Вопрос: Гидравлическая известь. Роман – цемент.

Низкая водостойкость извести всегда побуждала людей искать пути ликвидации этого недостатка. Еще в Древнем Риме был найден способ получения водостойкого вяжущего на основе извести. Помог римлянам вулкан Везувий. При добавлении вулканического пепла к извести образующаяся смесь после твердения на воздухе в течение 7... 14 сут. далее могла твердеть в воде (более того, именно влажные условия были обязательны для набора прочности!). Это было первое гидравлическое вяжущее. Добавки из вулканических пород (пепла, туфа и т. п.) впоследствии получили название гидравлические или пуццолановые (по названию местечка у подножия Везувия, где они добывались).

Смешанные вяжущие получают совместным измельчением негашеной извести (10...30 %), гидравлической добавки (85...70 %) и гипса (до 5 %). В качестве добавки используют горные породы, содержащие активный кремнезем: вулканический пепел, пемзу, туф, диатомит, трепел и др. Такие вяжущие называют известково-пуццолановыми.

Если в качестве добавки взят доменный гранулированный шлак, то эти вяжущие называют известково-шлаковыми.

Процесс твердения извести с гидравлическими добавками описан в 9.3. Известесодержащие гидравлические вяжущие на начальной стадии (до 7 сут.) должны твердеть в сухих условиях, а затем - во влажных

Известесодержащие гидравлические вяжущие применяют для приготовления растворов для кладки подземных частей зданий и бетонов. Срок хранения таких вяжущих из-за наличия в них негашеной извести не должен превышать 30 сут., причем их необходимо обязательно предохранять от увлажнения

В Республике Беларусь по СТБ 968-94 производят шлакопуццолановое вяжущее, для чего используют: шлак электросталеплавильный Белорусского металлургического завода, активные минеральные добавки (трепел, бой керамики или стекла), гипсовый камень и активатор твердения (NaCl или СаС12).

Марки вяжущего - 75 и 100, начало схватывания - не ранее 45 мин, конец - не позднее 12 ч. Вяжущее применяют для изготовления неармированных бетонов класса В 12, 5 и ниже и неармирован-ных строительных растворов (кладочных, штукатурных и облицовочных) для малоэтажного строительства.

Строительная гидравлическая известь - вяжущее, получаемое в результате умеренного обжига при температуре 900... 1100 °С мергелистых известняков с содержанием в них глины и песчаных примесей от 6 до 20 %. В результате обжига образуется не только свободная известь СаО, но и ее химические соединения с оксидами глины - силикаты, алюминаты и ферриты кальция, способные твердеть не только на воздухе, но и в воде.

Известь выпускают в виде тонкоизмельченного порошка плотностью 2500...2900 кг/м3, при просеивании которого остаток на сите № 008 не должен превышать 10 %. Характеристикой сырья и готовой извести является гидравлический модуль т -отношение содержания оксида кальция к суммарному содержанию диоксида кремния, оксида алюминия и оксида железа

Для гидравлической извести этот модуль колеблется в широких пределах: от 1, 7 до 9. Стандарт различает слабогидравлическую (т = 4, 5...9) и сильногидравлическую (т = 1, 7...4, 5) известь. Если продукт обжига имеет гидравлический модуль более 9, его считают воздушной известью, если менее 1, 7 - относят к романцементу (т = 1, 1... 1, 7).

Обычную гидравлическую известь применяют для приготовления штукатурных и кладочных растворов, высококачественную - в бетонах низких марок и шлакобетоне как в сухой, так и во влажной среде. Растворные смеси на гидравлической извести менее пластичны и подвижны, чем растворы на воздушной извести. Зато твердеют они быстрее и равномерно, получаются плотными, водо- и морозостойкими, предел прочности при сжатии их достигает 5 МПа. Растворы и бетоны на гидравлической извести после укладки их в конструкцию необходимо выдержать в воздушно-влажной среде около двух недель и только после этого помещать в воду.

На строительную площадку гидравлическую известь в виде готового порошка доставляют в цементовозах, бумажных биту-минизированных или многослойных мешках. Комовую гидравлическую известь гасят в известегасилках, в которых гашение совмещается с помолом, так как при гашении в творилах образу-ется много отходов в виде непогасившихся частиц.

Кислотоупорный кварцевый цемент - тонкомолотый порошок, получаемый совместным помолом кислотостойкого материала (кварцевого песка, андезита или бештаунита) и крем-нефторида натрия (4... 14 %); допускается смешивать раздельно измельченные материалы. Вяжущими свойствами этот цемент не обладает. Его затворяют жидким стеклом (плотностью 1360... 1380 кг/м3 и модулем 2, 8...3, 0), которое и является вяжущим.

Кислотоупорный цемент быстро схватывается: начало схватывания наступает через 20...60 мин после затворения в зависимости от содержания в нем кремнефторида натрия. Твердеет цемент в воздушно-сухих условиях и при положительной температуре.

Кислотоупорный цемент применяют для изготовления кислотостойких растворов, бетонов, замазок, для футеровки химических аппаратов, устройства кислотостойких полов.

Поскольку жидкие стекла при длительном хранении, особенно при контакте с воздухом, теряют свои эксплуатационные свойства, а при низких температурах замерзают, в ряде стран начали производить гидратированные силикатные порошки (ГСП). ГСП являются быстрорастворимыми в воде, долго хранятся, что обеспечивает им хорошую перспективу.

Цементы доставляют с завода-изготовителя к месту потребления железнодорожным и автомобильным транспортом. При доставке по железной дороге используют вагоны-цементовозы бункерного типа (хоппер), цистерны и контейнеры, а также обыкновенные крытые вагоны, в которые цемент загружают навалом или в бумажных мешках. В случаях перевозки цемента навалом выгружают его механизированным способом пневматическими и пневмомеханическими разгрузчиками. При транспортировании автоцементовозами его загружают через герметически закрывающийся люк, а выгружают при помощи сжатого воздуха, поступающего от компрессора, установленного на цементовозе. Способ поставки зависит от дальности транспортировки.

В бумажных мешках обычно перевозят белый и цветной портландцементы и другие специальные цементы.

Цементы различных заводов, поступающие навалом, хранят в силосных или бункерных складах отдельно по видам, маркам и партиям. Запрещается при хранении смешивать цементы различных видов и марок. Цемент в бумажных мешках хранят в закрытых складах-сараях с плотными водонепроницаемыми крышей, стенами и деревянным полом, приподнятым над поверхностью земли не менее чем на 30 см. В процессе транспортирования и хранения необходимо оберегать цемент от воздействия влаги и засорения посторонними примесями.

При поступлении цемента на склад обязательно на каждую емкость ставят указатели с обозначением его вида, марки, времени прибытия и количества. При необходимости контроля качества поступившего на склад цемента от каждой партии отбирают пробу массой 20 кг и направляют ее в строительную лабораторию, где производят стандартное и ускоренное испытания цемента.

При длительном хранении цемента на складе за счет поглощения влаги из воздуха и преждевременной гидратации происходит его комкование и снижение активности, поэтому большие запасы цемента на складах строек и предприятий строительной индустрии нежелательны.

Использовать лежалые цементы для изготовления бетонов и строительных растворов не разрешается. При крайней необходимости можно восстановить их первоначальные свойства, размалывая лежалые цементы в шаровых или вибрационных мельницах. Однако это связано с затратами энергии. Гораздо удобнее и дешевле хранить цементы в нормируемых стандартом условиях, т. е. исключать возможность их увлажнения.

29-31 вопросы: Портландцемент.

Портландцемент и его разновидности являются основным вяжущим материалом в современном строительстве. В СССР его производство составляет около 65 % от выпуска всех цементов.

Портландцемент — продукт тонкого измельчения клинкера, получаемого обжигом до спекания, т. е. частичного плавления сырьевой смеси, обеспечивающей преобладание в нем высокоосновных силикатов кальция (70...80 %). Для регулирования схватывания и некоторых других свойств при помоле клинкера в цемент добавляют небольшое количество гипса (1, 5...3, 5 %). В соответствии с ГОСТ 10178—85 за таким бездобавочным цементом сохранено название портландцемент (ПЦ-ДО). Ш Сырье и производство.

Для получения доброкачественного портландцемента химический состав клинкера, а следовательно, и состав сырьевой смеси должны быть устойчивы.

Многочисленные исследования и практический опыт показывают, что элементарный химический состав клинкера должен находиться в следующих пределах (% по массе): СаО — 63...66; SiO2 — 21...24; А12О3 — 4...8; Ре2Оз — 2...4, их суммарное количество составляет 95......97 %. Следовательно, для производства портландцемента следует применять такие сырьевые материалы, которые содержат много карбоната кальция и алюмосиликатов (известняки, глины, известковые мергели). Чаще используют искусственные сырьевые смеси из известняка или мела и глинистых пород при соотношении между ними в сырьевой шихте примерно 3: 1 (% по массе): СаСО3 — 75...78 и глинистого вещества — 22...25. Вместо глины или для частичной ее замены используют также отходы различных производств (доменные шлаки, нефелиновый шлам и т. п.). Нефелиновый шлам, получающийся при производстве глинозема, уже содержит 25...30 % SiOЈ и 50...55 % СаО; достаточно к нему добавить 15...20 % известняка, чтобы получить сырьевую смесь. При этом производительность печей повысится примерно на 20 %, а расход топлива снизится на 20...25 %. Для обеспечения нужного химического состава сырьевой смеси применяют корректирующие добавки, содержащие недостающие оксиды. Например, количество S1O2 повышают, добавляя в сырьевую смесь трепел, опоку. Добавление колчеданных огарков увеличивает содержание Fe2O3.

В качестве топлива используют природный газ, реже мазут и твердое топливо в виде угольной пыли. Стоимость топлива составляет до 26 % себестоимости готового цемента, поэтому на цементных заводах много внимания уделяется его экономии.

Технология портландцемента в основном сводится к приготовлению сырьевой смеси надлежащего состава, ее обжигу до спекания (получают клинкер) и помолу в тонкий порошок.

Сырьевую смесь приготовляют сухим или мокрым способом (см. 5.2). В соответствии с этим различают и способы производства цемента — сухой и мокрый. В СССР преобладает мокрый способ производства цемента, но все шире внедряется сухой. Важнейшим преимуществом сухого способа производства является не только снижение расхода теплоты на обжиг в 1, 5...2 раза, чем при мокром, но и более высокие удельные съемы в печах сухого способа.

Обжиг сырьевой смеси чаще осуществляют во вращающихся печах, но иногда (при сухом способе) в шахтных.

Вращающаяся печь (5.2) представляет собой сварной стальной барабан длиной до 185 м и более, диаметром до 5...7 м, футерованный изнутри огнеупорными материалами. Барабан уложен на роликах под углом 3...4° к горизонту и медленно вращается вокруг своей оси. Благодаря этому сырьевая смесь, загруженная в верхнюю часть печи, постепенно перемещается к нижнему концу, куда вдувают топливо, продукты горения которого просасываются навстречу сырьевой смеси и обжигают ее. Характер процессов, протекающих при обжиге сырьевой смеси, приготовленной по сухому и мокрому способам, по существу, одинаков и определяется температурой и временем нагревания материала в печи. Рассмотрим эти процессы.

В зоне сушки поступающая в верхний конец печи сырьевая смесь встречается с горячими газами и постепенно при повышении температуры с 70 до 200 °С (зона сушки) подсушивается, превращаясь в комья, которые при перекатывании распадаются на более мелкие гранулы. По мере перемещения сырьевой смеси вдоль печи происходит дальнейшее постепенное ее нагревание, сопровождаемое химическими реакциями.

В зоне подогрева при 200...700 °С сгорают находящиеся в сырье органические примеси, удаляется химически связанная вода из глинистых минералов и образуется безводный каолинит Al2O3-2SiO2. Подготовительные зоны (сушки и подогрева) при мокром способе производства занимают 50...60 % длины печи, при сухом же способе подготовки сырья длина печи сокращается за счет зоны сушки.

В зоне декарбонизации при температуре 700... s..l 100 °С происходит процесс диссоциации карбонатов кальция и магния на CaO, MgO и СО2, алюмосиликаты глины распадаются на отдельные оксиды SiO2, A12O3 и Fe2O3 с сильно разрыхленной структурой. Термическая диссоциация СаСО3 — это эндотермический процесс, идущий с большим поглощением теплоты (1780 кДж на 1 кг СаСО3), поэтому потребление теплоты в третьей зоне печи наибольшее. В этой же зоне оксид кальция в твердом состоянии вступает в реакцию с продуктами распада глины с образованием низкоосновных силикатов, алюминатов и ферритов кальция (2CaO-SiO2, СаО-АШ3, 2CaO-Fe2O3).

В зоне экзотермических реакций обжигаемая масса, передвигаясь, быстро нагревается от 1100 до 1300°С, при этом образуются более основные соединения: трех-кальциевый алюминат ЗСаО-А12О3(С3А), четырехкальциевый алюмоферрит 4CaO-Al2O3-Fe2O3(C4AF), но часть оксида кальция еще остается в свободном виде. Обжигаемый материал агрегируется в гранулы.

В зоне спекания при 1300...1450 °С обжигаемая смесь частично расплавляется. В расплав переходят С3А, C4AF, MgO и все легкоплавкие примеси сырьевой смеси. По мере появления расплава в нем растворяются C2S и СаО и, вступая во взаимодействие друг с другом, образуют основной минерал клинкера — трехкальциевый силикат 3CaO-SiO2(C3S), который плохо растворяется в расплаве и вследствие этого выделяется из расплава в виде мелких кристаллов, а обжигаемый материал спекается в кусочки размером 4...25 мм, называемые клинкером.

В зоне охлаждения (заключительная стадия обжига) температура клинкера понижается с 1300 до 1000 °С, происходит окончательная фиксация его структуры и состава, включающего C3S, C2S, C3A, C4AF, стекловидную фазу и второстепенные составляющие.

По выходе из печи клинкер необходимо быстро охладить в специальных холодильниках, чтобы предотвратить образование в нем крупных кристаллов и сохранить в не закристаллизованном виде стекловидную фазу. Без быстрого охлаждения клинкера получится цемент с пониженной реакционной способностью по отношению к воде.

После выдержки на складе (1...2 недели) клинкер превращают в цемент путем помола его в тонкий порошок, добавляя небольшое количество двуводного гипса. Готовый портландцемент направляют для хранения в силосы и далее на строительные объекты.

Сухой способ производства цемента значительно усовершенствован. Наиболее энергоемкий процесс — декарбонизация сырья — вынесен из вращающейся печи в специальное устройство — декарбонизатор, в котором он протекает быстрее и с использованием теплоты отходящих газов (5.3). По этой технологии сырьевая мука сначала поступает не в печь, а в систему циклонных теплообменников, где нагревается отходящими газами и уже горячей подается в декарбонизатор. В декарбонизаторе сжигают примерно 50 % топлива, что позволяет почти полностью завершить разложение СаСО3. Подготовленная таким образом сырьевая мука подается в печь, где сжигается остальная часть топлива и происходит образование клинкера. Это позволяет повысить производительность технологических линий, снизить топливно-энергетические ресурсы, примерно вдвое сократить длину вращающейся печи, соответственно улучшить компоновку завода и занимаемой им земельной территории.

В СССР создана низкотемпературная солевая технология производства цемента, базирующаяся на открытии советских ученых. Сущность открытия заключается в установлении нового явления — образования высокоосновного силиката кальция — алинита, близкого по составу к алиту в области температур 9ОО...11ОО°С, т. е. значительно ниже температур кристаллизации трехкальциевых силикатов — алитов. Алинит, являющийся основной вяжущей фазой портландцементных клинкеров нового типа, обусловливает их высокую гидравлическую активность. Вхождение анионов хлора в структуру является обязательным условием образования алинита и клинкеров нового типа. Введение в шихту, например, 10... 12 % СаС12 сопровождается образованием хлоркальциевого расплава при чрезвычайно низких температурах (600...800 С), что смещает все основные реакции образования минералов в область температур 1000... 1100 " С и позволяет получать клинкер при пониженных температурах.

Внедрение новой технологии позволит сократить удельные расходы топлива, резко повысить производительность печей и помольного оборудования.