Технологическая линия по производству общестроительных портландцементов

      Нормальная густота (водопотребность).

Водопотребность цемента определяется количеством воды (в % от массы цемента), которое необходимо для получения цементного теста нормальной густоты. Нормальной густотой цементного теста считаю такую его подвижность, при которой цилиндр-пестик прибора Вика, погруженный в кольцо, заполненное тестом, не доходит на 5-7 мм до пластинки, на которой установлено кольцо.

      Сроки схватывания.

По ГОСТ 10178-76 начало схватывания цемента должно наступать не ранее чем

через 45 мин, а конец — не позднее чем через 10 ч с момента затворения. Если размолоть клинкер без добавки и затворить его водой, он схватится почти мгновенно. Для регулирования сроков схватывания в цемент вводят гипсовый камень, который, взаимодействуя с гидроалюминатами, дает высоко­сульфатную форму гидросульфоалюмината. Через 3-6 ч эти экранирующие пленки разрушаются и начи­нается дальнейшее взаимодействие цемента с водой и нарастание прочности.               В цементах без добавки гипса взаимодействие с водой на­чинается сразу, образуется особенно много гидроалюминатов кальция, вызывающих схватывание системы.

      Активность и марка портландцемента.

Активность и марку определяют испытанием стандартных образцов-балочек размером 4х4х16 см, изготовленных из цементно-песчаной растворной смеси состава 1:3 (по массе) и В/Ц = 0,4 при консистенции раствора по расплыву конуса 106 – 115 мм. Через 28 сут твердения (первые сутки образцы твердеют в формах во влажном воздухе, а затем 27 сут – в воде комнатной температуры), образцы-балочки сначала испытывают на изгиб, затем получившиеся половинки балочек – на сжатие.

Предложены методы определения активности цемента ускоренными методами с пропариванием образцов. Такие методы дают возможность судить о марке цемента уже через 16—38 ч после изготов­ления.

      Прочность цемента

Ценность цемента как строительного материала определяется, в первую очередь, его механической прочностью в за­твердевшем виде. Прочность — это результат когезии частичек цемента между собой и адгезии их к заполнителю. Так как цемент применяется в основном в бетонах и растворах, стандарты всех стран предусматри­вают испытания  растворных образцов.

При производстве БТЦ сырьевые смеси готовят с по­вышенным по сравнению с обычным портландцементом коэффициентом насыщения кремнезема оксидом каль­ция (КН= 0,9...0,92), их более тонко измельчают и тща­тельно гомогенизируют.

Повышенная прочность быстротвердеющего цемента в первые сроки твердения в значительной мере обуслов­лена не только минеральным составом, но и тонкостью измельчения цемента. Быстротвердеющий цемент разма­лывают до удельной поверхности 3500—4000 см2/г (вмес­то 2800—3000 см,2/г для обычного портландцемента).

По свойствам быстротвердеющий портландцемент от­личается от обычного прежде всего более интенсивным твердением в первые 3 сут. Интенсивное твердение це­мента в первые сроки возможно при достаточном коли­честве в нем зерен клинкера тонких фракций (0-20 мкм). Суточная прочность цемента в основном зависит от содержания зерен клинкера размером менее 10 мкм, а 3-суточная - до 30 мкм. Процентное содержание указан­ных фракций клинкера в цементе определяет примерно ожидаемую его 1- и 3-суточную прочность. Через 3 сут твердения в нормальных условиях проч­ность БТЦ обычно достигает 60 - 70 % марочной. В по­следующие сроки твердения интенсивность нарастания прочности замедляется и через 28 сут. и более прочност­ные показатели быстротвердеющего цемента становятся такими же, как и у обычных высококачественных ПЦ. По ГОСТ 10178—85 предел прочности БТЦ при испытании балочек из малопла­стичных растворов через 3 сут должен быть при изгибе не менее 4 и 4,5, а при сжатии не менее 25 и 28 МПа со­ответственно для марок 400 и 500.

Таблица 9

      Равномерность изменения объема

Вяжущие вещества, в том числе и цементы, при твердении должны характеризоваться равномерностью изменения объема. Цементы с неравномерным изменения объема приводят не только к снижению прочности бетонов при их твердении, но даже к их разрушению.   Неравномерность изменения объема цементов может быть вызвана: гидратацией СаОсвоб при содержании его в клинкере более 1,5—2%; гидратацией MgOсвоб., при­сутствующего в клинкере в виде высокотемпературной медленно гасящейся формы - периклаза; образованием в твердеющем цементе трехсульфатной формы гидросульфоалюмината кальция при повышенном содержании в клинкере С3А и при избыточном введении гипса в порт­ландцемент при его помоле.

Содержание СаОсвоб в цементе стандартом не регла­ментировано. При избыточном    его количестве отрица­тельное влияние легко определяется по   поведению це­ментных образцов-лепешек  (диаметр 7-8 см, толщина в середине около 1 см) при их нагревании в кипящей во­де в течение 3 ч. Испытание проводится через 1 сут. пос­ле изготовления образцов. Отсутствие на лепешках ра­диальных, доходящих до краев трещин или сетки мелких    трещин, видимых невооруженным глазом или в лупу, а   также искривлений и увеличения объема - свидетельство равномерного изменения объема цемента.

Вспомогательными характеристиками цемента являются: [3]

      Плотность и объемная масса.

              Плотность портландцемента обычно колеблется в пределах 3,0—3,2 г/см3. Она зависит от минералогического состава клинкера и вида гидравлической добавки.

Плотность играет, важную роль  в цементе, применяемом для тампонирования нефтяных и газовых скважин, возведения защитных устройств от радиоактивного излучения. Для её повышения в составе клинкера должно быть больше алюмоферритов (плотность C4AF - 3,77, а плотность С2S — 3,28 г/см3). Иногда для  таких цементов изготовляют специальные клинкера с до­бавкой ВаО, который реагирует с кремнеземом, образуя 2ВаО*SiO2 (плотность — 5,4   г/см3),   обладающий   гидравлическими   свойствами.

Истинная плотность ПЦ (без минеральных добавок) колеб­лется в пределах 3,05-3,15 г/см3. Плотность в рыхло насыпном состоянии 1100 кг/м3, а в уплотненном - 1600 кг/м3.

По сравнению с другими вяжущими материалами цемент обладает наиболее низкой водопотребностью. Нормальная густота цементного теста, определенная по ГОСТ 310.3-76, составляет 24 - 28 %, тогда как нормальная густота гипсового теста колеблется в пределах 50 - 70 %.

      Тепловыделение.

Гидратация цемента сопровождается определен­ным тепловым эффектом, величина которого зависит от структуры, минералогического состава цемента, тонкости помола, содержания гипса, активных и инертных добавок. Установлено, что наибольшее количество теплоты выделяется при гидратации С3А, наименьшее — при гидратации C2S. Теплота гидратации цемента несколько отличается от теплоты гидратации клинкерных минералов. Это связано прежде всего с тем, что трехкальциевый алю­минат в цементе вступает во взаимодействие с гипсом, и теплота образо­вания эттрингита значительно выше, чем гидроалюминатов. Влияет на теплоту гидратации также степень кристаллизации.

Примерное тепловыделение в разные сроки твердения цемента можно подсчитать по коэффициентам, характеризующим долю участия клинкерных минералов в этом  процессе.

Тепловыделение повышается увеличением расхода цемента на 1 м2 бетона и с повышением В/Ц у алитовых цементов. Для белитовых цементов  эта зависимость выражена не четко. Ускорители твердения увеличивают тепловыделение, а замедлители -  уменьшают его. Теп­ловыделение может играть как положительную, так и отрицательную роль в зависимости от конкретных условий. При бетонировании зимой оно является положительным фактором, так как способствует даль­нейшему протеканию процессов твердения. При бетонировании боль­ших массивов, особенно летом, температура может повышаться на 30 - 40 °С по сравнению с температурой при укладке, что вызывает внутренние напряжения и даже трещины.

      Усадка и набухание цементного камня.

В первый период после затворения объем це­ментного камня несколько уменьшается вследствие испарения воды и седиментации. Затем он набухает. В дальнейшем объемные деформации цементного камня определяются относительной влажностью среды, в которой происходит твердение. Цементный камень набухает при хранении в воде, причем линейные деформации состав­ляют 0,1 - 0,3 мм/м. Через несколько лет на­бухание стабилизируется. Если же образец высушивают, то он дает усадку. Усадка обрат­но пропорционально зависит от влажности окружающей среды. Однако, как прави­ло,  усадку   определяют   при   относительной  влажности 50 – 60 %.

      Трещиностойкость.

С усадкой цементного камня тесно связана и с его трещиностойкость при высыхании. Появление трещин зависит не только от величины усад­ки, но и от других факторов: предельной растяжимости материала, модуля упругости, величины и формы изделия или образца.  Как,  правило, цементы с пониженной скоростью твердения обладают большей трещиностойкостью, хотя величина их усадки может быть значительной. Введение в цемент большого количества добавок осадочного происхождении, повышение тонкости помола, увеличение содержания А12О3 и МgO в клинкере снижает его трещиностойкость. Доменные гранулированные шлаки, наоборот, увеличиваю ее.

      Ползучесть.

Ползучестью называется свойство цементного камня или бетона необратимо деформироваться   под влиянием  длительно действующих в них напряжений, возникающих вследствие внешних на­грузок. В первые 3 - 4 месяца происходит наиболее интенсивный рост деформаций ползучести. Затухает ползучесть через 1 - 2 года. По абсо­лютной величине деформации ползучести значительно больше уса­дочных деформаций.

      Водонепроницаемость.

Затвердевший цемент обладает высокой водо­непроницаемостью. Водонепроницаемость цементного камня с В/Ц =  0,4 примерно равна водонепроницаемости мрамора, хотя пористость цементного камня составляет около 50 %, а мрамора — около 2 %. При   одинаковой  степени гидратации и одинаковом В/Ц водонепроницаемость цементного камня не зависит от тонкости помола цемента. С ростом В/Ц водонепроницаемость падает. Особенно резкий спад ее наблюдается при В/Ц > 0,5.

Высокая водонепроницаемость объясняется тонким капиллярным строением и заполнением пор цементным гелем. Высушивание цемента ведет к резкому уменьшению водонепроницаемости, что связано с на­рушением тонкой структуры цементного камня.

      Морозостойкость.

Морозостойкость цементного камня - важное свойство, имеющее первостепенное значение при использовании цементных бетонов в гидротехническом, дорожном, водохозяйственном строительстве. При замерзании вода увеличивается в объеме примерно на 9 % . Однако не вся вода, содержащаяся в цементном камне, замерзает одновремен­но. Сначала при температуре немного ниже 0 °С замерзает вода, на­ходящаяся в пустотах и макропорах цементного камня, так называе­мая «свободная» вода. Потом замерзает вода в капиллярах, в наиболее тонких из них  при - 25 °С. Вода в гелевых порах замерзает при еще более низкой температуре. По данным некоторых исследователей, часть ее не замерзает даже при  - 78 °С.

Под давлением льда на стенки пор и капилляров цементный камень значительно увеличивается в объеме. Максимальное увеличение объема наблюдается в области температур от – 5 - 20 °С и достигает при­мерно 1 - 2 мм/м. При попеременном замораживании и оттаивании в цементном камне возникают необратимые линейные деформации.

1.6.  Анализ    существующих        технологических схем производства продукта. [13]

Процесс производства портландцемента складывается из следующих основных технологических операций:

1.      добыча сырьевых материалов и доставка их на завод;

2.      дробление и помол сырьевых материалов;

3.      приготовление и корректирование сырьевой смеси;

4.      обжиг смеси (получение клинкера);

5.      помол клинкера с добавками (получение цемента).

В зависимости от вида подготовки сырья на обжиг различают мокрый, сухой, полусухой и комбинированный способы производства портландцементного клинкера. При мокром способе производства помол сырьевых материалов, их смешивание и корректирование сырьевой смеси осуществляются в присутствии определенного количества воды, а при сухом способе все перечисленные операции производятся с сухими материалами. В некоторых случаях сухую сырьевую смесь гранулируют, добавляя при грануляции необходимое для образования прочных гранул количество воды. Такой способ производства портландцементного клинкера называется полусухим.