Главная » Книжные издания

1 2 3 4 ... 16

производство цемента

В книге даны общие сведения о портландцементе и сырьевых материалах для его производства. Описаны принципиальные технологические схемы производства портландцемента (мокрый, сухой и комбинированный способы) .

Подробно рассмотрено технологическое и транспортное оборудование цементных заводов, его конструкция, технологические параметры работы, обслуживание, контроль производственных процессов и правила техники безопасности при производстве цемента.

Пособие отражает водросы дальнейшего развития и совершенствования технологии цементного производства.

Книга предназначена в качестве учебного пособия для подготовки рабочих различных специальностей на заводах по производству портландцемента. Она может быть использована рабочими промышленности строительных материалов для повышения квалификации.

Отзывы о книге и пожелания просим направлять по адресу: Москва, К-51, Неглинная ул., 29/14, издательство Высшая школа .

Развитие народного хозяйства определяется в первую очередь ростом капитального строительства и реконструкцией старых предприятий, систем транспорта и связи, строительством жилых и общественных зданий. Все это требует большого количества строительных материалов, от качества и эффективности которых во многом зависят сохранность и стоимость зданий и сооружений.

Среди разнообразия строительных материалов особую популярность приобрел бетон. Благодаря высоким техническим свойствам и экономическим показателям он признан одним из самых эффективных материалов. Сейчас нет ни одной области строительной техники, где бы ни применялся бетон в чистом виде или в сочетании со сталью - в виде железобетона.

Бетон представляет собой искусственный каменный материал, получаемый нз вяжущего вещества, воды и заполнителей - песка и гравия или щебия. Вяжущее вещество в бетоне скрепляет зерна заполнителей в прочный монолит. Естественно, что от качества вяжущего как смрепляющего материала в основном зависят важнейшие технические свойства бетона, его црочяость и долговечность.

В качестве вяжущих веществ для приготовления бетонов в основном при-, меняют цементы; в отдельных случаях используют и другие вяжущие - гипс, известь.

Строительными вяжущими веществами называются тонкоизмельченные порошки, способные с водой образовывать пластичное, клейкое тесто, посте-neimo загустевающее и переходящее в камнеподобное состояние.

Номенклатура вяжущих веществ весьма разйообразна; имеются вяжущие воздушные, которые могут твердеть только на воздухе, такие, как воздушная известь, гипс и другие; гидравлические, затвердевающие не только на воздухе, но и в воде - например портландцементы, пуццолановые и шлаковые цементы.

Все строительные вяжущие вещества являются искусственными материалами. Технологический процесс их получения складывается из двух основных операций - обжига горной породы и измельчения обожженого продукта.

Считают, что первыми вяжущими были гипс и воздушная известь; люди научились их получать 4000-5000 лет тому назад.

Низкая температура обжига гипса (в пределах 80-150° С) сделала возможным обжиг гипсосодержащих пород в природных условиях в районах жаркого климата при выходе залежей гипсового камня на поверхность. Одним из таких районов был древний египетский город Алабастрон, от которого и произошло первое название строительного гипса - алебастр.

Для обжига воздушной извести требуется более высокая температура (около 1000 С). Однако достигнуть ее можно при обжиге на кострах или в кучах, складываемых послойно из известняка и дров. Обоженные куски извест-

3-1-9 24-67

няка хотя и обладают значительной тфочностью, но имеют замечательное свойство превращаться в тончайший порошок при соприкосновении с водой.

Высокая клеящая способность известкового теста позволила приготовлять мэввопковые смеси с большим количеством паска, ватвврдевающпе в прочный каменный материал. Это вызвало поистине техническую .революцию на заре развития строительной техники. Интерес к воз.душной извести был настолько значителен, что древние философы посвящали ей свои произведения.

В период Римской империи, примерно 2000 лет назад, было открыто еще одно замечательное свойство извести. Если к ней добавить в измельченном виде некоторые вещества, полученная смесь приобретает способность затвердевать не только в сухих условиях, но и в воде. Эти вещества получили вначале название пуццолановых добавок по имени города Поццуолли в Италии, где имеются большие залежи пуццоланы - вулканического пепла. Затем эти добавки назвали активными минеральными, или гидравлическими.

В России в качестве активных минеральных добавок, придающих воздушной извести опособность твердеть в воде, применяли толченый кирпич (цемян-ку), пемзу, туф. По архивным данным, первый завод в России, изготовлявший водостойкие вяжущие (цемент), находился в Москве. На нем толкли кирпич (цемянку), смешивали ее с известью и получали цемент.

Цементное производство в России существовало еще в конце XVII века. Оно полностью обеспечивало широко развернувшееся гидротехническое строительство при Петре I.

Следующим более совершенным гидравлическим вяжущим явилась гидравлическая известь (начало XVIII в.). Было замечено, что известняки, содержащие глинистые примеси, после обжига медленно гасятся *, но приобретают способность затвердевать в воде.

В конце XVIH века, намереваясь получить гидравлическую известь из глиняных почек (известняков с большим содержанием глины, называемых мергелями), обнаружили, что продукт обжига не гасится водой, но, будучи измельчен', способен быстро затвердевать как на воздухе, так и в воде. Этот вид новогобяжущего, названный романцементом, быстро и широко вошел в строительную практику и до второй половины XIX века являлся основным видом гидравлического вяжущего вещества для наиболее ответственных гидротехнических сооружений.

Стремление получить еще более совершенный вид гидравлического вяжущего привело Е. Челиева к весьма важному открытию: при обжиге смеси извести и глины до белого жару (температура свыше 1100-1200° С) получался спекшийся (частично сплавленный) продукт, обладавший в измельченном виде способностью твердеть -вхулв. В 1826 г. Е. Челиев в MoiawBe выщустил книгу, в (которой 1обобЩ|йл опыт, (Накопленный (русскими строителями по получвиию и Щ)1И1МвнеН'Ию этого мате!риала.

В Англии в этом направлении работал Д. Аспдин. В 1824 г. он взял патент иа Усовершенствованный способ производства искусственного камня .

* Гашением извести называется процесс химического взаимодействия ее с водой, в результате которого куски негашеной извести разрушаются на мельчайшие частички.

Из-за сходства С портландским камнем, добываемым вблизи г. Портленда, этот искусственный камень был назван портландцементом.

После 20-30 лет широкого применения портландцемента в гидротехническом строительстве было установлено, что стойкость его в водных условиях в ряде случаев далеко не достаточна: многие гидротехнические сооружения были разрушены или находились в аварийном состоянии. Для повышения стойкости портландцемеитного бетона в водных условиях было предложено вводить в портландцемент гидравлические (пуццолановые) добавки и доменные шлаки. Этим были заложены основы производства новых видов вяжущих- пуццоланового и шлакового портландцемента. В изобретении и совершенствовании этих цементов большая заслуга принадлежит русским ученым проф. А. Р. Шуляченко, акад. А. А. Байкоау, ороф. В. Н. Юнгу и многим другим.

Первый завод портландцемента в России был построен в 1856 г. в г. Грод-зеце. Затем появились заводы в Глухоозерске, Подольске, Новороссийске, Вольске и других городах. Для измельчения сырья и клинкера на первых заводах применяли толчеи, бегуны, жернова. Обжигали сырьевые материалы в 1?емеханизированных шахтных печах.

С конца XIX века стали применять более совершенные помольные аппараты - однокамерные шаровые мельницы, а с первого десятилетия текущего столетия в цементном производстве появляются трубные многокамерные шаровые мельницы.

Примерно с 1900 г. для обжига стали применять вращающиеся печи. Длина печей была 25 м, диаметр 1,8 м, производительность около 30 т в сутки.

За годы Советской власти цементные заводы оснащены высокопроизводительным отечественным оборудованием. Например, в 1928 г. среднечасовая производительность вращающихся печей составляла всего 5 г и наиболее крупной - 7,2 т, а сейчас часовая производительность печей длиной 160 м составляет 25 т, а на некоторых заводах вошли в эксплуатацию вращающиеся печи длиной 185 ж, производительностью 80 т в час, что позволяет выпускать до 2000 г клинкера в сутки. Только одна такая печь выпускает цемента почти в 10 раз больше, чем вся цементная промышленность выпустила в течение 1920 г.

В настоящее время цементная промышленность - одна из ведущих высокомеханизированных отраслей нашего народного хозяйства. Большие успехи достигнуты в области повышения производительности труда. В царской России выработка на одного рабочего, занятого в цементной промышленности, составляла около 100-200 т цемента в год. а в настоящее время равна около 1000 т. В ближайшие годы имеется в виду поднять выработку одного рабочего до 2000 т и более цемента в год.

По уровню выпуска всех основных строительных материалов в 1965 г. СССР прочно занимает первое место в мире, а по выпуску вяжущих веществ Советский Союз еще в 1962 г. обогнал самые развитые капиталистические страны, в том числе и США. В 1965 г. в СССР выпущено 72,4 млн. т цемента.

Наряду с увеличением выпуска цемента совершенствуется и его качество, расширяется номенклатура. В 1940 г. средняя прочность цемента составила около 250 кгс/сл2, а в 1965 г. она достигла 500 кгс/см.

Программой КПСС, принятой иа ХХП съезде, поставлена основная задача - создать к 1980 г. материальио-техиическую базу коммунизма. Это в первую очередь связано с капитальным строительством и требует все более возрастающего количества цемента. Пятилетний план на 1966-1970 гг. предусматривает довести выработку цемента до 100-105 силн. т в год.

Такой скачок развития цементной промышленности реализуется за счет строительства новых и реконструкции действующих предприятий, оснащения их высокопроизводительными агрегатами с широким применением автоматического удравления технологическим процессом. Эти мероприятия способствуют не только увеличению вьшуска цемента, но и оуществеино повышают его качество, снижают стоимость и затраты труда на его изготовление.

Весьма важная роль в выполнении поставленных задач по развитию цементной промышленности принадлежит производственным кадрам. Чтобы успешно управлять сложными технологическими агрегатами, вести технологический процесс по заданному режиму и получать дешевую продукцию высокого качества, рабочие должны постоянно повышать свою квалификацию. Для подготовки на производстве рабочих и предназначено данное пособие.

ГЛАВА I.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОРТЛАНДЦЕМЕНТЕ

§ 1. ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ И ЕГО СОСТАВ

Портландцементом называется продукт тонкого измельчения клинкера, получаемого обжигом до спекания смеси известняка и глины, с небольшой добавкой гипса.

Для улучшения строительных свойств портландцемента к клинкеру при его ПОмоле добавляют гипс и активные минеральные добавки, называемые также гидравлическими.

Важнейшим компонентом является клинкер. От его качества зависят основные свойства портландцемента-прочность и скорость ее нарастания, сопротивление действию агрессивных сред. Знание качественной характеристики клинкера позволяет в значительной степени .предопределить качество портландцемента как строительного вяжущего вещества и получить портландцементы определенных физических и механических свойств путем изменения состава клинкера.

Добавка гипса 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 быстрбсхватывающемся цементе. Количество гипса вводится .в портландцемент с таким-расчетом, чтобы общее содержание ангидрида серной кислоты SO3 в портландцементе было не менее 1,6 и не более 3,5% по весу. Более высокое содержание SO3 может вызвать разрушение конструкций на таком портландцементе.

Активные минеральные добавки- повышают стойкость портландцемента в водных условиях. При твердении портландцемента проис.кодит выделение гидрата окиси кальция Са;(ОН)2 в свободном состоянии. Это вещество, имея относительно высокую растворимость, может вымываться из отвердевшего цемента - цементного камня, понижая этим его .прочность и долговечность в водных условиях. После высыхания на поверхности изделия появляются белые пятна, которые портят его внешний вид.

Гидравлические добавки взаимодействуют с гидратом окиси кальция, образуя нерастворимое соединение - гидросиликаг кальция (см. стр. 19), и этим предупреждается вымывание Са (ОН) 2 из отвердевшего цемента. >

Содержание активных минеральных добавок в обыкновенном портланддементе не должно превышать 15% по весу.

Если гидравлической добавки содержится более .15%, портландцемент приобретает дополнительное название в зависимости от вида добавки, а именно при введении природных добавок (трепела, диатомита, опоки и др.) - пуццолановый .портландцемент, а при использовании доменных гранулированных шлаков- шлакопортланд.цемент. Эти цементы обла,дают очень высокой водостойкостью и особенно ценны поэтому для гидротехнических сооружений однако они твердеют медленнее портландцемента и имеют несколько пониженную прочность.

Применение .гидравлических добавок имеет также экономическое .значение: они снижают стоимость портландцемента будучи значительно дешевле клинкера.

Клинкер представляет собой спекшиеся очень твердые зерна. Поэтому для лзмельчения клинкера требуются значительные затраты энергии. Чтобы облегчить помол клинкера, к нему добавляют интенсифйкаторы помола - уголь, сажу. Их содержание в цементе не должно превышать I % по весу.

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

§ 2. СОСТАВ КЛИНКЕРА И ЕГО ОЦЕНКА

Качество клинкера зависит от его Х|Имическо.го и минералогического составов.

Химический состав характеризуется содержанием в клинкере различных окислов. Минералогический состав - теми веществами (минералами), которые образуются из этих окислов в процессе обжига.

iB .практике цементного производства пользуются также третьим показателем оценки качества клинкера: соотношением между основными окислами, позволяюЩИм регулировать и заранее рассчитывать минералогический состав клинкера, зная химический состав исходных сырьевых материалов.

Химический состав клинкера

Сырьевыми материалами для производства портландцемеитного клинкера чаще всего служат горные породы - глина и известняк, содержащие углекислый кальций.

Глина состоит из различных .веществ, образовавшихся в основном из трех окислов: ЗЮг-двуокиси кремния (кремнезема), АЬОз - окиси алюминия ((глинозема) и РсгОз -окиси железа.

Углекислый кальций СаСОз может быть .представлен двумя окислами СаО и СОг.

При обжиге клинкера глинистые вещества и углекислый кальций разлагаются. Газообразные продукты, в частности СОг и вода, удаляются, а оставшиеся четыре твердых окисла: СаО, Si02, AI2O3 и РегОз образуют при спекании основные минералы цементного клинкера.

Процентное содержание основных окислов в клинкере обыкновенного портландцемента находится в следующих пределах:

СаО-60-67%

ЗЮг-19-25%

А120з-4-8%

РегОз-2-6%.

Наряду с основными окислами в клинкере могут присутствовать и другие, например окись магния MgO, окислы щелочных металлов Na, КгО, ангидрид серной кислоты SO3 я другие, как-то: двуокись титана ТЮг, фосфорный ангидрид Р2О5, окись .марганца МП2О3. Эти окислы в той или иной степени влияютТ1а качество цемента.

Минералогический состав клинкера

Четыре основных окисла СаО, ЗЮг, А10з и РегОз в'клинке-ре не находятся в свободном состоянии. При обжиге они взаимодействуют между собой, образуя различные минералы, которые в основном определяют -важнейшие .строительные свойства портландцемента.

Важнейшим'и минералами яортландцементного клинкера являются:

трехкальциевый силикат .(алит) -ЗСаО 8Ю2(Сз5) *; двухкальциевый силикат :(белит) -i2CaO 5Юй(С25); трехкальциевый алюминат - ЗСаО А120з;(СзА); четырехкальциевый алюмоферрит - 4 СаО AI2O3 РсгОз (c4af).

Процентное содержание основных минералов в клинкере обыкновенного портландцемента находится .в следующих пределах:

ЗСаО-8102-42-65% 2Ca0.Si02-15 - 50%

* В скобках приведены сокращенные обозначения клинкерных минералов, гринятые в технической литературе. Буквы показывают, из каких окислов состоит минерал, индекс 2, 3, 4 обозначает количество молекул данного окисла, входящих в состав данного минерала.

ЗСаО-А120з-2-

4СаО AI2O3. FegOg -10 - 25 %

Их cyMiMapHoe количество составляет 95-98%. Оставшаяся часть Приходится на свободные окислы или другие малозначимые для портландцемента минералы. Алита и белита в клинкере содержится 70-вО%.

Минералогический состав клинкера положен в основу разделения портландцементов на следующие виды:

высокоалитовый портландцемент, содержание в котором трехкальциевого силиката превышает 60%;

а л и т о в ы й портландцемент, содержащий трехкальциевого силиката 60-60%;

i6 е л и т о в ы й портландцемент, содержащий двухкальциево-го силиката более 35%.

В зависимости от содержания алю.минатов цементы разделяют на низкоалюминатные (СзА до 5 %), среди е-алюминатные О^зА 5-9%) и высокоалюминатные (СзА более 9%).

А л ю м оф е р ,р и т н ы й портландцемент содержит четырех-кальциевого алюмоферрита (C4AF) больше 18% или СзА<27о.

iB клинкере иногда может присутствовать в повышенном количестве одновременно два минерала. Такой портландцемент приобретает двойное название: алито-алюминатный, белито-алюминатный и т. д.

Знание процентного содержания в клинкере важнейших минералов позволяет с достаточной степенью точности предположить некоторые качества портландцемента - скорость нарастания его прочности, влияние условий твердения на прочность, стойкость в пресных и минерализованных водах, экзотермич-ность, т. е. количество тепла, выделяемого при твердении, и др.

Исходя из знания свойств отдельных минералов и эксплуатационных условий, в которых будет находиться бетон, можно подбирать цемент соответствующего минералогического состава.

Наряду с указанными выше минералами в клинкере могут присутствовать в свободном виде окись кальция и окись магния, существенно влияющие на качество портландцемента, если их содержание оказывается выше определенных пределов.

iB производственных условиях трудно добиться полного связывания окиси кальция в виде основных клинкерных минералов. При высоком содержании свободной СаО в портландцементе она отрицательно влияет на его свойства, вызывая растрескивание затвердевшего цементного камня. Вредное действие свободной окиси кальция объясняется тем, что гашение СаО, т. е. взаимодействие ее с водой, сопровождается увеличением в объеме; скорость гашения при этом зависит от температуры обжига. Известь, образовавшаяся при температуре обжига до 1000-

1100°С, гасится быстро, нос повышением температуры скорость гашения извести замедляется, а при температуре обжига клинкера (около 11500°С) она оказывается весьма медленно гасящимся веществом. Гашение ее не успевает законч1Иться до схватывания (начала твердения) цемента, продолжается в отвердевшем цементном ка.мне и .разрывает его.

Содержание свободной извести в портландцементе зависит от совершенства технологического процесса. Современная технология обеспечивает выпуск клинкера с минимальным количеством свободной извести (до 1%).

При высоком содержании свободной извести в клинкере его подвер,гают магазинированию - вылеживанию на открытом воздухе в целях гашения извести влагой, содержащейся ,в воздухе. Иногда клинкер дополнительно обрызгивают водой.

Механизм действия свободной окиси магния в твердеющем портландцементе аналогичен действию свободной СаО. При обжиге клинкера магнезия MgO образуется в виде вещества, весьма медленно .гасящегося (значительно медленнее СаО), что приводит к растрескиванию затвердевших бетонов.

Для предупреждения .разрушения цементного камня от действия свободной окиси магния содержание MgO в обычном клинкере ограничивается 5%.

С повышением температуры твердения цемента .гашение MgO происходит значительно быстрее. Это свойство окиси магния используют в лабораторной практике для установления степени вредного влияния ее на цемент, подвергая его .испытанию на равномерность изменения объема в автоклаве при давлении пара 20 ат, температура .пара при этом превышает 260°С. Автоклавное испытание цемента на равномерность изменения в объеме при твердении производится в том случае, когда содержание MgO в клинкере более 5%.

Модули клинкера и коэффициент насыщения

Определение процентного содержания в клинкере отдельных минералов производят .прямым методом - петрографическим и рентгенографическим анализами и косвенным - расчетным.

В заводской практике наиболее часто применяют расчетный метод, поэтому рассмотрим его более подробно. Для определения минералогического состава клинкера .расчетным методом необходимо знать процентное содержание основных клинкеро-образующих окислов. Соотношение между основными окислами выражается двумя модулями и коэффициентом насыщения. Эти величины практически остаются одинаковыми и для клинкера и для сырьевой смеси.. Поэтому, зная модули и коэффициент насыщения, можно не только определить минералогический состав готового клинкера, но н подобрать клинкер, обладающий нуж-

ными качествами. Последнее обстоятельство имеет особенно большое практическое значение, так как позволяет подбором химического состава сырья регулировать минералогический состав клинкера.

В современной .практике пользуются двумя модулями-силикатным и глиноземным.

Силикатный (кремнеземный) модуль (п) показывает отношение в клинкере двуокиси кремния к окислам алюминия и железа:

5А120з-Ь 4Fe20з

Для обыкновенных портландцементов величина силикатного модуля находится в пределах от 11,7 до 3,5.

Высокий силикатный модуль показывает, что в клинкере относительно много силикатов кальция - ЗСаО-5102 и 2CaO-Si02, но мало алюминатных соединений - вСаО-АЬОз 4СаО-А120з-Ре20з.

Глиноземный (алюминатный) модуль (р) показывает отношение глинозема (окиси алюминия) к содержанию окиси железа:

%А120з

%Ре20з

Величина глиноземного модуля для обыкновенных портландцементов равна от 1 до 2,5.

При высоком глиноземном модуле клинкер отличается повышенным содержанием ЗСаО-АЬОз, но в нем Относительно мало 4СаО'А120з-Ре5(Оз. Если же глиноземный модуль мал, т. е. много РегОз, то значительная часть глинозема связана в виде С4АР, несмотря на то, что содержание окиои алюминия в клинкере может .быть высоким. .При значительном содержании окиси железа в процессе обжига сначала получается С4АР, а затем оставшийся глинозем образует С3А.

Цементы с высоким глиноземным модулем .вначале твердеют очень быстро, но, достигнув определенной прочности, больше ее уже не повышают.

Коэффициент насыщения (КН) является наиболее важной характеристикой портландцемеитного клинкера. Коэффициент насыщения выражается .следующей формулой:

(СаОобщ - СаОсв)-(1.65А120з + О.ЗБРеаОз + 0,75Оз)

2,8(Si02o6m-Si02cB)

В формуле КН указано процентное содержание окислов. При этом разности (СаОобщ - СаОсв) и (ЗЮгобщ - 5Ю2св)-12

между общим и свободным содержанием этих окислов показывают их связанное количество в клинкере.

Сущность формулы коэ(ффициента насыщения и ее построения заключается в следующем. Она показывает отношение количества СаО, оставшейся после насыщения окисн алюминия до трехкальциевого алюмината, окиси железа -до однокаль-циевого феррита* .и ангидрида серной кислоты - до сернокислого кальция, к тому количеству извести, которое требуется для насыщения кремнезема известью до трехкальциевого силиката.

В процессе о'бжига клинкера при избытке извести процесс образования C2S, СзА и C4AF протекает до начала образования трехкальциевого силиката. При более высокой температуре (свыше ,1.300°С) и при наличии жидкой фазы образуется трехкальциевый силикат за счет присоединения одной молекулы СаО двухкальциевым силикатом. Таким образом, .при производстве портландцемеитного клинкера основная задача -это перевести двухкальциевый силикат в трехкальциевый силикат и получить в кл.инкере требуемое количество трехкальциевого силиката, но в клинкере при этом не должно оставаться свободной извести, т. е. количество взятой СаО должно соответствовать тому ее количеству, котор.ое необходимо для получения C3S; С3А и С4АР. Для определения необходимого количества извести и пользуются коэффициентом насыщения.

Расчет минералогического состава клинкера

Определение минералогического состава клинкера расчетом производится по следующим формулам:

ЗСаО SlO2=4,07 (СаОобщ - СаОсв) - [7,6 (8102общ - SiOzcb) + .-Ь6,7А1А + 1,42Ре20з] , 2СаО-5Ю2=8,6(5Ю2общ-51О2св)+5,07А12Оз-Ь -f 1,07Ре2Оз - 3,07 (СаОобщ - СаОсв) ЗСаО А120з=2,65 (AI2O3 - 0,64Ре2Оз) 4СаО AI2O3 РбгОз^ 3,04Ре2Оз.

Расчет сырьевой смеси клинкера

Расчет состава сырьевой смеси клинкера заключается в определении соотношения между исходными сырьевыми материалами, которое обеспечивает получение клинкера заданного минералогического состава. Эта задача решается .расчетными

* Здесь принято условие, что четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО* АЬОз РегОз может быть представлен как сумма двух веществ: трехкальциевого алюмината ЗСаО - АЬОз и однокальциевого феррита СаО - РегОз.

или графическими методами (при помощи заранее разработанных диаграмм); в современной заводской практике расчетные методы получили основное применение.

Существуют различные методы расчета сырьевой смеси клинкера; однако сущность большинства их заключается в определении того максимального количества СаО, которое может химически связаться с кислотными окислами при обжиге клинкера, образуя клинкерные минералы.

Рассмотрим один из расчетных методов, разработанный отечественными учеными и хорошо подтверждающийся практикой.

В зависимости от числа разновидностей материалов (компонентов), применяемых для составления сырьевой смеси требуемого химического состава, различают сырьевую смесь двух-. компонентную, трехкомпонентную и четырехкомпонентную.

При использовании для обжига клинкера твердого топлива расчет смеси не зависимо от числа исходных компонентов производят с учетом или без учета присадки к клинкеру эолы топлива. Присадку золы учитывают в случае использования топлива высокой зольности, например горючих сланцев, бурых углей, а также проектируя состав клинкера с высоким коэффициентом насыщения-быстротвердеющих, высокопрочных цементов.

Рассмотрим пример расчета двухкомпонентной сырьевой смеси .(смеси с большим количеством комионентов рассчитывают аналогично). Расчет двухкомпонентной сырьевой смеси без учета присадки золы топлива производят по заданной величине коэффициента насыщения и при известном химическом составе каждого компонента (известняка и глины). Состав смеси характеризуется количеством весовых частей одного из компонентов, приходящихся на одну весовую часть другого компонента, так, если x вес. ч. первого ком.понента, приходится на 1 вес. ч. второго компонента, то потребное содержание основных окислов в двухкомпонентной сырьевой смеси может быть выражено следующими уравнениями:

JtSi + S2

где Со, So, Ао и Fo - потребное процентное содержание основных окислов (СаО; ЗГОг; AI2O3 и РегОз) в сырьевой смеси, обеспечивающее получение клинкера с заданным коэффициентом насыщения.

Начальные буквы основных окислов со значком 1 и 2 показывают их процентное содержание соответственно в первом или втором компоненте.

Для определения величины х значения Со, So, Ао и Fo подставляют в формулу коэффициента насыщения:

Со-(1.65Ао + 0,35Fo)

КН =-

2.8S0

и решают относительно х, получая путем соответствующих преобразований расчетную формулу, устанавливающую, какое количество весовых частей первого компонента (х) требуется взять на 1 вес. ч. второго компонента, чтобы получить клинкер с заданным коэффициентом насыщения;

2,8S2-KH + 1,65А2 + О.ЗбРа - Са Ci - 2,8Si-KH - l,65Ai - 0,35Fi

Приме p. Рассчитать двухкомпонентную сырьевую смесь, в которой - 1-й компонент изтестняк и 2-й компонент глина: хи.м.и,ческий состав компонентов в % следующий:

наимеиоваиие	сао	sioz		гегоа		потери при прокаливании	сумма
Известняк Глина	53,48 2.34	1.92 64,79	1.03 14,45	0,63 7,43	- 1,69 6,23	41.25 4,76	100,0 100.0

Коэфф'ициент насыщения прииимается 0,90. (При данном xMMiHMecKOiM составе HSBecTiHHKia и глииы соотношение их \(зС) в сырьевой омеси должно быть равно:

2,8-64.79-0,90-Ь 1,65-14,45 -Ь 0,35-7,43 - 2,34 53,48 - 2,8-1,92-0,90-1,65-1,03 - 0,35-0,63 ~ 187,16 3,89

48,18

Для расчета сырьевой смеси принимается упрощенная формула КН, так как не известно, какое количество СаО, БЮг и SO3 останется в клинкере в свободном состоянии; SO3 частично выгорает.

Следовательно, на каждую весовую часть глины потребуется взять 3,89 вес. ч. известняка. В процентном вьрраокении это составит: известняка - 79,Э57о, глииы - 20,05%. Химический состав сырьевой смеси и клинкера при таком соотношении исходных компонентов будет следующий.

Химический .состав сырьевой юмеси и клинкера в %:

компоненты на 100 вес. ч.	сао	sio2		регоз		потери при прокаливании	сумма
Известняк...... Глина ........ Сырьевая смесь .... Клинкер ; ......	42,63 0,46 43,09 65.46	1.54 13,02 14,56 22,11	0,82 2,91 3,73 5,54	0,51 1,47 1,98 3,01	1,33 1,23 2.56 3,80	33,12 0,96 34,08	79,95 20,05 100,00 100,00

Химический состав клинкера при известном химическом составе сырьевой смеси рассчитывают умножением процентного содержания каждого окисла в смеси на коэффициент К, равный для данного примера:

где К - коэффициент, который показывает, па сколько увеличится относительное содержание твердых окислов в сырьевой смеси после ее прокаливания, т. е. после удаления газообразных продуктов, потери при прокаливании (П.П.П.);

34.08 - потери при прокаливании смеси.

Для проверки правильности произведенного расчета двухкомпоиентной сырьевой смеси вычисляют коэффициент насыщения. Он должен быть равен заданному, т. е. 0,90, принятому в данном примере:

65,46 -(1,65-5,54 + 0,35-3,01) 55,3

2.8-22,11 - 61,90

Полученная величина коэффициента насыщения отличается от заданного всего на 0,64% и находится в допустимых пределах отклонения, что неизбежно имеет место при округлении чисел.

§ 3. ПРОЦЕССЫ ТВЕРДЕНИЯ ПОРТЛАДЦЕМЕНТА

Глубокое понимание свойств .портландцемента и требований, предъявляемых к нему, а также проектирование и выбор клинкера определенного минералогического .состава возможны только при знании процессов, протекающих при формировании прочного цементного камня .из цементного порошка.

Цемент, затворенный .водой и тщательно перемешанный, образует пластичное, липкое .цементное тесто. Это тесто постепенно загустевает переходит в камнеподобное состояние. Превращение порошка .цемента в цементный камень .с постепенным переходом через стадию образования пластичного .цементного теста определяется физико-химическими процессами, происходящими между щементом .и водой.

(Клинкерные минералы, входящие .в состав цементного зерна, при соприкосновении последнего с водой начинают растворяться и химически взаимодействовать с ней-гидратироваться *, образуя гидраты:

ЗСаО S1O2 + ( -Ь1) НаО 2СаО S1O2 raHgO -f Са (0Н)2 2СаО -5102 + Н2О 2СаО SiOa Н^О ЗСаО AI2O3 + 6Н2ОЗСаО AI2O3 - 6Н2О 4СаО AI2O3 РезОз+(р -f 6) Н2О ЗСаО AI2O3 6Н2О + -f СаО-РегОз-рНгО *

* Гидратацией называется химическая реакция присоединения воды к веществу. Различают также реакции гидролиза, при которых сложное вещество под действием воды разлагается на менее сложные. В данном случае C2S н СзА гидратируют, а C3S и C4AF подвергаются гидролизу. В дальнейшем два этих типа реакций будем условно называть гидратацией.

Так как цемент затворяется ограниченным количеством воды, то в результате растворения клинкерных минераЛ'ОВ раствор в цементном тесте быстро становится насыщенным. Дальнейшая их гидратация вызывает пересыщение раствора, так как растворимость гидратов значительно меньше растворимости клинкерных минералов. Пересыщенные растворы в обычных условиях существовать не могут, из них начинает выпадать растворенное вещество в виде мельчайших частиц, в данном случае гидратов клинкерных минералов. Эти частицы обладают клеящей способностью, которая передается цементному тесту. В результате оно хорошо прилипает к различным телам и склеивает их.

Вследствие поглощения воды клинкерными минералами на гидратацию содержание свободной воды в .цементном тесте уменьшается, что повышает концентрацию гидратов и вызывает их слипание. При этом цементное тесто начинает загустевать (упрочняться), теряя клеящую способность и пластичные свойства. Период, в течение которого цементное тесто начинает приобретать некоторую .прочность, называют временем схватывания; в зависимости от величины этой прочности различают начало и конец схватывания цементного теста. .В конце схватывания оно теряет пластичность.

Дальнейшее приобретение прочности цементным камнем определяется более глубокими процессами уплотнения гидратиро-ванных масс клинкерных минералов и частичным переходом последних в кристаллическое состояние. Образующиеся при этом кристаллические сростки пронизывают цементный камень во всех направлениях и как бы армируют его, обеспечивая высокую прочность.

Скорость твердения цемента, таким образом, будет зависеть , от скорости растворения клинкерных минералов, накопления гидратов, .последующего их уплотнения и кри.сталл.изации.

Скорость растворения минерал.ов различна. Быстрее .всех . растворяется трехкальциевый алюминат; затем следует четырехкальциевый алюмоферрит и трехкальциевый силикат и значительно медленнее других растворяется двухкальциевый силикат. Если учесть, что клинкер в основно.м составляют силикаты кальция, тогда как алюминаты содержатся в сравнительно небольшом количестве, то становится очевидным, что цементы с высоким содержанием трехкальциевого силиката твердеют значительно быстрее цементов с высоким содержанием двухкаль-циевого силиката.

Скорость растворения цементного порошка и всех последующих процессов твердения цемента зависит также от тонкости помола цемента. Чем мельче зерна, тем большей оказывает.ся Их поверхность в одном и том же количестве цемента, в результате улучшаются условия взаимодействия цемента с водой. .По

Для определения активности цемента сначала приготовляют цементный раствор определенной консистенции, затем из него изготовляют образцы, выдерживают их 28 суток в стандартных условиях и испытывают на прочность.

Цементный р-аствор приготовляют в соответствии с ГОСТ 310-60 (методы испытания цемента) следующим образом. Отвешивают 500 г цемента и 1500 г песка. Песок для испытания цементов применяется нормальный Вольский (ГОСТ 6139-52), характеризующийся определенной крупностью зерен (от 0,5 до 0,85 Л1Л1) и высоким содержанием двуокиси кремния (не менее 96%).

Цемент и иесок высыпают в сферическую чашку и тщательно перемешивают лопаточкой в течение 1 мин. Затем в центре сухой смеси делают углубление и вливают в него воду в количестве 40% от веса цемента (водоцементное отношение равно 0,4), т. е. 200 мл. .После того как вода впитается, смесь еще раз перемешивают вручную в течение 1 мин, а затем в стандартной механической мешалке в течение 2,5 мин (20 оборотов чаши).

По окончании перемешивания определяют консистенцию раствора. Для этого пользуются встряхивающим столиком с установленной на нем формой-конусом высотой 60 мм и диаметром оснований 1100 и 70 мм.

Для определения консистенции .раствора форму-конус заполняют растворной смесью в два приема. .Первый слой штыкуют 15 раз, второй-10. Излишек раствора срезают ножом и форму-конус поднимают строго вертикально. Полученный конус раствора встряхивают на столике 30 раз и измеряют расплыв конуса по нижнему основанию в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Консистенция раствора считается но.рмаль-ной, если расплыв конуса оказывается равным 105-1110 мм. При меньшем расплыве конуса раствор приготовляют заново с несколько большим количеством воды.

От величины .водоцементного отношения зависит пористость цементного камня. На химическую реакцию цемент поглощает строго определенное количество воды, .примерно 16-20% ог своего веса. Вода, введенная в раствор сверх этого количества, испаряется и образует в .цементном камне поры, снижающие его прочность. Чем выше В/Ц, тем больше будет пористость цементного камня и ниже его прочность. Однако .прочность цементных образцов зависит также от степени их уплотнения. А чем пластичнее смесь, тем легче и лучше она уплотняется при .формовании образцов. Продолжительность и усилие уплотнения раствора принимаются во всех случаях строго постоянными (одинаковое число встряхиваний), .поэтому для получения равной степени уплотнения необходимо применять смесь одной и той же кон-

систенции, при В/Ц близком к 0,40, что и предусматривает стандарт.

Для изготовления образцов применяют металлические разъемные трехгнездные формы. Уплотняют раствор вибрацией на виброплощадке.

.При испытаниях цемента необходимо особое внимание обращать на услов1ИЯ твердения. Это требование определяется тем, что на лроцессы твердения цемента температура и влажность среды оказывают серьезное влияние: с повышением температуры твердение ускоряется; недостаточная влажность так же, как и низкая температура, может привести к замедлению или к полному прекращению твердения. Поэтому для получения сравнимых результатов независимо от места и времени испытания .цемента стандарт устанавливает определенные требования в отношении условий твердения цемента.

Отформованные образцы вместе с формой помещают в ванну с гидравлическим затвором при относительной влажности среды около ;100% и температуре 20±2°С и хранят в течение 24+2 ч. Затем образцы расформовывают и укладывают в бассейн с водой в горизонтальном положении, раздельно друг от друга. .Воду в бассейне нужно менять через каждые 14 суток.

По истечении срока хранения образцы вынимают из воды, насухо вытирают .и не позднее чем через 10 мин подвергают испытанию.

Для определения марки цемента образцы испытывают в возрасте 28 суток с момента .их изготовления, подвергая каждую балочку разрушению изгибающей нагрузкой, а затем каждую из полученных половинок балочек испытывают на сжатие.

По величине предела прочности при изгибе и сжатии образцов в возрасте 28 суток устанавливают марку цемента. При этом пределы прочности при изгибе и сжатии для каждой м.арки цементов должны быть не ниже, приведенных в табл. 1.

ГОСТ 970-61 предусматривает отличные по величине марки цемента. Марка обозначается по пределу прочности при сжатии через 28 суток твердения трамбованных образцов (кубов 70,7X Х70,7Х'70,7 мм), изготовленных из раствора жесткой консистенции с нормальным песком состава 1 :3 (по весу). По этому ГОСТ принято пять марок: 300, 400, 500, 600, и 700. Более высокие значения марок объясняются более энергичным уплотнением образцов трамбованием и низким водоцементным отношением в пределах 0,28-0,32 и менее.

Такая величина водоцементного отношения и способ изготовления образцов (трамбованием) по существу не отвечали условиям применения цемента в рабочих бетонных смесях и наиболее распространенному способу их уплотнения (вибрацией). Водоцементное отношение рабочих бетонных смесей всегда превышает нормальную густоту цементного теста,. исходя из

Таблица 1

Пределы прочности прн изгибе и сжатнн для портландцементов различных

марок

Наименование портландцементов	Предел прочности при изгибе кгс!см- не менее для цементов марок					Предел прочности при сжатии кгс'см не менее для цементов марок
Портландцемент, плас-
тифицированный и гидро-
фобный портландцементы
Сульфатостойкий порт-
ландцемент и с умерен-
ной экзотермией .....
Шлакопортландцемепт
и пуццолановый порт-
ландцемент .......
Сульфатостойкий пуц-
цолановый портландце-
мент ...........

условий их удобоукладываемости при виброуплотнении. В заводских условиях производства сборных железобетонных изделий В/Ц обычно равно 0,4-€,5, снижаясь в отдельных случаях до 035; бетонная смесь для монолитных конструкций имеет более высокую величину водоцементного отношения, достигающую иногда до 0,7-€,75.

Определение активности цемента в пластичных oi6pia3iuax с водоцементным отношением не менее 0,4 ближе отвечает условиям использования .цемента в бетонах. Это значительно упрощает проектирование состава бетона заданной прочности.

Таковы в общих чертах основные причины отказ.а от многолетней методики определения активности цемента на образцах из раствора жесткой консистенции и перехода на испытание в пластических растворах.

Величина отношения активности цемента, полученной в пластичных растворах ?пласт и жестких растворах жестк, в среднем составляет для портландцементов 0,80, а для пуццолановых портландцементов и шлакопортландцементов 0,70. Так, например, портландцемент марки 500, определенной в жестких рас-створах, покажет марку 400 (500-0,8) по новому методу испытания в пластических растворах.

Сроки схватывания портландцемента

Сроки схватывания портландцемента определяют на тесте нормальной густоты, т. е. определенной консистенции. Норм1аль-

пая .густота цементного теста характеризуется количеством воды (от веса цемента), потребной для получения теста стандартной консистенции.

Нормальную густоту цементного теста определяют при помощи прибора Вика. Он состоит из стержня, вертикально перемещающегося в направляющих и заканчивающегося металлическим .цилиндриком (пестик Тетмайера) диаметром 10 мм, длиной 50 мм. Вес стержня с пестиком должен быть равен 300±2г.

Тщательно перемешанное цементное тесто укладывают в металлическое или эбонитовое кольцо, установленное на стеклянную пластинку.

Кольцо с тестом устанавливают в приборе по центру с пестиком и доводят пестик до поверхности теста. Затем стержень с закрепленным в нем пестиком освобождают, и он под действием собственного веса начинает погружаться в .цементное тесто. За нормальную густоту цементного теста принимается такая, при которой пестик не доходит до дна кольца на 57 мм.

При определении сроков схватывания отвешивают 400 г цемента, затворяют его водой в количестве, соответствующем нормальной густоте, и перемешивают.

Сроки схв1атывания определяют также при помощи прибора Вика, но при этом пестик заменяют иглой диаметром 1,1 мм, длиной 50 мм. Для того чтобы вес подвижной части прибора при за.мене пестика иглой сохранялся постоянным и равным 300 г, на стержень устанавливает добавочный, груз весом 27,6 г. Тщательно перемешанное тесто укладывают в кольцо прибора, как указано в предыдущем опыте. Затем острие иглы доводят до соприкосновения с поверхностью теста, стержень освобождают и игла под весом стержня погружается в тесто.

Началом схватывания цементного теста считается время, прошедшее от начала затворения .цемента водой до того момента, когда игла не будет доходить до дна кольца на ;1-2 мм, а концом схватывания считается время от начала затворения цемента до момента, когда игла будет погружаться в тесто не более чем на 1 мм. Портландцемент должен иметь: начало схватывания не ранее 46 мин; конец схватыв1ания не позднее 12 ч.

Равномерность изменения объема портландцемента при твердении

Наличие в портландцементе свободной извести и окиси магния может повлечь образование трещин и искривление цементных образцов, что принято называть неравномерностью изменения объе.ма при твердении. Причиной этого является, как отмечалось, увеличение объема Са.О и MgO .при их взаимодействии

1 2 3 4 ... 16