Цемент используется при изготовлении бетона, строительных растворов, железобетонных конструкций, изделий из асбоцемента. Он представляет собой категорию вяжущих гидравлических веществ в форме минеральных порошков тонкого помола, которые при увлажнении создают пластичную массу. Раствор со временем затвердевает в камень. Делают цемент из алюминатов кальция и силикатов.
Основная характеристика
Портландцемент является наиболее распространенным вяжущим веществом, которое твердеет на воздухе и при увлажнении. В группу цемента включаются шлакопортландцемент, пуццолановый и глиноземистый вид, расширяющий и другие разновидности. Материал получается при обжиге известняковой смеси или мергелей при температуре 1450−1500°. Природные компоненты постепенно продвигаются к выходу в цементообжигательной печи. Получается спекшийся цементный клинкер, в составе которого кристаллические частицы объединяются стекловидной массой.
Портландцемент производится в чистом виде или к нему добавляются примеси в виде минеральных добавок. Активные вещества снижают потребность в воде, уменьшают содержание воздуха. Их количество в готовой продукции не превышает 15% от веса материала. Выпускаются специальные составы на основе портландцемента, которые используются в особых условиях и отличаются технологией приготовления и начальным сырьем.
Портландцемент содержит тонко размолотый клинкер с гипсовым компонентом (3,5−7%), в состав вводятся активные добавки. Обжиг способствует накоплению в массе силикатов кальция. Клинкер меняет свойства в зависимости от первоначального состава и степени помола.
Существует понятие марки цемента для описания времени затвердевания, количества добавок и степени прочности полученного материала. Сроки схватывания регулируются добавками двухводного гипса (1,4−3,5%) от массы.
Виды материала
Сульфатостойкий цемент отличается стойкостью к минерализованной водной среде, морозному воздуху, меньше выделяет тепла при затвердевании, медленнее набирает прочность. Смесь предназначается для бетонирования гидротехнических конструкций, работы в морской воде при непрерывных оттаиваниях и промерзаниях. В исходном сырье присутствует ограниченное количество железа, применение любых добавок исключается.
Сухая смесь получается на основе клинкера белого цвета при совместном помоле с красящими пигментами. Применяется железный сурик, охра, окись хрома. Используется в строительстве для придания отделке сооружений привлекательного вида, устройства площадей перед монументальными зданиями.
Белый цемент получается, если используется маложелезистый клинкер. Серый оттенок получается при повышенном содержании железа. Белые смеси применяются для создания прочных скульптур, декоративных колонн, используются для оформления фасадов, бетонирования покрытий дорог и подъездов к сооружениям.
Шлаковый и тампонажный
Шлаковые смеси — это группа цементов, которые производятся при размоле доменных шлаков одновременно с добавками. Применяется гипс, известь, ангидрит. Другая технология получения предусматривает введение добавок в готовое измельченное сырье. Выпускается известково-шлаковый и сульфатно-шлаковый виды. Шлаковые смеси используются для бетонирования подземных и подводных конструкций, устройства автоклавных элементов.
Тампонажный вид портландцемента производится для цементирования газовых и нефтяных скважин. Получается при одновременном помоле гипса и клинкера. Цементные смеси различаются по условиям применения. Холодные цементы применяются при морозе до — 40 °C, горячие составы используются в скважинах при жаре до + 70 °C. Для затворения цементного раствора требуется добавить половину воды от массы сухого вещества.
Другие разновидности
Пуццолановый материал. Название собирает в группу цементы, в составе которых присутствует не меньше 20% минеральных активаторов. В качестве вяжущего используется пуццолана — вулканическая рыхлая порода. Смесь отличается повышенной сопротивляемостью коррозии при работе в сульфатной и мягкой водной среде, замедленным временем твердения, пониженной стойкостью к морозам. Используется в подводном и подземном строительстве.
Напрягающий цемент. Получается при одновременном помоле клинкера со шлаком и гипсом. Раствор быстро затвердевает и набирает прочность. Бетон отличается минимальной гигроскопичностью, в процессе схватывания расширяет объем, за счет этого повышает давление. Это явление используется для производства напряженного железобетона, арматура в котором натягивается. Цемент применяется при выпуске напорных труб большого диаметра, строительстве больших емкостей, тонкостенных сооружений.
Основное сырье
Качество цемента зависит от первоначального состава, технологии обжига и степени помола смеси. Эти условия определяют прочность материала после увлажнения. Сырье для выпуска подразделяется на основные компоненты и вещества, которые добавляются при размоле клинкера.
Чувствительность цемента повышается с увеличением количества добавок, углекислота и влага из воздуха приводят к потере активности при хранении. Тонкомолотые высокоактивные материалы тщательно упаковываются и подлежат быстрому употреблению. Годность сырья определяется на основании технико-экономического анализа производства в районе выпуска. Учитывается разновидность топлива, метод получения, требуемое качество готовой смеси.
Карбонат и глина
Карбонатные породы, которые накапливаются из животных остатков на дне водных объектов одновременно со слоями углекислого кальция. В природе существуют в виде известнякового туфа, ракушечника, мела, мрамора. В производстве цемента мрамор не используется. Осадочные породы имеют в составе разнообразные химические вещества и показывают хорошие физические характеристики.
Глинистые породы представлены в производстве мергелем, глиной, сланцем. Тонкодисперсные породы легко плавятся и увлажняются. Вещества отличаются минералами и размерами гранул даже в одном месте добычи. Применяется каолинит, гидрослюда, монтмориллонит, эти породы часто содержат кварцевый песок в виде примеси.
Мергель, лесс и сланцы
Мергели являются природными смесями песка и глины с включением мелких гранул кальция. В зависимости от первоначального состава мергели разделяются на глинистые, известковые и песчаные породы.
Лесс добывается в виде осадочных пористых пород сероватого цвета. Вещество по характеристикам приближается к мергелю, но в его составе преобладают крупные гранулы. Содержится много глиняных частиц, почти отсутствует песок.
Метаморфические глинистые сланцы образуются из глин под действием высокого давления при сдвиге земных слоев. От глин отличаются большей плотностью и прочностью, образцы не увлажняются.
Отходы и минерализаторы
Применяются отходы доменных агрегатов и нефелиновый шлам. Последний вид в составе имеет двукальциевый гидратированный силикат. Недостатки сырья заключаются в высоком количестве щелочей и необходимости увеличения числа добавок.
Минерализаторы используются для улучшения химического состава клинкера в процессе обжига. Вещества повышают активную реакцию портландцемента и помогают создавать силикаты, при этом требуется меньшая температура для образования клинкера.
Добавки к клинкеру
Количество активных минералов в составе смеси зависит от требуемой марки портландцемента, при этом учитывается качество добавки. Активные компоненты бывают искусственные и природные. Их назначение заключается в связывании гидрата кальция, свободно выделяющегося при твердении цемента, т. к. это вещество не растворяется в жидкости.
Виды добавок:
- природные примеси осадочного типа от растений в водоемах (опоки, диатомиты, трепелы) и вулканических пород, которые образовались после выхода магмы (пеплы, туфы, пемза);
- гранулированные шлаки из доменных печей, топливная зола, обожженная глиняными веществами;
- гипсовый камень в форме сернокислого двухводного кальция.
Поверхностные активаторы подразделяются на гидрофобизирующие вещества и пластификаторы. Эти добавки применяются для производства почти всех видов цемента. Пластифицирующие компоненты добавляются в форме концентрированной спиртово-сульфитной барды. Они выделяются при выпуске целлюлозы и добавляются в портландцемент в количестве 0,16−0,26% от веса. В качестве гидрофобизаторов используются асидолы, мылонафты, которые получаются при нефтяной переработке, в смеси их содержится 0,05−0,3% от массы.
Технология производства
Заводы по выпуску цемента располагаются недалеко от месторождений глины и известняка, это уменьшает затраты на хранение и перевозку. Залежи полезных ископаемых разрабатываются открытым способом с помощью экскаваторов, бульдозеров. Активно используются комбайны для одновременной добычи и размачивания пород, которые имеют влажность около 50%. Используется гидромеханический транспорт для подачи такого шлама из карьера на завод.
Производственный цикл складывается из операций:
- добыча и перевозка сырья;
- дробление крупных кусков и последующий помол;
- приготовление смеси и корректирование активаторами;
- получение клинкера в результате обжига;
- помол клинкера с введением улучшающих добавок.
Мокрый способ
Измельчение, смешивание смеси, введение минералов происходит с добавлением определенного количества жидкости. Мягкие компоненты обрабатываются в болтушках, твердые породы помещаются в мельницы. Метод помола выбирают в зависимости от механических и физических свойств сырья.
Вначале сырье перемалывается, при этом тонкость измельчения зависит от количества взаимодействующих пород. Химические реакции между компонентами происходят еще в твердом виде. Влага облегчает помол материалов и способствует однородности смешивания. Тепло расходуется в большем количестве при обжиге влажной консистенции, потери достигают 40% по сравнению с сухим методом.
Возрастает необходимость увеличения объема поворотной печи, т. к. при помещении туда мокрого шлама часть пространства работает в качестве испарителя.
Сухой метод
Глина и известняк предварительно дробится, высушивается до состояния, при котором влажность составляет 1% и перемалывается в муку. Компоненты сушатся отдельно в сушильных барабанах или совместно в сырьевых мельницах. Мука направляется в корректирующие силосные агрегаты, где насыщается сжатым воздухом и соединяется с минералами для приведения к требуемому химическому составу.
В грануляторах получаются зерна размером до 25 мм, затем осуществляется обжиг во вращающихся печах, автоматических шахтных установках. Применяются конвейерные печи-кальцинаторы, агрегаты для обжига во взвешенной субстанции. Гранулы непрерывно загружаются в футерованное жерло, в середине печи сжигается топливо, воздух для поддержания горения подается снизу. Продукты сгорания выводятся вверх, попутно проходят слой свежей партии сырья, нагревают его.
Комбинированный выпуск
Смешивается сырье по мокрому способу, при этом достигается однородная консистенция. Затем масса обезвоживается в специальных агрегатах (вакуумных фильтрах) и в форме полусухой смеси поступает для обжига в шахту. Влажность теста перед нагреванием составляет 15−18%. Печная пыль смешивается с массой, предотвращает преждевременное спаивание, разрыхляет и высушивает до 11−13% влажности.
Мокрый метод используется при смешивании мягких горных пород, например, мела и глины. Сухой способ лучше работает при влажности сырья до 10%, а комбинированное производство применяется для пластичных компонентов.