Шлакопортландцемент

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Шлакопортландцемент - гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельчения портландцементного клинкера совместно с гранулированным доменным и электротермофосфорным шлаком, а также с двуводным гипсом. Для получения быстротвердеющего шлакопортландцемента порошок портландцемента иногда размалывают с гранулированным шлаком. Шлака в шлакопортландцементе должно быть не менее 21% и не более 80% по массе (ГОСТ 10178 -85). Гипс вводят в шлакопортландцемент для регулирования сроков схватывания, а также в качестве активизатора твердения шлака.

По своим физико-механическим свойствам шлакопортландцемент близок к обычному портландцементу, но выгодно отличается от него более низкой стоимостью. При прочих равных условиях стоимость его на 10 - 15% ниже стоимости портландцемента.

B зависимости от прочности на сжатие шлакопортландцемент выпускают четырех марок: 300, 400, 500 и 600.

Вследствие меньшего содержания гидрата окиси кальция продукты гидрации шлакопортландцемента более устойчивы, что обусловливает повышенные солестойкость и водостойкость.

Строительно-технические свойства шлакопортландцемента обусловливают и области его практического применения - те же, что и портландцемента аналогичных марок. Его целесообразно использовать для производства монолитных и сборных железобетонных конструкций и деталей, в особенности с применением тепловлажностной обработки, а также для изготовления строительных растворов. Шлакопортландцемент предназначен в основном для бетонных и железобетонных наземных, а также подземных и подводных конструкций, подвергающихся воздействию пресных, а также минерализированных вод с учетом норм агрессивности воды - среды.

Вследствие пониженного тепловыделения при твердении и малой усадки шлакопортландцемента его можно весьма эффективно применять для внутримассивного бетона гидротехнических сооружений. В силу пониженной морозостойкости шлакопортландцемента его нельзя применять для бетонных и железобетонных конструкций, подвергающихся систематическому попеременному замораживанию и оттаиванию или увлажнению и высыханию.

1. Назначение и основные свойства шлакопортландцемента

1.1 Назначение

Шлакопортландцемент применяется в основном в тех же областях строительства, что и обычный портландцемент. Вследствие пониженного тепловыделения и повышенной жаростойкости его предпочитают портландцементу при изготовивши бетонов для массивных сооружений, а также в конструкциях горячих цехов.

Повышенная стойкость по отношению к действию мягких и сульфатных вод, пониженное тепловыделение шлакопортландцемента позволяют эффективно использовать его и в гидротехническом морском и речном строительстве (с учетом при этом норм агрессивности воды-среды). Однако в отличие от портландцемента он неэффективен в частях сооружений, подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию или увлажнению и высыханию.

Шлакопортландцемент, как и портландцемент, широко применяют в производстве сборных бетонных и железобетонных конструкций и изделий, в частности изготовляемых с использованием тепловлажностной обработки. Быстротвердеющий шлакопортландцемент рекомендуется при изготовлении сборных и монолитных бетонных и железобетонных конструкций, когда требуется высокая прочность в начальные сроки, а также при изготовлении сборных конструкций с применением тепловой обработки.

Если бетоны на шлакопортландцементе. используют при пониженных положительных температурах (ниже 10 °С), то необходим искусственный обогрев (за исключением массивных сооружений). Во всех областях применения шлакопортландцемент оказывается экономичнее портландцемента той же активности. Для бетона дорожных и аэродромных покрытий, железобетонных напорных и безнапорных труб, железобетонных шпал, мостовых конструкций, стоек опор высоковольтных линий электропередач, контактной сети железнодорожного транспорта и освещения следует поставлять цемент, изготовляемый на основе клинкера нормированного состава с содержанием трехкальциевого алюмината (С3А) в количестве не более 8% по массе. Начало схватывания портландцемента для бетона дорожных и аэродромных покрытий должно наступать не ранее 2 ч, портландцемента для труб - не ранее 2 ч 15 мин от начала затворения цемента. Удельная поверхность должна быть не менее 280 м2/кг.

1.2 Свойства вяжущего

Плотность шлакопортландцемента колеблется в пределах 2,8--3 г/см3, уменьшаясь с увеличением содержания в цементе гранулированного доменного шлака. Объемная масса рыхлонасыпном состоянии 900--1200, а в уплотненном --1400--1700 кг/м3.

Водопотребность шлакопортландцемента существенно не отличается от водопотребности обычных портландцементов. В ряде случаев при равной удобообрабатываемости в растворные или бетонные смеси на шлакопортландцементе нужно добавлять воды меньше, чем при использовании портландцемента.

Водоотделение из теста, полученного затворением шлакопортландцемента, несколько больше, чем из теста портландцемента. С увеличением тонкости помола его водоудерживающая способность значительно возрастает.

Скорость схватывания зависит от химического состава шлака и соотношения в шлакопортландцементе шлака и портландцемеитного клинкера, а также от содержания гипса. Добавление 30--50 % шлака к быстросхватывающемуся измельченному клинкеру (даже без гипса) позволяет получать, как правило, нормально и медленно схватывающийся продукт. Введение гипса, замедляя схватывание портландцемеитного клинкера, значительно ускоряет схватывание шлакопортландцемента, возбуждая гидравлическую активность шлака.

Шлакопортландцемент соответственно ГОСТ 10178--76 (с изм.) разделяют по показателям прочности на марки 300, 400 и 500.

Активность шлакопортландцемента при одинаковой тонкости помола определяется, главным образом, оптимальным для данного шлака химическим и минеральным составом клинкера и соотношением между шлаком и клинкером. Для производства шлакопортландцемента предпочтителен клинкер активностью 40--50 МПа с умеренно повышенным содержанием С3А (до 12 %) и преобладанием C3S в силикатной части.

Шлакопортландцемент характеризуется относительно медленным нарастанием прочности в начальные сроки твердения, что особенно ощутимо при испытании образцов из пластичного раствора. В более отдаленные сроки твердения прочность обыкновенного шлакопортландцемента возрастает и через 2--3 мес даже превосходит прочность портландцемента той же марки.

Рядовой шлакопортландцемент по сравнению с портландцементом при схватывании и твердении более чувствителен к влиянию температуры окружающей среды. При пониженных положительных температурах (2--6°С) его схватывание и твердение значительно замедляются, а при тепловлажностной обработке резко ускоряются. Термообработка бетонов на шлакопортландцемеите при 80--95°С способствует ускорению процессов твердения, причем через 28 сут прочность пропаренных бетонов в 1,5--2 раза превосходит прочность тех же бетонов, твердевших при обычной температуре (15--20 °С).

Активность обычных шлакопортландцементов и портландцементов, измельченных до удельной поверхности около 3000 см2/г, при длительном хранении изменяется примерно одинаково. Быстротвердеющий же шлакопортландцемент при хранении вследствие значительной удельной поверхности относительно быстро теряет активность и особенно способность к интенсивному росту прочности в ранние сроки твердения (1--3 сут). Поэтому быстротвердеющие шлакопортландцементы следует применять после изготовления в первые 5--7 сут и во всяком случае не позднее двух недель. В эти сроки прочность цемента при хранении снижается относительно мало.

Шлакопортландцемент при твердении обычно отличается равномерным изменением объема. Даже при использовании клинкеров с повышенным коэффициентом насыщения, содержащих до 3,5 % СаО и поэтому непригодных для получения портландцемента, СаО свободный в шлакопортландцементе связывается шлаком и не вызывает неравномерности изменения объема. Шлакопортландцемент менее чувствителен и к повышенным добавкам гипса.

Тепловыделение при твердении шлакопортландцемента меньше, чем у портландцемента, причем тем меньше, чем больше в нем шлака, и тем значительнее, чем выше его удельная поверхность

Тепловыделение быстротвердеющего шлакопортландцемента примерно такое же, как и портландцемента.

Усадка и набухание шлакопортландцемента при одинаковой тонкости помола характеризуются приблизительно такими же показателями, что и усадка и набухание обычного портландцемента. С увеличением содержания в клинкере C2S и повышением тонкости помола усадка и набухание шлакопортлаидцемеита, как и портландцемента, возрастают.

Быстротвердеющий шлакопортландцемент вследствие высокой удельной поверхности обладает повышенной усадкой, достигающей через 3 мес 0,6--0,7 мм/м (у образцов из пластичного раствора 1:3). Поэтому его не следует применять в тех областях строительства, где предъявляются особые требования к значению усадочных деформаций, например при устройстве дорожных покрытий, в условиях сухого и жаркого климата. По интенсивности миграции влаги бетоны на шлакопортлаидцементах и портландцементах практически равноценны.

Жаростойкость шлакопортлаидцемеита значительно превосходит жаростойкость портландцемента. Шлакопортландцемент способен без снижения прочности выдерживать длительное воздействие высоких температур (600--800°). Это объясняется, главным образом, пониженным содержанием свободного Са(ОН)2.

Стойкость шлакопортландцементов при воздействии мягких и сульфатных вод выше, чем портландцементов. В частности, против сульфатной агрессии более стойки шлакопортландцемеиты с пониженным количеством клинкера, содержащие кислые малоалюминатные шлаки с повышенным (до 8--10 %) количеством MgO. Вместе с тем необходимо отметить, что шлакопортландцемеиты такого состава часто характеризуются невысокой активностью.

Повышенная стойкость шлакопортландцементов в мягких водах объясняется образованием при их твердении цементирующих новообразований пониженной основности и незначительным содержанием в цементном камне гидроксида кальция. В связи с этим для частей сооружений, постоянно находящихся в воде, в частности речной, предпочтительнее шлаковые портландцементы, а не обычный портландцемент. Значительное снижение концентрации гидроксида кальция в жидкой фазе твердеющего шлакопортландцемента уменьшает возможность образования трехсульфатной формы гидросульфоалюмината кальция (эттрингита) при проникании сульфатных вод. Поэтому в затвердевшем цементном камне не возникают вредные объемные деформации, нарушающие его структуру. Этим объясняется более высокая стойкость шлакопортландцементных бетонов в минерализованных сульфатных водах по сравнению со стойкостью бетонов на портландцементе. В кислых и углекислых водах, где степень разрушения цементного камня мало зависит от содержания в нем Са (ОН)2, стойкость шлакопортландцемента примерно такая же, как и портландцемента.

2. Выбор сырьевых материалов

В качестве сырья используются:

Известняк.

Для производства портландцемента можно применять различные виды карбонатных пород: известняк, мел, известковый туф, известняк-ракушечник, мергелистый известняк, мергель и т.п. Углекислый кальций в известняках представлен минералом кальцитом. Кальцит имеет твердость 3. 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 мим.

Глинистые породы

Из глинистых пород используют обычно глину, суглинок, глинистый сланец, мергелистую глину, лесс, лессовидный суглинок. Основой глины являются водные алюмосиликатные минералы в виде тонких частиц (< 2 мкм), причем встречаются мономинеральные и полиминеральные глины. Глинистое вещество - это в основном гидроалюмосиликаты m Al2O3 * n SiO2 * p H2O, где значения коэффициентов при окислах для отдельных глинистых минералов различны. В кристаллическую решетку гидроалюмосиликатов могут также входить K, Na, Mg, Ca, Fe.

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 (~ 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%. 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%).шлакопортландцемент материал производство сырьевой

Глинистые породы содержат нужные для производства портландцемента кислотные окислы SiO2, Al2O3 и Fe2O3, в известняках находится основной окисел СаО. Главным признаком пригодности глины для производства портландцемента, являются значения ее силикатного и глиноземного модулей, которые определяют величину этих модулей в портландцементе, так как карбонатный компонент сырьевой смеси обычно содержит немного глинистых примесей.

Карбонатное и глинистое (алюмосиликатное) сырье должно быть возможно более однородным по составу и структуре, не содержать включений крупных зерен кварца и других обломочных пород, затрудняющих помол сырья и трудно усваиваемых в процессе обжига.

Доменные шлаки

Железные руды наряду с оксидами железа содержат то или иное количество примесей (кварцевый песок, глина, карбонаты кальция и магния, соединения фосфора и серы и др.), называемых в совокупности пустой породой. Некоторые из них (соединения фосфора и серы) вредно отражаются на качестве чугуна. Неорганические примеси есть и в топливе, загружаемом в домну для плавления руды. Поэтому в процессе доменного производства необходимо не только восстановить из оксидов железо, но и освободить его от примесей, вносимых с рудой и топливом.

Так как пустая порода в руде редко бывает легкоплавкой, то для ее удаления в шихту вводят специальные добавки - плавни (флюсы), способные образовывать с ней легкоплавкие соединения. В качестве плавней применяют обычно карбонатные породы - известняк, доломит и т.п.

В процессе плавки карбонаты вступают в химическое взаимодействие с компонентами пустой породы и минеральной части топлива, причем образуются легкоплавкие силикаты и алюмосиликаты кальция и магния. При 1400-1500 °С эти соединения плавятся и в виде шлакового расплава, скапливающегося вследствие меньшей плотности над слоем чугуна, выпускаются из доменной печи. При выплавке 1 т чугуна на коксе в среднем получается 0,5-0,7 т шлака.

Химический состав доменных шлаков зависит от состава руды, плавней, вида применяемого топлива и выплавляемого чугуна.

Обычно в состав доменных шлаков входят оксиды CaO, Si02, А1203, MgO, FeO и сернистые соединения CaS, MnS, FeS, а иногда Ti02 и соединения фосфора. В незначительных количествах встречаются в шлаках и другие оксиды, существенно не влияющие на их свойства. Преобладающими в доменных шлаках являются CaO, Si02, A1203 и отчасти MgO, суммарное содержание которых достигает 90-95%.

По химическому составу доменные шлаки отличаются от портландцементного клинкера лишь соотношением некоторых компонентов. Шлаки содержат повышенное количество кремнезема, частично глинозема и меньше оксида кальция.

Гипс вводят в состав портландцемента для регулирования сроков схватывания. Он замедляет начало схватывания и повышает прочность цементного камня в ранние сроки. Количество гипса в цементе нормируется по содержанию SO3. В обычных цементах оно должно быть не менее 1,0 и не более 3,5%, а в высокопрочных и быстротвердеющих - не менее 1,5 и не более 4,0%.

3. Технология производства

3.1 Способы производства шлакопортландцемента

В настоящее время применяют три способа подготовки сырьевой смеси из исходных материалов: мокрый (помол и смешение сырья осуществляются в водной среде), сухой (материалы измельчаются и смешиваются в сухом виде) и комбинированный.

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 сырьевой смеси при мокром способе в 1,5-2 раза больше, чем при сухом. Кроме того, значительно возрастают размеры обычных вращающихся печей при обжиге в них мокрой сырьевой смеси, так как эти тепловые агрегаты в значительной мере выполняют функции испарителей воды.

Сухой способ, несмотря на его технико-экономические преимущества по сравнению с мокрым, длительное время ограниченно применялся вследствие пониженного качества получаемого клинкера. Однако успехи в технике тонкого измельчения и гомогенизации сухих смесей обеспечили возможность получения высококачественных портландцементов и по сухому способу. Это предопределило рост производства цемента по этому способу.

Сущность комбинированного способа заключается в том, что сырьевую смесь готовят по мокрому способу, затем шлам обезвоживается на пресс-фильтрах, просушивается, гранулируется и направляется в печь, при этом влажность гранул 16-20%. Комбинированный способ по ряду данных почти на 20-30% снижает расход топлива по сравнению с мокрым способом, но при этом возрастают трудоемкость производства и расход электроэнергии.

3.2 Выбор способа производства

Технологический процесс получения шлакопортландцемента на заводах (полным производственным циклом (включая получения клинкера) состоит из следующих основных операций:

1. Изготовление портландцементного клинкера;

2. Подготовка гранулированного шлака;

3. Получение шлакопортландцемента совместным помолом этих двух материалов и гипса.

Помол клинкера может проектироваться как по открытому, так и по замкнутому циклу в сравнении с помолом по открытому циклу эффективнее в тех случаях, когда необходимо получить цемент с высокой удельной поверхностью или цементы различной тонкости помола, а также когда измельченные компоненты сильно отличаются по размолоспособности. Цементы с удельной поверхностью выше 3500 см/г получать помолом по открытому циклу неэффективно. Расстояние между соседними мельницами принимается 12, 18, 24 и 30 м в зависимости от размеров мельниц и общего компоновочного решения.

Достоинством помола в замкнутом цикле является возможность увеличивать загрузку мельницы мелющими телами до 30%, что повышает ее производительность при одновременном увеличении удельной поверхности готового продукта. Кроме того, уменьшается износ мелющих тел и броне футеровки, повышается активность цемента и потребителю отгружают продукт с несколько пониженной температурой. А это означает, что могут ни понадобиться специальные холодильники для охлаждения готового цемента.

Технология производства шлакопортландцемента отличается тем, что гранулированный доменный шлак подвергается сушке при температурах, исключающих возможность его рекристаллизации, и в высушенном виде подается в цементные мельницы. При помоле ШПЦ-та производительность многокамерных трубных мельниц понижается, что объясняется, по-видимому низкой средней плотностью шлака, ограничивающей возможность достаточного заполнения по массе объема мельниц.

3.3 Описание технологического процесса

Гранулированный шлак предварительно сушат в сушильных барабанах до влажности, не превышающей 1-2%. Шлак не следует нагревать не выше 600-700°С, т. к. при более высокой температуре он может расстекловываться, что вызывает уменьшение его гидравлической активности.

Высушенный шлак, портландцементный клинкер и гипс дозируют и направляют на помол в трубную мельницу.

Основными факторами, определяющими выбор схемы дробления сырьевых материалов, являются их физические свойства, а также размеры кусков, поступающих на измельчение. Оптимальная степень предварительного измельчения сырьевых материалов зависит от их размолоспособности.

Дробление материалов может производиться в одну, две или три стадии. Крупность кусков материалов, поступающих в мельницу, должна быть не выше 10-15 мм для клинкера, 30 мм для гипса. Влажность клинкера не должна

превышать 0, 5%, гипса (как добавки к клинкеру) -10%, гранулированного шлака 2%.

Трубные мельницы с открытым циклом измельчения применяют для помола сырьевых материалов, а также клинкера. Для получения цемента с удельной поверхностью 3000-3500 см/г и выше применяют обычно более экономичные мельницы, работающие в замкнутом цикле с воздушными сепараторами, одно- и двухкамерные. Чаще используют помольные установки в двухкамерными мельницами.

Измельченный в мельнице материал поступает в сепаратор, где из него выделяются фракции тех размеров, какие требуются для готового продукта, а более крупные частицы направляются снова в мельницу на дополнительное измельчение. Таким образом, из материала непрерывно извлекаются наиболее дисперсные частички, которым особенно присуще свойство агрегироваться и прилипать к мелющим телам и стенкам мельницы. Благодаря этому производительность помольных установок возрастает на 10-20%.

На помольных установках с сепараторами создается возможность получать высоко-прочные быстро-твердеющие цементы с удельной поверхностью до 3500-4000 см /г и более при пониженном содержании в них тончайших частиц, быстро теряющих активность. Кроме того, в мельничных установках с сепараторами создаются предпосылки к лучшему охлаждению материала (на 25-35°С), что положительно сказывается на его измельчении. Эти установки характеризуются большой маневренностью в работе и позволяют выпускать цементы с различной тонкостью помола при постоянных загрузках и размерах мелющих тел.

Полученный портландцемент транспортируется из мельниц пневматическим путем в силосы для хранения. После определения качества цемента часть его поступает в упаковочную машину. Здесь он автоматически насыпается в бумажные мешки, которые затем отгружаются с завода железнодорожным, автомобильным или водным транспортом. Остальную часть цемента отправляют навалом в специальных железнодорожных вагонах или в контейнерах цементовозах.

Размещено на Allbest.ru