Шлакопортландцемент

 

                                               Содержание

 

Введение

1. Характеристика сырья

2. Технология производства

3. Механизм гидратации и твердения

4. Свойства вяжущего

5. Применение

 Перечень использованных источников 

Перечень графического материала:

Лист 1. Технологическая схема производства

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                             Введение

Шлакопортландцемент - гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельчения портландцементного клинкера совместно с гранулированным доменным и электротермофосфорным шлаком, а также с двуводным гипсом. Для получения быстротвердеющего шлакопортландцемента порошок портландцемента иногда размалывают с гранулированным шлаком. Шлака в шлакопортландцементе должно быть не менее 21% и не более 80% по массе (ГОСТ 10178 -85). Гипс вводят в шлакопортландцемент для регулирования сроков схватывания, а также в качестве активизатора твердения шлака.

По своим физико-механическим свойствам шлакопортландцемент близок к обычному портландцементу, но выгодно отличается от него более низкой стоимостью. При прочих равных условиях стоимость его на 10 - 15% ниже стоимости портландцемента.

B зависимости от прочности на  сжатие шлакопортландцемент выпускают  четырех марок: 300, 400, 500 и 600.

Вследствие меньшего содержания гидрата окиси кальция продукты гидрации шлакопортландцемента более устойчивы, что обусловливает повышенные солестойкость и водостойкость.

Строительно-технические свойства шлакопортландцемента обусловливают и области его практического применения - те же, что и портландцемента аналогичных марок. Его целесообразно использовать для производства монолитных и сборных железобетонных конструкций и деталей, в особенности с применением тепловлажностной обработки, а также для изготовления строительных растворов. Шлакопортландцемент предназначен в основном для бетонных и железобетонных наземных, а также подземных и подводных конструкций, подвергающихся воздействию пресных, а также минерализированных вод с учетом норм агрессивности воды - среды.

Вследствие пониженного тепловыделения при твердении и малой усадки шлакопортландцемента его можно весьма эффективно применять для внутримассивного бетона гидротехнических сооружений. В силу пониженной морозостойкости шлакопортландцемента его нельзя применять для бетонных и железобетонных конструкций, подвергающихся систематическому попеременному замораживанию и оттаиванию или увлажнению и высыханию.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                      1. Характеристика сырьевых материалов

В качестве сырья используются:

Известняк.

Для производства портландцемента можно применять различные виды карбонатных пород: известняк, мел, известковый туф, известняк-ракушечник, мергелистый известняк, мергель и т.п. Углекислый кальций в известняках представлен минералом кальцитом. Кальцит имеет твердость 3. Известняки - осадочные породы. По происхождению различают известняки органогенные - продукты деятельности микроорганизмов, химические - полученные осаждением из растворов и обломочные - продукты переотложения разрушенных известковых пород. Известняки содержат примесные минералы - алюмосиликатные минералы глин, примеси кварца, халцедона, опала, окиси железа, пирита (FeS2), гипса, фосфорита (апатита), барита (BaSO4). Известняки обычно загрязнены карбонатом магния, который образует с карбонатом кальция двойную соль - доломит. Примеси в известняках находятся в виде самостоятельных соединений, и известняк представляет собою механическую смесь минералов (кроме MgCO3). При содержании глинистых минералов до 30% известняк называют глинистым, при содержании более 30% - мергелем.

По физическим свойствам различают кристаллический известняк (мрамор), плотные известняки, землисто-рыхлые известняки или мелы. Кроме того, встречаются известковый туф, известняк-ракушечник. Мрамор - плотная порода (продукт перекристаллизации известняков) с объемной массой 2650-2900 кг/м3 и прочностью 50 - 200 МПа. Плотные известняки имеют объемную массу 2200-2600 кг/м3 и прочность 8-200 МПа. Мел сложен из частиц скрытокристаллической структуры с размером частиц менее 0,1 мим.

 

 

 

 

Глинистые породы

Из глинистых пород используют обычно глину, суглинок, глинистый сланец, мергелистую глину, лесс, лессовидный суглинок. Основой глины являются водные алюмосиликатные минералы в виде тонких частиц (< 2 мкм), причем встречаются мономинеральные и полиминеральные глины. Глинистое вещество - это в основном гидроалюмосиликаты m Al2O3 * n SiO2 * p H2O, где значения коэффициентов при окислах для отдельных глинистых минералов различны. В кристаллическую решетку гидроалюмосиликатов могут также входить K, Na, Mg, Ca, Fe.

К глинистым минералам относится каолинит - слоистый минерал состава Al2O3·2SiO2·2H2O, в глинах он присутствует в виде частиц размером 0,3-0,4 мкм; монтмориллонит - слоистый минерал состава Al2O3·2SiO2·2H2O, в котором в твердом растворе находится до 5% Fe2O3, 4 - 9% MgO, до 3,5% СаО. Бентонитовые глины состоят из очень тонких частиц (~ 2·10-9 м) монтмориллонита. Гидрослюды - минералы, близкие по составу и структуре к монтмориллонитам, однако в состав последних входят щелочные ионы, содержание которых может достигнуть 4 - 10%. Аргиллиты - твердые породы, продукт дегидратации, прессования и перекристаллизации глин. Сланцы - скальная порода, продукт перекристаллизации глин. Лесс - землистая порода, сложенная из слюд, каолинита, полевых шпатов, кальцита, кварца. Суглинки - глины, содержащие значительное количество кварца (до 40%).

Глинистые породы содержат нужные для производства портландцемента кислотные окислы SiO2, Al2O3 и Fe2O3, в известняках находится основной окисел СаО. Главным признаком пригодности глины для производства портландцемента, являются значения ее силикатного и глиноземного модулей, которые определяют величину этих модулей в портландцементе, так как карбонатный компонент сырьевой смеси обычно содержит немного глинистых примесей.

Карбонатное и глинистое (алюмосиликатное) сырье должно быть возможно более однородным по составу и структуре, не содержать включений крупных зерен кварца и других обломочных пород, затрудняющих помол сырья и трудно усваиваемых в процессе обжига.

 

Доменные шлаки

Железные руды наряду с оксидами железа содержат то или иное количество примесей (кварцевый песок, глина, карбонаты кальция и магния, соединения фосфора и серы и др.), называемых в совокупности пустой породой. Некоторые из них (соединения фосфора и серы) вредно отражаются на качестве чугуна. Неорганические примеси есть и в топливе, загружаемом в домну для плавления руды. Поэтому в процессе доменного производства необходимо не только восстановить из оксидов железо, но и освободить его от примесей, вносимых с рудой и топливом.

Так как пустая порода в руде редко бывает легкоплавкой, то для ее удаления в шихту вводят специальные добавки - плавни (флюсы), способные образовывать с ней легкоплавкие соединения. В качестве плавней применяют обычно карбонатные породы - известняк, доломит и т.п.

В процессе плавки карбонаты вступают в химическое взаимодействие с компонентами пустой породы и минеральной части топлива, причем образуются легкоплавкие силикаты и алюмосиликаты кальция и магния. При 1400-1500 °С эти соединения плавятся и в виде шлакового расплава, скапливающегося вследствие меньшей плотности над слоем чугуна, выпускаются из доменной печи. При выплавке 1 т чугуна на коксе в среднем получается 0,5-0,7 т шлака.

Химический состав доменных шлаков зависит от состава руды, плавней, вида применяемого топлива и выплавляемого чугуна.

Обычно в состав доменных шлаков входят оксиды CaO, Si02, А1203, MgO, FeO и сернистые соединения CaS, MnS, FeS, а иногда Ti02 и соединения фосфора. В незначительных количествах встречаются в шлаках и другие оксиды, существенно не влияющие на их свойства. Преобладающими в доменных шлаках являются CaO, Si02, A1203 и отчасти MgO, суммарное содержание которых достигает 90-95%.

По химическому составу доменные шлаки отличаются от портландцементного клинкера лишь соотношением некоторых компонентов. Шлаки содержат повышенное количество кремнезема, частично глинозема и меньше оксида кальция.

Гипс вводят в состав портландцемента для регулирования сроков схватывания. Он замедляет начало схватывания и повышает прочность цементного камня в ранние сроки. Количество гипса в цементе нормируется по содержанию SO3. В обычных цементах оно должно быть не менее 1,0 и не более 3,5%, а в высокопрочных и быстротвердеющих - не менее 1,5 и не более 4,0%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                  2. Технология производства

В настоящее время применяют три способа подготовки сырьевой смеси из исходных материалов: мокрый (помол и смешение сырья осуществляются в водной среде), сухой (материалы измельчаются и смешиваются в сухом виде) и комбинированный.

Каждый из этих способов имеет свои положительные и отрицательные стороны. В водной среде облегчается измельчение материалов, при их совместном помоле быстро достигается высокая однородность смеси, но расход топлива на обжиг сырьевой смеси при мокром способе в 1,5-2 раза больше, чем при сухом. Кроме того, значительно возрастают размеры обычных вращающихся печей при обжиге в них мокрой сырьевой смеси, так как эти тепловые агрегаты в значительной мере выполняют функции испарителей воды.

Сухой способ, несмотря на его технико-экономические преимущества по сравнению с мокрым, длительное время ограниченно применялся вследствие пониженного качества получаемого клинкера. Однако успехи в технике тонкого измельчения и гомогенизации сухих смесей обеспечили возможность получения высококачественных портландцементов и по сухому способу. Это предопределило рост производства цемента по этому способу.

Сущность комбинированного способа заключается в том, что сырьевую смесь готовят по мокрому способу, затем шлам обезвоживается на пресс-фильтрах, просушивается, гранулируется и направляется в печь, при этом влажность гранул 16-20%. Комбинированный способ по ряду данных почти на 20-30% снижает расход топлива по сравнению с мокрым способом, но при этом возрастают трудоемкость производства и расход электроэнергии.

При производстве портландцемента мокрым способом применяют следующую технологическую схему. Поступающий из карьера твердый известняк с размерами кусков до 1 м подвергается одно-, двух- или трехстадийному дроблению в дробилках с доведением кусков до 8-10 мм. Поступающую из карьера мягкую глину с размерами кусков до 500 мм измельчают в вальцовых дробилках до кусков размером 0-100 мм, а затем отмучивают в болтушках. Получаемый глиняный шлам с влажностью 60-70% подают в сырьевую мельницу, где он размалывается совместно с раздробленным известняком.

Полученный шлам, влажность которого находится в пределах 32-40%, центробежными насосами транспортируется в вертикальные шламовые бассейны, где он корректируется. Это необходимо для того, чтобы обеспечить постоянство заданного заводской лабораторией химического состава шлама. Откорректированный шлам поступает из вертикальных бассейнов в горизонтальные, где и хранится до подачи в печь для обжига. В вертикальных бассейнах шлам перемешивается сжатым воздухом, а в горизонтальных - механическим путем и сжатым воздухом. Перемешивание предотвращает возможность осаждения шлама и позволяет достичь полной его гомогенизации. При использовании сырьевых компонентов, имеющих постоянный химический состав, корректирование шлама производят не в вертикальных, а непосредственно в горизонтальных бассейнах большой емкости. Обжиг шлама на клинкер осуществляется во вращающихся печах. Они представляют собой стальной барабан, который состоит из обечаек, соединенных методом сварки или клепки, и имеет внутреннюю футеровку из огнеупорного материала. Профиль печей может быть как строго цилиндрическим, так и сложным с расширенными зонами. Расширение определенной зоны производят для увеличения продолжительности пребывания в ней обжигаемого материала.

Печь, установленная под углом 3…4 к горизонту, имеет частоту вращения 0,5…1,5 мин-1. Вращающиеся печи в основном работают по принципу противотока. Вращающуюся печь можно разделить на 5 рабочих зон:

Зона испарения - Сырье поступает в печь с верхнего (холодного) конца, а со стороны нижнего (горячего) конца вдувается топливно-воздушная смесь, сгорающая на протяжении 20…30 м длины печи. Горячие газы, перемещаясь со скоростью 2…13 м/с навстречу материалу, сначала подогревают его до 100 С, а в конце он приобретает температуру 200С. В начале шлам разжижается, затем комкуется. Печи оснащены цепными завесами засчет чего материал налипает на звенья, подсыхает и распадается на гранулы. Длительность пребывания материала в печи зависит от ее частоты вращения и угла наклона, составляя, например, в печи размером 5 * 185 м около 2 ч.

Зона подогрева - здесь материал нагревается до температуры 500С-600С. На этом этапе выгорают органические примеси и начинаются реакции. Происходит дегидратация глиняных минералов и образование оксидов алюминия, кремния и железа, начинается частичное разложение карбонатов с образованием СаО и МgО.

Зона кальценирования - здесь протекает реакция разложения карбоната Са при температуре 900С -1200С.

СаО+СО2

Мощные вентиляторы удаляют СО2 из зоны обжига. На этом этапе начинают образовываться соединения типа СаО*Аl2О3, появляется небольшое количество белита 2СаО*SiO2, оксиды СаО, Fe2O3, SiO2 находятся в активном состоянии.

Зона экзотермических реакций - реакции происходят при температуре 1200С - 1300С и с выделением тепла 100 ккал. В этой зоне происходит образование двухкальциевого силиката (белита) 2СаО*SiO2, однокальциевый алюминат насыщается известью до образования трехкальциевого алюмината 3СаО* Аl2О3, образуется четырехкальциевый алюмоферрит (целит) 4СаО*Аl2О3*, Fe2O3. В большом количестве содержится свободная известь. Образование минералов происходит в твердо-фазовом состоянии.

Зона спекания (зона усвоения извести) - при температуре 1300С - 1450С происходит частичное плавление материала с образованием жидкой фазы. Чтобы поучить качественный клинкер материал должен находиться в зоне определенное время 6-30 мин (время зависит от размера гранул). За это время 3СаО* Аl2О3 и 4СаО*Аl2О3*Fe2O переходит в расплав 2СаО*SiO2. В результате происходит взаимодействие белита 2СаО*SiO2 с СаО и образуется алит 3СаО*SiO2. Процесс его образования постепенно замедляется и известь нацело практически не связывается. Содержание свободных оксидов кальция около 1%, т. к. будет иметь место запоздалая гидратация обожжённой извести, при которой цемент характеризуется неравномерным изменением объёма.

Зона охлаждения- с температурой 1100С - 1200С клинкер выходит из печи, после чего сразу попадает в холодильник. В холодильнике клинкер подвергается резкому охлаждению для: