Вяжущие вещества

1. Введение

Слово "цемент" относится  к собирательным понятиям — он объединяет различные виды вяжущих  материалов, полученных путем обжига некоторых горных пород и подвергнутых измельчению. Вяжущими их назвали за способность соединять (связывать) в единое целое как отдельные  частицы мелких наполнителей, так  и более крупные фрагменты.

В распоряжении древних прорабов пирамид, мавзолеев и прочих циклопических  построек были только строительный гипс да воздушная известь, получаемые в  результате обжигания гипсового  камня и известняка. На протяжении нескольких тысячелетий бетоны и  растворы на их основе были единственно  известными вяжущими материалами (не считая глины), а кизяк да птичьи яйца —  первыми модифицирующими добавками. Огромный купол «Всем-богам-храма» (древнего римского Пантеона: 43 метра в пролете); растянувшаяся на 5000 км самая большая ограда в мире — Великая Китайская стена; бетонная галерея легендарного лабиринта в древнем Египте; массивные культовые сооружения индусов — все эти строительные шедевры создавались путем использования «прабабушек» и «прадедушек» современных цементов. Шло время, и уже другие вяжущие материалы, получаемые искусственным путем и способные при затворении (замешивании) водой превращаться в пластичную массу, отвердевая при этом не только на воздухе, но и в водной стихии, были созданы пытливыми умами человечества.

Цемент не является природным  материалом. Его изготовление - процесс  дорогостоящий и энергоемкий, однако результат стоит того - на выходе получают один из самых популярных строительных материалов, который используется как самостоятельно, так и в  качестве составляющего компонента других строительных материалов (например, бетона и железобетона).

Отечественная цементная  промышленность практически начала создаваться после окончания  Великой Отечественной войны. Необходимость  восстановления народного хозяйства потребовала организации многотоннажного производства цемента в короткие сроки. Темпы прироста производства цемента за 1946—1950 гг. составили 40,6 %. Цементные заводы бывшего СССР восстанавливались и строились при использовании мокрого способа производства, т. к. в послевоенные годы технология сухого способа производства цемента еще только зарождалась. Основными печными агрегатами были вращающиеся печи размерами 3,6X150 и 4,0X150 м производительностью 550—600 т. кл./сут. За короткие сроки эти печи были установлены на таких заводах как Белгородский, Коркинский, Карагандинский, Себряковский, «Пролетарий», «Октябрь», Ангарский, Николаевский, «Пунане Кунда», Карадагский, Чимкентский и др.

В середине 50-х годов была разработана печь мокрого способа  производства 4,5X170 м производительностью 1200 т.кл./сут. Эта печь стала основным технологическим агрегатом при  строительстве новых и расширении действующих производств.

В качестве более высокопроизводительных агрегатов мокрого способа производства клинкера были разработаны вращающиеся  печи 5X185 и 5,6X185 м производительностью, соответственно, 1730 и 1820 тонн клинкера в сутки. В 1972 г. на Балаклейском цементном  заводе (Украина) была установлена самая  большая печь мокрого способа  производства 7X230 м производительностью 3000 тонн клинкера в сутки.

Развитие сухого способа  производства клинкера в России началось с реконструкции Спасского завода, на котором четыре вращающиеся печи 3,6X52,0 м и одна печь 3,6X59 м реконструированы путем установки запечных теплообменников. Производительность печей возросла до 23—25 т/ч, резко снизился расход топлива.

Далее, были разработаны  и установлены печи размером 4,0X60 м с запечными теплообменными устройствами. Однако доля сухого способа  производства цемента в СССР составляла все еще менее 10%.

Положение несколько улучшилось после разработки и пуска в  эксплуатацию технологических линий  сухого способа производства с печами размерами 7,0/6,4X95 м и запечной системой циклонных теплообменников. Эти  технологические линии построены  с учетом опыта проектирования и  эксплуатации заводов сухого способа  производства зарубежных фирм.

В 1986 г. на Криворожском цементном  заводе была введена в эксплуатацию печь сухого способа производства 4,5X80 м с запечной системой циклонных  теплообменников и декарбонизатором фирмы «Онода» (Япония). Производительность такой печи составляет 122—125 т кл./ч.

Технологические линии с  печью 4,5X80 м с циклонными теплообменниками и декарбонизатором стали, как правило, основным решением при реконструкции  и строительстве новых цементных  заводов.

В целях отработки технологии полумокрого способа производства цемента на Себряковском заводе была запроектирована и построена  экспериментальная технологическая  линия с подготовкой сырьевого  шлама по мокрому способу и  последующей его фильтрацией  с целью снижения влажности и  расхода тепла. Здесь была пущена в эксплуатацию вращающаяся печь 5,0X125 м, оборудованная двухступенчатым  циклонным теплообменником и  сушилкой-дробилкой, в которую направляется полученный на камерных прессфильтрах  кек с влажностью 19—20 %.

Основной тенденцией технического развития цементной промышленности является модернизация производства за счет внедрения сухого способа и уменьшения доли мокрого способа. Эту тенденцию подтверждает также опыт мировой цементной промышленности по внедрению печных систем с реакторами-декарбонизаторами различных типов, которыми оснащаются новые, расширяемые и реконструируемые цементные заводы.

Доля выпуска цемента  по сухому способу составляет в Японии, Испании и Германии — 100% Италии — 96%, США — более 60%, в странах Европы 75-4-97%.

В ближайшее десятилетие  трудно ожидать появления каких-либо принципиально новых способов обжига клинкера. Дальнейшее развитие получит существующая технология с применением декарбонизаторов с максимальной степенью декарбонизации материала, что позволит уменьшить геометрические размеры вращающихся печей, сочетаемых с декарбонизаторами, а также понизить содержание закиси азота в отходящих от печного агрегата газах.

Будет иметь место также  увеличение единичных мощностей  основного технологического оборудования и интенсификация систем дробления, гомогенизации и помола.

Однако не следует ожидать  применения печных агрегатов производительностью  более 5000-4-6000 т/с, т. к. чрезмерная концентрация производства цемента на одном предприятии может привести к увеличению дальности перевозок цемента и не позволит оперативно удовлетворять меняющиеся требования к ассортименту, кроме того простой такого агрегата будет приводить к большим потерям клинкера.

 

2. Характеристика  продукции.

Портландцементом называется гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного тонкого измельчения  клинкера и необходимого количества гипса.

Клинкер получают в результате обжига до спекания сырьевой смеси, состоящей  из известняка и глины, взятых в определенном соотношении. Клинкер является важнейшим  компонентом портландцемента. От его качества зависят основные свойства портландцемента: прочность и скорость ее нарастания во времени, сопротивление действию агрессивных сред. Знание состава клинкера позволяет в значительной степени предопределить качество портландцемента как вяжущего вещества. Изменяя состав клинкера, можно получать портландцементы с определенными физическими и механическими свойствами.

Добавка гипса (СаО₄ • 2Н₂О) необходима для замедления сроков схватывания портландцемента, так как измельченный клинкер после затворения водой схватывается (загустевает) в течение нескольких минут. Это затрудняет изготовление изделий и конструкций на таком быстросхватывающемся цементе. Гипс вводится в портландцемент с таким расчетом, чтобы общее содержание ангидрида серной кислоты SО₃ в портландцементе было не менее 1,5 и не более 3,5% по весу. Более высокое содержание SО₃ может вызвать разрушение конструкций, изготовленных из такого портландцемента.

Для улучшения строительных свойств портландцемента при  помоле смеси клинкера с гипсом в  нее вводят активные минеральные  добавки. Они повышают плотность, водостойкость  и солестойкость затвердевшего  портландцемента (цементного камня).

При твердении портландцемента  происходит выделение гидрата окиси  кальция Са (ОН)₂ в свободном состоянии. Это вещество, имея относительно высокую растворимость, может вымываться из цементного камня, понижая этим его прочность и долговечность в водных условиях. В воздушно-сухих условиях в результате выщелачивания Са (ОН)₂ на поверхности изделия появляются белые пятна, которые портят его внешний вид.

Гидравлические добавки  взаимодействуют с гидратом окиси  кальция, образуя нерастворимое  в воде соединение - гидросиликат кальция, и этим предотвращают вымывание  Са (ОН)₂ из отвердевшего цемента.

Содержание активных минеральных  добавок в обыкновенном портландцементе  не должно превышать 15% по весу. Если гидравлические добавки вводятся в количестве, большем  чем 15%, то портландцемент приобретает  дополнительное название в зависимости  от вида добавки, а именно при введении природных добавок (трепела, диатомита, опоки и др.) - пуццолановый портландцемент, при использовании доменных гранулированных  шлаков - шлакопортландцемент. Эти цементы  обладают очень высокой водостойкостью и поэтому особенно ценны для  гидротехнических сооружений, однако они твердеют медленнее портландцемента  и имеют несколько пониженную прочность в ранние сроки твердения.

Клинкер представляет собой  очень твердые спекшиеся зерна. Поэтому для его измельчения  требуются значительные затраты  энергии. Чтобы облегчить помол  клинкера, в помольный агрегат  вводят добавки - интенсификаторы помола - уголь, сажу, три-этаноламин и др. Содержание этих добавок в цементе не должно превышать 1% от веса цемента.

Таким образом, портландцемент по своему составу представляет сложную  тщательно перемешанную однородную смесь измельченного клинкера, гипса, активных минеральных (гидравлических) добавок и интенсификаторов помола.

Сырьем для производства портландцементного клинкера служат природные  карбонатные (известняки, мел, мергели, известковые туфы и др.) и глинистые (глины, суглинки, лёсс, глинистые сланцы) породы, а также промышленные отходы и попутные продукты других отраслей (доменные шлаки, топливные золы, шлаки  ТЭС, нефелиновые шламы и др.).

Для приготовления сырьевой смеси заданного химического  состава используются различные  корректирующие добавки: железосодержащие (железные руды, пиритные (колчеданные) огарки, колошниковая пыль и др.), кремнеземсодержащие (трепелы, опоки, диатомиты, кварцевый  песок, маршалит) и глиноземсодержащие (высокоглиноземистые глины, бокситы).

Оценка пригодности горных пород в качестве цементного сырья  производится по химическому составу  и по физико-механическим свойствам (влажности, прочности, пластичности, размо-лоспособности, гранулометрическому составу, липкости, способности к размучиванию в  воде, фильтруемости (для шламов) и  др. свойствам).

К химическому составу  карбонатных пород предъявляются  следующие требования: содержание СаО  не менее 43,5%, содержание SiO₂, А1₂О₃, Fe₂O₃ должно обеспечивать необходимые значения коэффициента насыщения, силикатного и глиноземного модулей, ограничивается предельное содержание примесных оксидов MgO, SО₃ и SiO₂ (Na₂O и К₂О) и иона хлора, а также ТiO₂ и P₂O₅. В глинистых породах содержание СаО не регламентируется, а содержание других оксидов должно находиться в пределах, обеспечивающих получение сырьевой смеси и клинкера, отвечающих по химическому составу требованиям обеспечивающих выпуск цемента в соответствии с ГОСТ 10178— 85.

 

3.Технологическая  часть.

Качество цементного клинкера может быть охарактеризовано:

- содержанием отдельных  окислов (химическим составом);

- численными значениями  модулей, выражающих соотношения  между количествами главнейших  окисло, взятыми в процентах;

- микроструктурой клинкера, размерами и конфигурацией кристаллов  минералов;

- содержанием основных  клинкерных минералов.

Характеристика клинкера по численным значениям модулей  дается на основании сведений о процентном содержании главных окислов в  составе клинкера.

Первоначально для характеристики состава клинкера пользовались одним  гидравлическим модулем (иначе называемым основным). Он выражает отношение количества связанной окиси кальция к  количеству кислотных окислов

ОМ(m)=

Значение основного модуля ОМ, обозначаемого также буквой m, у современных цементных клинкеров колеблется в пределах 1,7—2,4. Однако характеристика качества клинкера только по показателю гидравлического модуля оказалась недостаточной, что потребовало введения еще двух модулей - силикатного и глиноземного.

Силикатный или кремнеземный модуль СМ (или n) показывает отношение между количеством кремнезема, вступившего в реакцию с другими окислами, и суммарным содержанием в клинкере глинозема и окиси железа

СМ(n) =

СМ определяет в цементе  отношение между минералами-силикатами и минералами-плавнями (алюмоферритной и алюминатной составляющими  клинкера). Его численное значение для обычного портландцемента колеблется в пределах 1,7—3,5, а для сульфатостойкого повышается до 4 и более.

Глиноземный или алюминатный  модуль ГМ (или р) представляет собой  отношение содержания (%) глинозема  к содержанию (%) окиси железа: