Характеристика сырьевых материалов для изготовления быстротвердеющего портландцемента

      2 Характеристика сырьевых материалов  для изготовления быстротвердеющего  портландцемента

      Сырьевыми материалами для получения портландцемента  являются главным образом карбонатные горные породы, такие как известняк или мел, а также глинозем и кремнезем в виде глины или глинистого сланца. Возможно использование мергелей, состоящих из природной смеси карбонатных и глинистых пород.

      Известняки

      Углекислый  кальций в известняках представлен  минералом кальцитом, реже минералом арагонитом. Кальцит имеет твердость 3, арагонит - 3,5 - 4,0. 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 мкм. 

      Глины

      Глины - это осадочные землистые породы, сложенные из тонких частиц. Основой глины являются водные алюмосиликатные минералы в виде тонких частиц (менее 2 мкм), причем встречаются мономинеральные и полиминеральные глины. 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 (примерно 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%. К глинистым породам относятся также аргиллиты, лесс, суглинки. 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%). В глинах присутствуют также SiO2 в различных формах (кварц, халцедон, опал), оксиды железа или в виде твердых растворов в алюмосиликатах, или в виде самостоятельных минералов (пирит, магнетит, гематит, лимонит). Иногда глины содержат другие примеси - кальцит, плавиковый шпат, доломит, гипс, слюду. Все эти минералы присутствуют обычно в виде более крупных зерен, чем глинистые, однако встречаются глины (бентонитовые), в которых кристобалит представлен частицами примерно 1 мкм. Глины содержат органические соединения (продукты разложения растительности) и водорастворимые соли - хлориды, сульфаты и карбонаты щелочных и щелочноземельных минералов алюминия и железа. 
 

      2.1 Клинкер

      Качество  клинкера зависит от его химического  и минералогических составов. Для  производства портландцементного клинкера применяют известняк и глину. Известняк в основном состоит из двух оксидов: СаО и СО2, а глина — из различных минералов. В процессе обжига сырьевой смеси удаляется СО2, a оставшиеся четыре оксида образуют клинкерные минералы. Содержание оксидов в цементе примерно следующее: 64...67% СаО, 21...24% SiО2, 4...8% А12О3, 2...4% Fe2О3. Кроме указанных основных оксидов в портландцементном клинкере могут присутствовать MgO и щелочные оксиды, снижающие качество цемента. Оксид магния, обожженный при температуре около 1500°С, при взаимодействии с водой очень медленно гасится и вызывает появление трещин в уже затвердевшем растворе или бетоне, поэтому содержание оксида магния в портландцементе не должно быть более 5%. Наличие в цементе щелочных оксидов выше 1 % может вызвать разрушение отвердевшего бетона на таком цементе.

      Основные  оксиды находятся в клинкере не в свободном виде, а образуют при обжиге четыре основных минерала, относительное содержание которых в портландцементе следующее (%): трехкальциевый силикат (алит) — 45...60; двухкальциевый силикат (белит) —20...35; трехкальциевый алюминат — 4...12; четырехкальциевый алюмоферрит — 10...18.

      Алит  — основной минерал клинкера, быстро твердеет и практически определяет скорость твердения и нарастания прочности портландцемента. Он представляет собой твердый раствор трехкальциевого силиката и небольшого количества (2...4%) других примесей, которые могут существенно влиять на структуру и свойства портландцемента.

      Белит — второй по важности и содержанию силикатный минерал клинкера, медленно твердеет и достигает высокой прочности при длительном твердении. Белит в клинкере представляет собой твердый раствор двухкальциевого силиката и небольшого количества (1...3%) других примесей. В связи с тем, что белит при медленном охлаждении клинкера теряет вяжущие свойства, это явление предотвращается быстрым охлаждением клинкера.

      Содержание  минералов-силикатов в клинкере в сумме составляет около 75%, поэтому гидратация алита и белита в основном определяет свойства портландцемента. Оставшиеся 25% объема клинкера между кристаллами алита и белита заполнены кристаллами С3А, C4AF, стекла и второстепенными минералами.

      Трехкальциевый  алюминат при благоприятных условиях обжига образуется в виде кубических кристаллов. Он очень быстро гидратирует и твердеет. Продукты гидратации имеют пористую структуру и низкую прочность. Кроме того, он является причиной сульфатной коррозии цемента, поэтому его содержание в сульфатостойком цементе ограничено 5%.

      Четырехкальциевый алюмоферрит— алюмоферритная фаза промежуточного вещества клинкера, представляет собой твердый раствор алюмоферритов кальция разного состава. По скорости гидратации этот минерал занимает как бы промежуточное положение между алитом и белитом и не оказывает определяющего значения на скорость твердения и тепловыделение портландцемента.

      При правильно рассчитанной и тщательно  подготовленной и обожженной сырьевой смеси клинкер не должен содержать свободного оксида кальция СаО, так как пережженная при температуре около 1500°С известь, так же как и магнезия MgO, очень медленно гасится, увеличиваясь в объеме, что может привести к растрескиванию уже затвердевшего бетона. Портландцемент, получаемый на заводах из различных видов природного сырья и с неодинаковой технологией производства, отличается как по химико-минералогическому составу, так и по свойствам. Требования стандарта не отражают полностью некоторых важных для строительства свойств цемента: стойкости цементного камня в агрессивных средах, морозостойкости, интенсивности тепловыделения, деформативной способности. Однако в этом значительную помощь оказывает знание минералогического состава клинкера, который имеет прямую связь с основными физико-механическими свойствами портландцемента и позволяет проектировать портландцемент для бетона конкретных эксплуатационных условий. Производство портландцемента. Сырье для производства портландцемента должно содержать 75...78% СаСОз и 22...25% глинистого вещества. Горные породы, удовлетворяющие указанным требованиям, в природе встречаются редко. Поэтому для производства портландцемента наряду с известняком и глиной следует применять так называемые корректирующие добавки, содержащие значительное количество одного из оксидов, недостающих в сырьевой смеси. Так, недостаточное количество компенсируется введением высоко кремнеземистых веществ (опоки, диатомита, трепела). Увеличить содержание оксидов железа можно путем введения колчеданных огарков или руды. Повышение содержания глинозема достигается добавлением высокоглиноземистых глин.

          Кроме того, цементная промышленность все шире начинает использовать побочные продукты, например отходы разных отраслей промышленности — доменные шлаки, нефелиновый шлам (отход при производстве глинозема) и др. В них содержится 25-30% SiО2; 50...58% СаО; 2...5% А12О3; 3...8% других оксидов. Если к сырью такого состава добавить 15...20% известняка, то состав смеси получается аналогичный используемому для получения портландцемента.

          Использование в цементной промышленности  побочных продуктов и отходов  других отраслей — крупный шаг в разработке безотходной технологии, способствующей охране окружающей среды. В качестве топлива применяют природный газ, сокращается использование каменного угля и мазута. В настоящее время отечественная цементная промышленность в значительной мере работает на газообразном топливе, как наиболее эффективном. 
 

      2.2  Активные минеральные добавки

      Активными минеральными добавками называют природные или искусственные вещества, которые при смешивании в тонкоизмельченном виде с воздушной известью и затворении водой образуют тесто, способное после твердения на воздухе продолжать твердеть и под водой. Активные минеральные добавки (называемые иначе гидравлическими добавками) содержат диоксид кремния в аморфном, а следовательно, в химически активном состоянии и способны поэтому взаимодействовать с Са(ОН)2, образуя гидросиликаты кальция.

      Активные  минеральные добавки могут быть природными и искусственными. В качестве природных активных добавок широко используют осадочные горные породы (диатомит, трепел, опоку, горелые глинистые породы - глиежи), а также породы вулканического происхождения (вулканический пепел, туф, пемзу, витрофир, трасс). Искусственные активные минеральные добавки представляют собой побочные продукты и отходы промышленности: быстроохлаждённые (гранулированные) доменные шлаки; белитовый (нефелиновый) шлам - отход глиноземного производства, содержащий в своем составе до 80 % минерала белита; зола - унос - отход, получаемый при сжигании твердого топлива в пылевидном состояний и улавливаемый электрофильтрами и другими устройствами. Использование отходов промышленности для выпуска вяжущих веществ имеет большое народнохозяйственное значение.