Портландцемент. Его производство, свойства и применение

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра Производства строительных материалов, изделий и конструкций

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине "Вяжущие вещества"

На тему: "Портландцемент. Его производство, свойства и применение"

ВЫПОЛНИЛ: студент VI курса

индивидуальный график

Романова Г.Н.

ПРОВЕРИЛ: к.т.н., доцент

Мизюряев С.А.

САМАРА 2011

СОДЕРЖАНИЕ

1. Общие сведения

2. Производство портландцемента

2.1 Технологическая схема производства портландцемента

2.1.1 Добыча материала и приготовление сырьевой смеси

2.1.2 Обжиг сырьевой смеси и получение клинкера

2.1.3 Размол клинкера и добавок; упаковка и отгрузка

3. Свойства портландцемента

4. Область применения

Список литературы

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

портландцемент клинкер гипс сырье

Портландцемент - гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного тонкого измельчения клинкера (это продукт обжига до полного спекания сырьевой смеси) и гипса, иногда и с применением минеральных активных добавок, в количестве не более 20%.

Кроме обычного портландцемента выпускают гидрофобный, пластифицированный, сульфатостойкий, белый, цветной, шлакопортландцемент, тампонажные портландцементы и др.

Портландцемент является важнейшим представителем гидравлических вяжущих веществ.

Изобретение портландцемента связывают с именами Джозефа Аспдина и Егора Герасимовича Челиева. Каменщик из английского города Лидса Джозеф Аспдин получил в декабре 1824 г. Патент на изготовление вяжущего вещества путем обжига смеси извести с глиной. За сходство по цвету с естественным камнем из каменоломен близ города Портленда он назвал это вяжущее портландцементом. Однако Аспдин не доводил смесь до спекания, что является основным условием получения портландцементного клинкера. В то же время начиная с 1817 г. В России военный техник Егор Герасимович Челиев изготавливал вяжущее путем обжига смеси извести с глиной, доводя их до спекания. Полученный цемент Челиев широко использовал как универсальное вяжущее при возведении разнообразных каменных строений в Москве, сильно пострадавшей от пожара 1812 г. Описанный Е.Г. Челиевым способ изготовления вяжущего принципиально не отличается от технологии изготовления современного портландцемента.

2. ПРОИЗВОДСТВО ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

Важнейшими технологическими операциям при производстве портландцемента являются:

а) добыча материала и приготовление сырьевой смеси;

б) превращение ее путем сильного обжига в клинкер;

в) помол клинкера в тонкий порошок с небольшим количеством некоторых добавок.

2.1 Технологическая схема производства портландцемента

2.1.1 Добыча материала и приготовление сырьевой смеси

Добыча сырья является одной из важных ступеней в производстве цемента. Сырьем для производства портландцемента служат горные породы - нерудные полезные ископаемые, а именно слой известняка зеленовато-желтого цвета. Месторождения сырья цементной промышленности чаще всего разрабатывают открытым способом, при котором добыча ведется непосредственно с земной поверхности. После добычи сырье транспортируют на завод-изготовитель различными способами доставки, которые определяются свойствами сырья, рельефом местности, расстоянием от карьера до завода и технико-экономическими показателями для различных видов транспорта. Существуют следующие способы транспортировки: ж/д, с помощью автотранспорта, воздушно-канатных дорог, конвейерно-ленточными транспортерами, а также с помощью водного транспорта. Далее, добытое и доставленное сырье подвергается дроблению. Конечная тонкость дробления определяется крупностью питания мельницы. После перечисленных операций готовят сырьевую смесь. Сырьевая смесь представляет собой смесь известняка, в количестве 75-78% и глин (глинистых сланцев, суглинков), в количестве 22-25%. В природе редко встречается естественное сырье такого состава. В России имеется лишь несколько месторождений "натуральны" мергелей, позволяющих получать клинкер непосредственным обжигом породы без изменения ее состава. Мергели встречаются среди отложений от верхнего Урала до Кавказа. Сырьевую смесь готовят "мокрым", "сухим" или комбинированным способом. Мокрый способ производства (рис. 1). При мокром способе производства сырьевые материалы измельчают и сырьевую смесь смешивают с водой. Получаемая сметанообразная масса -- сырьевой шлам -- содержит 32--45% воды.

Рисунок 1: Технологическая схема производства по мокрому способу: 1 - приемный бункер для известняка; 2- дробилка для известняка; 3 - вагонетка с глиной; 4 - дозатор для воды; 5 - бассейн-болтушка; 6 - сырьевая мельница; 7 - шламбассейны; 8 - вращающаяся печь; 9 - форсунка подачи топлива; 10 - склад клинкера; 11 - склад гипсового камня; 12 - дробилка для гипсового камня; 13 - шаровая мельница; 14 - силосы для цемента; 15 - вагоны с цементом

Сухой способ производства рационально применять при использовании сырья однородного состава с небольшой влажностью, натуральных мергелей и замене глины гранулированным доменным шлаком. При производстве по сухому способу сырьевые материалы в зависимости от твердости измельчают в дробилках различной конструкции до кусков размером 20 - 30 мм и, если влажность их превышает 8%, подсушивают в мельницах самоизмельчения. Подсушенные материалы в требуемых соотношениях поступают в мельницу сухого помола, где производятся их сушка и тонкое измельчение. Размолотая сырьевая мука подается в гомогенизационный силос, над которым расположены бункера тонкоизмельченных корректирующих добавок. В этих силосах сырьевая мука тщательно перемешивается и корректируется. Из гомогенизационных силосов сырьевая мука поступает в расходные силосы и далее в циклоны теплообменники вращающейся печи. Полученный клинкер после выдерживания измельчается вместе с добавками и поступает в силоса цемента.

Рисунок 2: Технологическая схема производства по сухому способу: 1 - бункер известняка; 2 - щековая дробилка; 3 - молотковая дробилка; 4 - бункер глины; 5 - валковая дробилка; 6 - объединенный склад сырья; 7 - мельница; 8 - циклон-осадитель; 9 - промежуточный силос; 10 - сепаратор; 11 - мельница; 12 - гомогенизационный силос; 13 - запасной силос; 14 - печь с циклонными теплообменниками; 15 - холодильник; 16 - склад клинкера и добавок; 17 - мельница; 18 - цементный силос.

Комбинированный способ. Данный способ производства совмещает в себе два способа и предполагает две разновидности технологий. "Мокрым" способом готовят сырьевую смесь - шлам. После чего шлам пропускают через фильтры, осушая смесь до 16-18%, а затем отправляют на обжиг. "Сухим" способом готовят шлам. Затем добавляют воду до влажности смеси 10-14% и гранулируют в шарики, которые после обжига становятся клинкером.

2.1.2 Обжиг сырьевой смеси и получение клинкера

Обжиг сырьевой смеси проводится при температуре 1 400-1 500°C в течение 2-4 часов в длинных вращающихся (рис. 4) или шахтных (рис. 5) цементообжигательных печах различных систем. Вращающиеся печи позволяют обжигать как шлам, так и сырьевую муку; при обжиге в шахтных печах требуется предварительное брикетирование сырьевой смеси, а значит, что ее можно готовить лишь по сухому способу.

Рисунок 4: Вращающаяся печь для обжига цементного клинкера 1 - дымосос; 2 - питатель для подачи шлама; 3 - барабан; 4 - привод; 5 - форсунка подачи топлива; 6 - холодильник

Рисунок 5: Шахтная печь для обжига цементного клинкера:

1 -- загрузочное устройство; 2 -- отвод газов; 3 -- фурма; 4 -- выносной горн: 5 -- окно; 6 -- штейновый шпур; 7 -- внутренний горн.

В обжигаемом материале происходят сложные физико-химические процессы, сопровождающиеся изменением, как их минералогического состава, так и физических свойств. Характер изменения физических свойств сырьевых смесей, приготовленных различными способами, по мере их нагревания оказывается до определенного интервала температур различным, однако после испарения воды из шлама в обоих видах сырьевых смесей протекают одни и те же химические процессы. Таким образом, нагретые до температуры 1 250-1 300°C портландцементные сырьевые смеси состоят из ряда минералов, образовавшихся по реакциям в твердом состоянии, и непрореагировавшей свободной извести.

Повышение температуры более 1 300°C приводит к появлению в системе расплава, который в последующем облегчает процесс спекания и приводит к существенному сокращению (усадки) объема, образовавшихся путем спекания зерен клинкера. Спекание сырьевых смесей может осуществляться в результате протекания реакций в твердом состоянии (спекание в твердой фазе, или твердофазовое спекание) и в присутствии жидкости (жидкостное спекание). Внешним признаком процесса спекания сырьевых смесей является уменьшение их пористости и увеличение плотности. При длительном обжиге имеющиеся в зернах клинкера поры постепенно заполняются.

При достижение в расплаве определенной величины и устойчивости начинается самопроизвольная (спонтанная) кристаллизация. Лишь при благоприятных условиях становится возможным появление устойчивых кристаллических зародышей. При наличии в расплаве твердой фазы процесс зарождения кристаллов облегчается, так как возникновение зародышей происходит на поверхности уже имеющихся кристалликов. Это и есть благоприятные условия для появления устойчивых кристаллических зародышей. В жидкой же фазе молекулы жидкости, обладая значительной, по сравнению с молекулами кристалла, кинетической энергией, не могут долгое время образовать устойчивую связь, и всякое случайное скопление молекул быстро распадается.

Затем происходит процесс охлаждения клинкера. Он является одной из наиболее ответственных стадий производства цемента. В зависимости от того с какой скоростью происходит процесс охлаждения, минералогический состав клинкера и его кристаллическая структура могут изменяться:

а) в результате медленного охлаждения расплав полностью закристаллизовывается ("клинкерное равновесие");

б) в результате очень быстрого охлаждения расплав полностью затвердевает в виде стекла.

2.1.3 Размол клинкера и добавок; упаковка и отгрузка

В зависимости от типа холодильной камеры печи температура клинкера после охлаждения колеблется от 50 до 150°С. В мельницу желательно подавать клинкер с температурой не превышающей 50°С, так как при переработке горячего клинкера падает производительность мельницы, увеличивается расход мелющих тел, а полученный цемент имеет слишком высокую температуру, что затрудняет его отгрузку.

Портландцемент получают путем размола клинкера в тонкий порошок. Для регулировки сроков схватывания и интенсивности твердения к клинкеру добавляют 3-5% гипса. С целью увеличения выпуска цемента без ухудшения его свойств ГОСТ 10178-85 "Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия" разрешает добавлять активные минеральные добавки в количестве не более 20% (доменные шлаки, известняк, песок, кирпичный бой, гидравлические добавки), что является более энергоемким процессом.

Размол клинкера является завершающей операцией получения портландцемента. Дозирование осуществляется весовыми питателями, обеспечивающими более равномерный состав, а качество в значительной степени определяет свойство цемента, особенно сроки схватывания.

После достижения нужной тонкости помола, готовую продукцию выводят из мельницы с температурой 80-130°С в силосные бочки, где в последующем цемент охлаждается. Силос является промежуточным складом, обеспечивающим непрерывную работу завода при периодической отгрузки. Так же период выдерживания цемента в силосных бочках используется для определения лабораторией марки цемента до его упаковки и отгрузки потребителю.

Готовую продукцию упаковывают в мешки по 50 кг или же загружают в автомобили-, вагоны-цементовозы и отправляют на завод-потребитель. Так же доставку до завода-потребителя можно производить в баржах или морских судах-цементовозах, оборудованные бункерами и упаковочными машинами.

3. СВОЙСТВА ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

К основным свойствам портландцемента относятся:

а) средняя плотность;

б) истинная плотность;

в) тонкость помола;

г) водопотребность;

д) сроки схватывания;

е) тепловыделение;

ж) равномерность изменения объема;

з) прочность.

Средняя плотность портландцемента в рыхлом состоянии равна 1000-1100 кг/м³, в уплотненном -- 1400-1700 кг/м³.

Истинная плотность составляет 3050-3150 кг/м³.

Тонкость помола определяется остатком на сите № 008 (размер ячейки в свету -- 0,08 мм) не более 15% от общей навески или удельной поверхностью -- площадью поверхности зерен (в квадратных сантиметрах) в 3 г цемента. Удельная поверхность портландцемента должна быть 2500-3000 см²/г. С увеличением тонкости помола цемента до 4000-4500 см²/г возрастает скорость твердения и повышается прочность цементного камня.

Водопотребность определяется количеством воды (в %), которое необходимо для получения цементного теста нормальной густоты, т.е. заданной стандартной пластичности. Нормальной густотой цементного теста считается его консистенция, при которой пестик стандартного прибора Вика не доходит до пластинки на 5-7 мм, что составляет 22-28% воды от массы цемента. Повышение водопотребности плохо сказывается на свойствах цемента:

уменьшаются прочность и морозостойкость, увеличиваются усадочные деформации и т.д. Снижают водопотребность цемента добавки-пластификаторы.

Сроки схватывания цементного теста нормальной густоты определяют на приборе Вика по глубине проникания иглы. Начало схватывания должно наступить не ранее чем через 45 мин, заканчивается оно не позднее чем через 10 ч от начала затворения. Эти показатели определяют при температуре (20 ± 2) °С. Схватывание портламендцемента обычно наступает через 1-2 ч, а заканчивается через 4-6 ч. На сроки схватывания портландцемента влияют его минералогический состав, тонкость помола и др.

Тепловыделение при твердении цемента происходит длительное время, поэтому сильный разогрев бетона и раствора не происходит. Если же объем укладываемого в конструкцию бетона велик (например, при возведении плотин или массивных фундаментов), то разогрев достигает 80 °С, что опасно: бетон растрескивается, разрушается.

Равномерность изменения объема цемента при твердении -- признак его высокого качества. При твердении на воздухе цемент уменьшается в объеме -- дает усадку. Линейная воздушная усадка цемента достигает 1 мм/м. При твердении в воде, особенно в начале твердения, цемент увеличивается в объеме -- набухает. Линейное набухание его достигает 0,5 мм/м. В конце твердения цемент даже в воде уменьшается в объеме.

Прочность портландцемента характеризуют маркой, которую устанавливают по пределу прочности при сжатии и изгибе образцов-балочек размерами 40x40x160 мм, испытанных в возрасте 28 суток твердения. Балочки изготавливают из цементно-песчаного раствора состава 1:3 (цемент : нормальный песок) стандартной консистенции при водоцементном отношении В/Ц = 0,4. На воздухе (над водой) образцы твердеют в течение суток, а в воде комнатной температуры (без форм) -- 27 суток. Портландцементы разделяют на марки 300, 400, 500, 550 и 600.

4. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Изделия и конструкции, изготовленные с использованием портландцемента, широко используют в надземных, подземных и подводных условиях. Его применяют для изготовления монолитного и сборного бетона и железобетона в жилищном, промышленном, гидротехническом, дорожном строительстве и т. д. На нем изготовляют тяжелые и легкие бетоны, ячеистые бетоны, строительные растворы высоких марок, теплоизоляционные материалы и т. д. Портландцемент не следует применять для конструкций, подвергающихся воздействию морской, минерализованной и даже пресной воды проточной или под сильным напором. В этих случаях рекомендуется использовать цементы специальных видов (сульфатостойкие, цементы с добавками).

Портландцемент, являющийся высококачественным и дефицитным материалом, необходимо расходовать экономно, заменяя его, где это технически возможно, более дешевыми вяжущими веществами -- известью, гипсовыми вяжущими, смешанными цементами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Технология вяжущих веществ; Под ред. проф. Ю.М.Бутта; Москва 1965 г.

2. Электронная библиотека; www.bibliotekar.ru; Строительные материалы. Неорганические вяжущие вещества. Портландцемент.

3. www.urcement.ru;

4. www.wikipedia.org/wiki/Портландцемент;

Размещено на Allbest.ru