Портландцемент. Сырье и условия получения. Способы производства цемента

Портландцементом называют гидравлическое вяжу­щее вещество, в составе которого преобладают силикаты кальция (70-80 %). Портландцемент - продукт тонкого измельчения клинкера с добавкой (3-5 %) гипса. Клинкер представляет собой зернистый материал (в виде порошка или гранул), полученный обжигом до спекания (при 1450^оС) сырьевой смеси, состоящей в основном из карбоната кальция (различных видов известняков) и алю­мосиликатов (глин, мергеля, доменного шлака и др.).

Основные свойства портландцемента обусловливаются составом клинкера. Качество клинкера определяет все свойства портланд­цемента; добавки же, вводимые в цемент, лишь регули­рует его свойства. Качество клинкера зависит от его хи­мического и минерального состава, тщательности подготовки сырьевой массы, условий проведения ее обжига и режима охлаждения.

Сырье для получения портландцемента. В качестве сырья иногда используют природные горные породы - мергели. В них содержатся необходимые для производства портландцементов количества каронатных (75... 78 %) и глинистых пород (25... 22 %). В большинстве случаев необходимое сочетание пород получается искусственным путем. В этом случае в качестве карбонатных пород используются известняки, мел, известковые ракушечники; в качестве глинистых - глины, глинистые сланцы, лёссы, доменные шлаки; кроме того, в состав сырьевой смеси вводятся различные корректирующие добавки, например гипс. Гипс необходим для регулирования сроков схватывания. С увеличением количества гипса увеличиваются (замедляются) сроки схватывания. Однако максимальное количество вводимого гипса регламентируется химическим составом портландцемента.

Производство портландцемента. Производство портландцемента состоит из следующих процессов: добычи сырья и доставки его на завод; подготовки сырья и смеси; обжига смеси - получения клинкера; измельчения клинкера с добавками - получения цемента.

По характеру подготовки сырья и приготовления смеси различают мокрый и сухой способы изготовления цемента.

При мокром способе сырье дробят и размалывают без дополнительной подсушки. Весьма часто помол осуществляют с добавлением воды, глину размешивают в специальных емкостях - болтушках. Смесь готовят тщательным перемешиванием жидких молотых смесей в шламбассейнах. В этом случае подготовленная смесь - цементный шлам - содержит до 40 % и более воды.

При сухом способе тонкое измельчение исходного сырья - помол - осуществляют в сухом состоянии. Тщательное смешивание производят в специальных смесителях. В строительстве наиболее распространен мокрый способ, при котором удается достичь хорошей гомогенности сырьевой смеси, что в конечном итоге обусловливает получение цемента с более высокими и стабильными качествами. В связи с созданием оборудования, обеспечивающего хорошую гомогенизацию в смеси тонкомолотых порошков, сухой способ как более экономичный (не требующий теплоты на испарение воды) и, следовательно, перспективный находит все большее применение.

21. Обжиг клинкера. Химический и минералогический состав клинкера

Химический состав клинкера определяется содержа­нием оксидов (% по массе), причем главных из них: СаО 63- 66, SiQ₂ 21-24, А120₃ 4-8, Fe₂0₃ 2-4; их сум­марное количество составляет 95-97 %. В небольших количествах в виде различных соединений могут входить MgO, S0₃, Na₂О и К₂О, а также ТiO₂, Сг₂0₃, Р₂О₅. В про­цессе обжига, доводимого до спекания, главные оксиды образуют силикаты, алюминаты, алюмоферрит кальция в виде минералов кристаллической структуры, а некото­рые из них входят в стекловидную фазу.

Минеральный состав клинкера. Основные минералы клинекера: алит, белит, трехкальциевый алюминат и алюмоферрит кальция.

Алит 3CaO-Si0₂ (или C₃S*) - самый важный мине­рал клинкера, определяющий быстроту твердения, проч­ность и другие свойства портландцемента; содержится в клинкере в количестве 45-60 °С. Алит представляет со­бой твердый раствор трехкальциевого силиката и неболь­шого количества (2-4 %) MgO, А1₂0₃, Р₂0₅, Сг₂0₃ и других примесей, которые могут существенно влиять на структуру и свойства.

Белит 2CaO-Si0₂ (или C₂S) - второй по важности и содержанию (20-30%) силикатный минерал клинкера. Он медленно твердеет, но достигает высокой прочности при длительном твердении портландцемента. В интервале между нормальной температурой и 1500 °С существу _ет пять кристаллических форм двухкальциевого сили­ката. Белит в клинкере пред­ставляет собой твердый рас­твор В -двухкальциевого си­ликата (В -C₂S) и небольшого количества (1-3%) А1₂0₃, Fe₂0₃, MgO, Сг₂0₃.

Обжиг смеси производится во вращающихся печах, представляющих собой металлические цилиндры, обложенные внутри огнеупорной футеровкой. Печь укладывают на специальные катки с небольшим уклоном к поверхности земли, за счет чего по мере вращения сырьевая смесь продвигается по печи от приподнятого конца к опущенному. Длина печи достигает 180 м, а иногда доходит до 250 м, диаметр - до 6 м. По мере продвижения смесь подсушивается, скатывается в шарики и под действием высокой температуры (1450... 1500 °С) спекается в гранулы размером 5... 20 мм и более. Затем гранулы охлаждаются сначала в печи, в зоне охлаждения, впоследствии - в специальных устройствах - холодильниках.

Существует и достаточно прогрессивный способ обжига клинкера. В печи силикатный расплав заменен расплавом на основе хлористого кальция. Существенно снижается температура обжига (1100... 1150 °С), в 3...4 раза облегчается помол, но в цементе появляется минерал - алинит, содержащий алюмохлоридсиликат кальция. Этот цемент быстрее твердеет в начальные сроки.

Остывший клинкер подвергают размолу чаще всего в шаровых мельницах, представляющих собой металлические цилиндры диаметром до 3,5 и длиной до 15... 20 м, которые выложены изнутри бронированными плитами. Мельницы имеют 2... 3 камеры, отделенные друг от друга металлическими перегородками с отверстиями для прохождения размалываемого материала.

Размол клинкера и постепенное продвижение размалываемого материала обеспечиваются при вращении за счет наклона мельницы. По выходе из шаровой мельницы портландцемент подают на склад в силосы, где он остывает и выдерживается некоторое время, достаточное для стабилизации.