Цемент — искусственное неорганическое вяжущее вещество, является одним из ключевых строительных материалов. Чаще всего цемент используют для приготовления строительных растворов и бетонов.
ВИДЫ ЦЕМЕНТА
Водонепроницаемый расширяющийся цемент - это быстросхватывающее и быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество. Получают цемент путем смешивания и тщательного помола глиноземистого цемента (70%), гипса (20%) и высокоосновного гидроалюмината кальция (10%).
Отличительные характеристики цемента: быстрая схватываемость. Процесс начинается с 4-й минуты после затворения водой, заканчивается на 10-й минуте. Через сутки после начала твердения изделие на основе ВРЦ должно быть абсолютно водонепроницаемым при давлении до 6 атм. Предельную прочность при сжатии (не менее 300 кгс/см2 (30 МПа)) изделие приобретает по истечении трех суток. Через 28 суток показатель не менее 500 кгс/см2 (50 МПа).
Водонепроницаемый расширяющий цемент применяют при восстановлении разрушенных бетонных и железобетонных конструкций, при создании водонепроницаемых швов, для гидроизоляции туннелей, стволов шахт.
Белый цемент – разновидность обычного портландцемента. Получают материал тонким помолом белого портландцементного клинкера с гипсом. Важно, чтобы сырье для белого цемента имело низкое содержание примесей железа, чтобы сохранить белизну.
По степени белизны белый портландцемент делят на три сорта. Коэффициент отражения 1-го сорта – 80%, 2-го сорта – 75%, 3-го сорта - 68%. Наивысшей белизной отличается датский портландцемент с коэффициентом отражения - 87%.
Белый портландцемент бывает 400-й и 500-й марок.
Существует белый портландцемент с добавками, в котором содержится до 20% минеральных добавок. В обычном белом портландцементе содержание пластифицирующих и гидрофобизирующих добавок не более 0,5%.
Время схватывания белого портландцемента такое же, как у обычного портландцемента.
Цветные цементы получают на базе белых, добавляя специальные красящие добавки: охра, окись хрома, кобальта, цинка, мытая марганцевая руда, железный сурик, ультрамарин и др. Добавление в цемент красителей снижает прочность материала.
Белый и цветной цемент дороже обычного портландцемента из-за более длинной цепочки производства и применяют в основном в декоративных целях.
Быстротвердеющий цемент отличается от обычногоцемента более высокими темпами нарастания прочности в начальные сроки твердения. Через сутки предел прочности изделий на основе быстротвердеющего портландцемента на 17-23% выше прочности изделий из обычного портландцемента. Через 3 суток твердения показатель равен 250 кгс/см2 (25 МПа).
Быстротвердеющий цемент используют для конструкций из сборного железобетона, при изготовлении цементных и бетонных растворов, в кладочных работах. Производят марок M400 Д20Б и М500 Д20Б.
Гидрофобный цемент отличается от обычного цементатем, что при его производстве добавляется одна операция - ввод гидрофобизующей добавки асидола в процессе измельчения клинкера. Добавка состоит из: асидолмылонафта (0,1 % массы цемента), мылонафта (0,2 – 0,25 %), олеиновой кислоты (0,1 %), окисленного петролатума (0,15 – 0,3 %).
Гидрофобный портландцемент отличается высокой плотностью и применяется в гидротехническом строительстве. Выпускается марок 300 и 400.
Отличает гидрофобный цемент его способность не комковаться при транспортировке и хранении. Материал долгое время сохраняет рабочие характеристики.
Глиноземистый цемент получают в результате помола заранее обожженной до спекания или плавления сырьевой смеси из глинозема и известняков. Процесс производства такого цемента более затратный, поэтому стоимость продажи его в 3-4 раза дороже обычного портландцемента.
Изделия на основе глиноземистого цемента через сутки твердения показывают большую механическую прочность (50%-90%). Высокая водонепроницаемость и скорость набора прочности глиноземистого цемента делает его ценным материалом для военного и транспортного строительства. Глиноземистый цемент выпускаю марок 300, 400 и 500.
Глиноземистый цемент используют для изготовления быстротвердеющих строительных и жаростойких растворов и бетонов. Потребителями материала являются предприятия оборонного значения, черной и цветной металлургии, топливно-энергетического комплекса.
Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент получают путем помола смеси высокоглиноземистого шлака и двухводного сернокислого кальция. Цемент содержит до 30% гипса.
Растворы и бетоны на основе гипсоглиноземистого расширяющегося цемента отличаются высокой водонепроницаемостью, характеризуются временем начала схватывания - не ранее 10 минут и временем конца схватывания – не позднее 4 часов.
Цемент предназначен для изготовления расширяющихся, безусадочных, водонепроницаемых бетонов и растворов, применяемых при замоноличивании стыков конструкций и заделке раковин в бетоне, для гидроизоляции стыков сборной обделки тоннелей при водопритоке через швы, для зачеканки раструбов стыковых соединений труб, при строительстве перемычек в емкостях для хранения топлива и других аналогичных целей.
Магнезиальный цемент получают путем совместного помола клинкера с высоким содержанием оксида магния (до 8-9%). Если в состав добавить 30-50% молотого доменного шлака, то получится шлаковый магнезиальный портландцемент.
Выпускают магнезиальный и магнезиальный шлаковый портландцемент марок 200, 250, 300 и 400. Требования к таким цементам предъявляют как к обычному портландцементу. Единственное отличие в проведении испытаний на равномерность изменения объема при твердении с помощью автоклавной обработки при 21 атм.
Цемент характеризуется более медленным твердением и низкой прочностью на изгиб. Применяют для приготовления строительных смесей, цементных и бетонных растворов, в производстве железобетонных и бетонных конструкций, строительных блоков и конструкционных элементов зданий.
Напрягающий цемент получают в результате помола клинкера из портландцемента, гипса и глиноземистого цемента. В состав напрягающего цемента НЦ входят портландцемент (65%-75%), глиноземистый цемент (13-20%) и гипс (6-10%).
Начало схватывания напрягающих цементов НЦ наступает через 30 минут с момента затворения водой и заканчивается не позже 4 часов.
Применение напрягающих цементов для производства бетона дает последнему способность оказывать давление на препятствия, ограничивающие его расширение. Это усилие бетона можно назвать свойством самонапряжения. Также применение НЦ способствует хорошей гидроизоляции железобетонных конструкций, повышает их трещиностойкость, увеличивает стойкость к воздействию агрессивной окружающей среды.
Для получения напрягающего цемента НЦ высокого качества, обеспечивающего гидроизоляцию, является строгое следование технологиям и поддержание постоянства химико-минералогического состава исходных сырьевых компонентов. Гидроцементы НЦ разделяются на безусадочные цементы НЦ-10, цементы с малой энергией самонапряжения НЦ-20, цементы со средней энергией самонапряжения НЦ-40 и цементы с высокой энергией самонапряжения НЦ-60.
Пластифицированный цемент получают путем помола цементного клинкера, гипса и пластифицирующей поверхностно-активной добавки, которая обеспечивает растворам и бетонам на этих цементах повышенную подвижность, удобоукладываемость и морозостойкость.
Добавка может применяться в сухом или жидком виде в объеме не более 0,3% от массы цемента в пересчете на сухое вещество.
Изготовленные на пластифицированном цементе бетоны характеризуются повышенной прочностью, более высокой водонепроницаемостью и повышенной сопротивляемостью коррозионным воздействиям по сравнению с бетоном на обычном портландцементе.
Портландцемент– разновидность вида гидравлического вяжущего вещества, в составе которого есть силикаты кальция (70%-80%). Получают путем помола клинкера с добавлением гипса (1,5% - 3,5% от массы цемента) для регулировки сроков схватывания.
Материал не обладает достаточными эксплуатационными свойствами для применения его в особых условиях, например, для тампонажных работах при строительстве плотин или при бурении скважин. Для этого созданы специальные виды цементов. Они имеют особый химический и минералогический состав, получаемый в результате добавление специальных сырьевых материалов и добавок-модификаторов.
Портландцемент с умеренной экзотермией (тепловыделением) получают путем помола клинкера, который содержит не более 50% трехкальциевого силиката и не более 8% трехкальциевого алюмината. Цемент с умеренной экзотермией характеризуется повышенной сульфатостойкостью из-за содержания в составе трехкальциевого алюмината.
Свойства веществ увеличиваться в объеме при нагревании и сжиматься при охлаждении может повлиять на возникновение трещин. Использование портландцемента с умеренной экзотермией позволяет изделию на его основе препятствовать развитию последствий воздействия агрессивной среды.
Портландцемент с умеренной экзотермией применяют в строительстве массивных бетонных конструкций, которые подвергаются частому попеременному замораживанию и оттаиванию в пресной или слабо минерализованной воде. Выпускают чаще всего марок 300 и 400.
Пуццолановый цемент – гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного помола цементного клинкера и активной минеральной добавкой (20% - 35%). Для регулирования сроков твердения цемента добавляют гипс (1,5% - 3,5%).
Пуццолановый цемент отличается от обычного портландцемента повышенной коррозионной стойкостью (особенно в мягких и сульфатных водах), меньшей скоростью твердения и пониженной морозостойкостью.
Такой вид цемента можно получать не только на заводах, но и на стройках, в специальных сушильно-помольных установках. В них активная минеральная добавка высушивается, затем размалывается и смешивается с цементом или осуществляется совместный помол клинкера с предварительно высушенной добавкой. Установка помольного оборудования непосредственно на строительном объекте может быть выгодна только при масштабных работах.
Пуццолановый цемент применяют в основном для производства бетонов и железобетонных конструкций, используемых в подводных и подземных сооружениях. Также применяют при строительстве конструкций, находящихся в условиях повышенной влажности.
Расширяющимийся цемент – гидравлическое вяжущее, способное при твердении увеличиваться в объеме в пределах 0,2%-2%. Увеличение объема происходит из-за роста кристаллов гидросульфоалюминатов кальция, образующегося в начальные сроки твердения. Основное расширение цемента происходит в течение первых семи суток и лучше всего достигается во влажных условиях.
Получают путем совместного помола клинкера и добавок в зависимости от вида расширяющегося цемента.
Основными видами расширяющихся цементов являются: расширяющийся портландцемент, напрягающий цемент, водонепроницаемый расширяющийся цемент, гипсоглиноземистый расширяющийся портландцемент, гипсошлакоглиноземистый цемент.
Расширяющийся цемент не испытывает усадки при твердении. Предупреждает такие негативные влияния, как трещины в местах соединения бетонных и железобетонных конструкций. Расширяющийся цемент характеризуется высокой стоимостью, а изделия на его основе имеют низкую морозостойкость.
Высокая водонепроницаемость цементов позволяет их использовать для строительства и гидроизоляции гидротехнических сооружений, напорных труб из железобетона, при заделке стыков строительных конструкций, в строительстве подводных и подземных сооружений, в строительстве бассейнов.
Сульфатостойкий цемент получают в результате помола клинкера, в составе которого трехкальциевого алюмината не более 5% и трехкальциевого силиката не более 50%. Условие необходимо для предотвращения развития сульфатной коррозии, возникающей в результате взаимодействия сульфатов, находящихся в окружающей среде, с трехкальциевым гидроалюминатом цементного камня.
Сульфатостойкий цемент применяют для изготовления бетонных и железобетонных конструкций наружных зон гидротехнических сооружений, находящихся в условиях сульфатной агрессии, при одновременном систематическом попеременном увлажнении - высыхании или замораживании - оттаивании. Сульфатостойкость достигается за счет уменьшения в клинкере содержания С3А (максимум 8%). Содержание добавок вулканического происхождения должно быть в пределах 25% - 40%, добавок осадочного происхождения в пределах 20% - 30%.
Сульфатостойкий портландцемент чаще выпускают двух марок: 300 и 400.
Тампонажный цементполучают в результате совместного помола клинкера и гипса. Применяют для тампонирования нефтяных и газовых скважин с целью их изоляции от грунтовых вод.
Основные требования к тампонажным портландцементам заключаются в способности материала придать раствору достаточной подвижности, и определенные сроки схватывания: начало схватывания не должно наступить раньше окончания тампонирования.
Раствор на объектах накачивают в скважины насосами, и для получения подвижного раствора, цемент затворяют с большим количеством воды (50% от веса цемента) без добавки песка. Ключевым влияющим фактором при твердении является температура в скважине. При увеличении температуры процессы твердения раствора ускоряются, его механическая прочность повышается, а время начала схватывания сокращается. Температура твердения выше 120°С понижает прочность раствора и резко сокращает сроки схватывания. Для замедления схватывания тампонажных цементов применяют различные добавки, замедляющие действие гипса: казеин, борную кислоту, соли лигносульфоновых кислот.
Шлаковый цемент - гидравлическое вяжущее, получаемое совместным помолом портландцементного клинкера, гипса и высушенного доменного шлака. Различают нормальный, сульфатостойкий и быстротвердеющий шлакопортландцемент.
В составе шлакового цемента количество доменного шлака должно составлять 21% - 60%. Замена до 10% гранулированного шлака трепелом улучшает технические свойства цемента. Количество вводимого гипса в состав шлакопортландцемента определяется экспериментально.
Шлаковый цемент отличается высокой прочностью на изгиб и на растяжение.
Шлакопортландцемент применяют для изготовления массивных конструкций из бетона, работающих во влажных условиях или в горячих цехах. Изделия на основе шлакопортландцемента характеризуются высокой морозостойкостью, воздухостойкостью и коррозионной стойкостью. Шлакопортландцемент широко применятся в строительстве гидроэлектростанций, цехов предприятий черной металлургии и тяжелой индустрии.
Шлакопортландцемент не применяют в монолитном строительстве или других работах по бетонированию при низких температурах, т.к. его твердение сопровождается более низкими показателями тепловыделения по сравнению с обычным цементом.
Шлакопортландцемент производят марок 300, 400 и 500.
ПРОИЗВОДСТВО ЦЕМЕНТА
Современные цементные заводы - это высокомеханизированные и автоматизированные производственные комплексы, где управление и контроль за технологическим процессом на осуществляется с дистанционных пультов.
1. Для приготовления сырьевой смеси на цементных заводах используют известняк и глину. Эти материалы, как правило, добывают в карьере недалеко от цементного производства. С помощью транспорта их доставляют на производство и выгружают на конвейер для отправки в дробильный цех.
2. На цементном заводе может действовать двухступенчатая и трехступенчатая система дроблении. При первичном дроблении уменьшается размер компонентов, чтобы последующее измельчение происходило с наименьшими затратами. В результате получается масса, которая состоит на 80% из известняка и на 20% из глины. На первичное дробление могут поступать куски известняка размером 100-1000 мм, глины 50-500 мм. Кроме этого могут использоваться: мергель, пемза, туфы, трассы, опока, трепел, доменные и топливные шлаки. Для большей экономичности работы мельниц следует загружать в них материал размером 8-10 мм. Полученное в после дробления сырье не должно содержать фракций крупнее 25 мм., его складируют в отвал гомогенизации и называют «сырьевой смесью».
Подробнее о первичном дроблении
Целью дробление является измельчение сырья. Это механическое действие осуществляется в дробильной мельнице, которая имеет свой оптимальный размер дробления, при котором суммарная стоимость дробления и помола минимальна. При увеличении степени измельчения возрастает расход энергоресурсов. На современном производстве могут установлены мощные четырехкамерные мельницы. Управление процессом осуществляется централизованно.
Оборудование для дробления различают на виды по способу измельчения материалов:
раздавливающее с периодическим нажатием дробящих поверхностей - дробилки щековые и конусные (для твердого и средней мягкости сырья);
раздавливающее с непрерывным нажатием дробящих поверхностей - дробилки валковые с зубьями (для влажного мягкого сырья);
ударного действия - дробилки молотковые и ударные.
Щековые дробилки выпускают с простым и сложным движением щеки. В дробилке с простым движением сырье раздавливается между неподвижной и подвижной щекой в результате периодического нажатия последней. В дробилке со сложным движением щеки раздавливание сочетается с истиранием.
Щековые дробилки со степенью измельчения 5-6 имеют размер загрузочных отверстий 900*1200, 1200*1500, 1500*2100 мм и производительность 180, 280 и 500 т/ч, способны перерабатывать куски размером до 700-1200 мм.
Щековые дробилки со сложным движением щеки применяют на второй стадии дробления. Они отличаются меньшей производительностью - 5-200 т/ч.
Конусные дробилки со степенью измельчения 3-5 используют для крупного, среднего и мелкого дробления. В них действует механизм раздавливания сырья за счет излома между двумя усеченными конусами. Внутренний конус вращается эксцентрично по отношению к внешнему неподвижному конусу. Конусные дробилки отличаются от щековых непрерывностью процесса дробления и большей производительностью - до 2400 т/ч. Одна конусная дробилка может заменить 3 щековых.
Для дробления могут закладываться куски размером до 1500 мм. Различают дробилки среднеконусные (для среднего дробления) и короткоконусные (для мелкого дробления). В отличие от более простых щековых дробилок, конусные сложнее в устройстве, труднее в эксплуатации и ремонте.
Валковые дробилки действуют путем раздавливания и истирания материала за счет вращающихся навстречу друг другу валков. Выпускают одновалковые и двухвалковые дробилки. Последние бывают двух видов: тихоходные (для дробления горных пород большой твердости) и быстроходные (для дробления пород небольшой твердости). В зависимости от сырья для дробления, валки делают гладкими, рифлеными или зубчатами.
Когда сырье попадает между валками оно отжимает валок на пружинах и проходит в разгрузочную воронку, чем предотвращается поломка дробилки (иногда происходит заклинивание валков). Степень сжатия пружин влияет на эффективность работы: при низкой степени сжатия твердые материалы могут отжать валок, затем, не измельчаясь, пройти между валками. Требуемая степень сжатия пружин определяется опытным путем. Максимальный размер кусков сырья ограничивается, прежде всего, зазором между валками и свойствами компонентов сырья. Для предотвращения налипания на валки влажное сырье необходимо предварительно подсушить.
Дробилки ударного действия применяют, как правило, на второй и третьей стадиях измельчения. Сырье измельчаются при ударе о быстровращающиеся механизмы (била, молотки) и отражающие элементы (футеровку, колосниковые решетки). Различают молотковые и роторные дробилки. В молотковых сырье измельчается за счет ударов молотков и отбойных плит, раздавливается и крошится благодаря вращающимся молоткам. В роторных дробилках сырье измельчается за счет ударов жестко закрепленных коротких бил и при ударе об отражательные плиты. Размер сырья для ударных дробилок не должен превышать 1000 мм, а величина измельченного сырья составляет до 20 мм (степень измельчения 40-50). Ударные дробилки характеризуются высокой степенью измельчения, экономичностью, небольшими размерами и массой, простотой в обслуживании. К недостаткам можно отнести быстрый износ рабочих поверхностей при измельчении прочных абразивных пород. Эффективность работы дробильных агрегатов можно повысить за счет применения виброгрохотов (отделяют материал, который может быть отправлен сразу на следующую стадию дробления).
3. Для прогрева измельченная смесь попадает в реактор-декорбанизатор, температура которого 800°С. Нагретая в реакторе смесь направляется в горизонтальную вращающуюся печь и нагревается до 1400°С. В процессе обжига происходит химическая реакция, в результате которой из известняка выделяется углекислый газ (СО2). После процедуры смесь имеет твердые гранулы и называется клинкером. Современные цементные производства отличаются большей экологичностью, по сравнению со старыми производственными мощностями. Для работы печей все чаще используют альтернативное топливо (бытовые и сельскохозяйственные отходы, покрышки, биотопливо). Ряд цементных заводов Европы, особенно в Германии, абсолютно безвредны для окружающей среды.
4. После охлаждения клинкера, его направляют в бункеры. Добавляют гипс или другие добавки, тщательно смешивают и еще раз измельчают. Получается портландцемент.
