2-3 года достигает 200 – 300 % марочной прочности.
Тепловлажностная обработка (пропаривание) ускоряет процессы твердения портландцемента.

Регулирование содержания в клинкере основных минералов позволяет создавать цемент со специфическими свойствами. Например, для создания быстротвердеющих цементов необходимо увеличить содержание в них С3S и С3А, а для создания цементов с малым тепловыделением (используется для массивных ГТС) содержание С3S и С3А уменьшается.

Структура цементного камня

После затвердевания цементное тесто превращается в цементный камень, который включает в себя:
1.Продукты гидратации цемента:
а) гель гидросиликата кальция и др. новообразования, обладающие свойствами коллоидов;
б) кристаллы Са(ОН)2 и эттрингита.
2.Непрореагировавшие зерна клинкера, содержание которых уменьшается по мере гидратации цемента.
3.Поры:
а) поры геля (размером менее 0,1 мкм);
б) капиллярные поры (от 0,1 до 10 мкм), расположенные между агрегатами частиц геля;
в) воздушные поры (от 50 мкм до 2 мм).
Пористость цементного камня составляет примерно 30 – 50 %.

 
Форум » Test category » Материаловедение » Портландцемент, производство, твердение (14,15,16 вопросы)
Страница 1 из 11
Поиск:

Конструктор сайтов - uCoz