vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Овчинников В. П. Тампонажные материалы. Конспект лекций

Количество окиси марганца в клинкере обычно не превышает 1 - 2 % и

существенно не влияет на физико-механические свойства цемента.

4. Производство портландцемента

Производство портландцемента может быть разделено на два комплекса операций. Первый из них включает изготовление клинкера, второй - получение портландцемента измельчением клинкера совместно с гипсом, активными минеральными и другими добавками.

Получение клинкера. - наиболее сложный и энергоемкий процесс,

.заключающийся в добыче сырья, его смешении и обжиге. В настоящее время применяют два основных способа подготовки сырьевой смеси из исходных компонентов: "Мокрый", при котором помол и смешение сырья осуществляется в водной среде, и "сухой", когда материалы измельчаются и смешивается в сухом виде.

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 в 1,5 - 2 раза больше чем при сухом.

Сухой способ, несмотря на его технико-экономические преимущества по сравнению с мокрым, длительное время находил ограниченное применение из-за пониженного качества получаемого клинкера, однако, успехи в технике тонкого измельчения и гомогенизации сухих смесей обеспечили возможность получения высококачественных, портландцементов и по сухому способу.

Применение находит и третий, так называемый, комбинированный способ.

Сущность его заключается в том, что подготовка сырьевой смеси осуществляется по мокрому способу, затем шлам обезвоживается на специальных установках и направляется в печь. Комбинированный способ по ряду данных почти на 20 - 30%

снижает расход топлива по сравнению с мокрым, но при этом возрастает трудоемкость производства и расход электроэнергии

6

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Овчинников В. П. Тампонажные материалы. Конспект лекций

Обжиг сырьевой смеси осуществляется во вращающихся печах. Длина современных, вращающихся печей достигает 150 - 185м и более, а диаметр - 4 7м. Скорость вращения печи составляет 0,5 1,2 об/мин. Уклон печи 3 4°.

Шлам, проходя через печь и подвергаясь воздействию газов все более высокой температуры, претерпевает ряд физических и физико-химических превращений. При температурах же 1300 1500°С материал спекается, причем образуются клинкерные зерна размером до 15 - 20мм. и больше. Пройдя зону высших температур, клинкер начинает охлаждаться потоками более холодного воздуха. Из печи он выходит с температурой 1000 - 1100°C и направляется в колосниковый холодильник, где охлаждается до 30-50°С. Охлажденный клинкер поступает на склад.

В процессе движения шлама по печи протекают следующие физико-

химические процессы. В той части печи, где температура составляет 300 - 600°С

начинается энергичное испарение воды, которое сопровождается постепенным загустеванием шлама. Образуются крупные комья. Затем, три температуре 400-

500°С из материала выгорают органические npимеси; начинается дегидратация каолинита, и других глинистых минералов с образованием, в частности;

каолинитового ангидрида. Удаление из глины гидратной воды сопровождается потерей пластичности и связующих свойств, что приводит к распаду образовавшихся ранее комьев материала в подвижный порошок. Участок печи,

где вода испаряется, и материал высыхает, называется "зоной сушки".

Следующая зона, где происходит дегидратация глины и идет дальнейшее нагревание до 700 - 800 С, называется зоной подогрева. Эти две зоны занимают до 50 - 55% длины печи.

При температурах 750 - 800 С и выше в материале начинаются реакции в твердом состояний между его составляющими. Вначале они едва заметны, однако с повышением температуры материала до 1000 С и более интенсивность их резко возрастает.

При 800°С в результате взаимодействий между компонентами,

находящимися в твердой фазе, начинается сцепление отдельных частичек и

7

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Овчинников В. П. Тампонажные материалы. Конспект лекций

образование гранул разного размера. При реакциях в твердом состоянии Между карбонатом кальция и продуктами распада глинистых минералов образуются - 2CaOSiO2, СаОAl2Оз и 2CaOFe2O3. При 900 - IOOO°C резко усиливается разложение карбоната кальция с образованием окиси кальция в свободном виде и углекислого газа СО2. Этот участок печи называют зоной кальцинирования. В

этой зоне вследствие того, что разложение СаСОз идет с поглощением тепла потребление последнего наибольшее.

На участке печи, где температура материала достигает 1000 1100 С и где основная масса СaСO3 уже превратилась в свободную окись кальция и частично в

-C2S , Сa и С2Р резко возрастает интенсивность реакций в твердом состоянии.

Реакции образования силикатов, алюминатов и ферритов кальция являются экзотермическими, что приводит к интенсивному повышению температуры материала на 150 - 200 C на коротком участке печи в несколько метров. Этот участок печи получил название экзотермической зоны. К концу экзотермической зоны температура материала достигает, примерно, 1300°С. К этому времени он состоит преимущественно из -С2S, С3А, С4АF и С2F и некоторого количества свободной окиси кальция. При температуре 1300°С начинается спекание материала вследствие образования в нем расплава в количестве 20 - 30%. объема начавшей спекаться массы. В начальный момент спекания в расплав переходят С3А, С4АF, МДО и СаО, в дальнейшем в нем начинает растворяться и двухкальциевый силикат C2S .При этом в жидкой фазе создаются благоприятные условия для образования основного минерала портландцемента - трехкальциевого силиката C3S из C2S и СаО. Это соединение плохо растворимо в расплаве,

вследствие чего оно выделяется из него в виде мелких кристаллов, которые в последующем могут значительно увеличиваться в размерах. Выделение из расплава C3S сопровождается понижением в нем. концентрации: C2S и окиси кальция, что приводит к переходу в расплав новых порций этих веществ,

оставшихся в твердом состоянии в обшей массе материала. Это в свою очередь обуславливает дальнейший ход процесса образования в расплаве и выделения из него С3S до почти полного связывания свободной окиси кальция с С2S

8

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Овчинников В. П. Тампонажные материалы. Конспект лекций

Трехкальциевый силикат выделяется из расплава вместе с небольшими количествами Al2O3 и MgO,образуя с ними твердый раствор, который называют алитом. Участок печи, где проходит спекание материала, и образование алита называется зоной спекания. Здесь материалы нагревается примерно от 1300 до

1450°С, что способствует более быстрому усвоению окиси кальция двухкальциевьм силикатом и образованию алита.

После зоны спекания обжигаемый материал переходит в зону охлаждения.

До температуры примерно 1300°С в нем еще присутствует жидкая фаза и продолжается реакция усвоения окиси кальция и образования C3S. Затем жидкая фаза застывает и спекание заканчивается. Последний участок печи, где полученный клинкер охлаждается воздухом от 1300°С до температуры при которой выходит из печи (1000-1100°С) называется зоной охлаждения.

Обычно при охлаждении клинкера с 1450 до 1300°С и ниже жидкая фаза в нем застывает частично в виде стекла, частично при этом происходит кристаллизация из расплава С3A, C4AF, а также MgO (в виде пери за). Степень закристаллизованности расплава зависит от скорости охлаждения материала после его выхода из зоны спекания.

Охлажденный клинкер в основном состоит из кристаллов минералов -

силикатов (алита и белита) и промежуточного вещества, в которое входит стекло,

минералы плавки (С4АF, C3A, С3А3), а также окись кальция и магния (в виде кристаллов).

5. Фазовый состав портландцементного клинкера

Образующийся в результате обжига сырьевой смеси клинкер, имеет достаточно сложный минералогический состав. Основную роль в нем играют четыре минерала.

Трехкальциевый силикат Ca2SiO4 (СаС) или 3CaO SiO2.

Образующийся в портландцементном клинкере трехкальциевый силикат содержит некоторое количество примесей MgO, Al2O3, Fe2O3, Cr2O3, которые влияют на его структуру и свойства. Эта разновидность называется алитом и обозначается С3S. Содержание алита в клинкере наибольшее и составляет 40-55%.

9

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Овчинников В. П. Тампонажные материалы. Конспект лекций

При рассмотрении процессов гидратации цементов примесями, входящими в трехкальциевый силикат, как правило, пренебрегают, и все расчеты ведутся на чистую систему 3CaOSiO2. В портландцементе алит обеспечивает набор точности камня в ранние сроки твердения (от нескольких дней до 3х - месяцев).

Трехкальциевый получают в лабораторных условиях из химически чистых компонентов. Кристаллы алита имеют обычно шестигранную или прямоугольную форму, которая хорошо просматривается в шлифах клинкера в отраженном свете.

Двухкальциевый силикат Ca2SiO4 или 2CaOSiO2-(C2S) в портландцементном

клинкере присутствует в - модификации, называемой белитом. Количество его в клинкере составляет 20 - 30%. Белит имеет меньшую гидравлическую активность,

по сравнению с алитом и обеспечивает рост прочности цементного камня на поздних стадиях твердения. Белит, как и алит представляет собой твердой раствор

- двухкальциевого силиката ( - 2СаOSiO2) и небольшого количества (1-3) таких примесей как Аl2O3, Fе2O3, С2О3 и др. Гидравлическая активность белита также зависит от строения кристаллов. Цементы, в которых белит представлен округлыми плотными кристаллами с зазубренными краями со средним размером

20 50 мк характеризуются повышенной прочностью. Расщепление кристаллов способствует повышению ее гидравлической активности.

Промежуточное вещество, расположенное между кристаллами алита белита включает алюмоферритную и алюминатную фазу.

Алюминаты кальция обычно встречаются в клинкере в виде трехкальциевого алюмината С3Аl2O6 или 3CaOAl2O3 (С3А) С3А кристаллизуется в кубической системе в виде очень мелких шестиугольников и прямоугольников. Содержится в цементном клинкере в количестве до 15 %. Это наиболее химически активный минерал клинкера и именно его гидратация определяет сроки схватывания цементных растворов.

Алюмоферритная фаза представляет собой твердый раствор алюмоферритов кальция разного состава, который в свою очередь зависит от состава сырьевых смесей, условий обжига и т.п. При этом возможно образование серии твердых

10

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Овчинников В. П. Тампонажные материалы. Конспект лекций

растворов между С6А2F, С4АF, C6AF2 и С2F. В клинкере алюмоферритная фаза по своему составу близка к четырехкальциевому алюмоферриту.

Четырехкальциевый алюмоферрит Ca4(Al2O5) (Fe2O5) или 4CaO AI2O3

Fe2O3(C4AF) - железосодержащий минерал обладающий достаточно высокой скоростью гидратации и обеспечивающий роет прочности системы в первые

часы; твердения. В портландцементах	его количество находится в пределах
10 - 20%. Скорости процессов гидратации	- примерно равны.

Кроме указанных минералов в состав клинкера входит стекловидная фаза,

содержащая в своем составе незакристаллизованные ферриты, алюминаты, оксид магния, щелочные соединения и др. При резком охлаждении цементного клинкера стеклофаза, покрывая поверхность минералов, предотвращает фазовые переход.

CaOсвоб обнаруживается в свежеобоженном; клинкере в виде бесцветных изотропных зерен. Ее должно быть не больше 0,5 1 %. При более высоком содержании Са0своб снижается качество цемента и может вызвать неравномерное изменение его объема при твердении вследствие перехода в Са(ОН)2.

Окись магния находится в клинкере в виде: а) минерала периклаза; б)

твердого раствора в фазе или в трехкальциевом силикате; в) в клинкерном стекле. Вредное влияние MgO при содержании более 5% на равномерность изменения объема цемента проявляется в том случае, когда она присутствует в виде кристаллов периклаза, медленно реагирующих с водой в уже затвердевшем цементе и дающих Mg(ОН)2 характеризующийся увеличенным, удельным объемом.

Для регулирования сроков схватывания цемента при помоле клинкера вводится 3-5 % двуводного гипса. Кроме этого портландцемент может содержать до 15 % кремнеземосодержаших компонентов, в качестве которых могут использоваться молотый песок, шлаки, золы от сжигания твердых топлив.

Введением добавок достигается два преимущества: во-первых, цемент стоит дешевле т.к. портландцементный клинкер дороже любой добавки; во-вторых,

добавками можно регулировать свойства раствора и камня. Для придания

11