Портландцемент

Портландцементом називають порошкоподібний матеріал, отримуваний у результаті спільного помелу клінкера (продукту спікання вапняно-глинистої суміші при температурі 1400-1500^оС), гіпсу і мінеральних добавок. Невелика добавка гіпсу (3-5%) на стадії помелу клінкера вводиться для регулювання термінів схоплювання.

Технологія виробництва портландцементу являє собою досить енергоємний процес і складається з наступних етапів: видобуток сировини в кар'єрі і його доставка на завод, приготування сировинної суміші, випал сировинної суміші до спікання (одержання клінкера), помел клінкера з одержанням порошку.

Сировиною для виробництва портландцементу служать вапняки з високим вмістом карбонату кальцію (крейда, щільний вапняк, мергелі), і глинисті породи (глини, глинисті сланці), що містять SiО₂, Al₂О_3, Fe₂O_3.

У середньому для виробництва 1 т цементу витрачається 1, 5 т сировинних матеріалів зі зразковим співвідношенням між карбонатними и глинистими складовими в сировину 3: 1.

Підготовка сировинних матеріалів до випалу полягає в тонкому подрібнюванні й змішанні компонентів з дотриманням установленого співвідношення. Залежно від виду підготовки сировинної суміші до випалу портландцемент одержують трьома способами: мокрий (помел і змішання сировини роблять у воді до одержання однорідного шламу, що містить до 40% води), сухий (матеріали подрібнюють і перемішують у сухому вигляді до отримання сировинного борошна) і комбінований (сировинну суміш готують мокрим способом, отриманий шлам збезводнюють і гранулюють).

Основним етапом виробництва портландцементу є випал, здійснюваний у печах, що обертаються. Піч являє собою зварений циліндр діаметром 4..5 м і довжиною 150...185 м. Конструкція печі і її розташування (легкий ухил до обрію) дозволяють гартованій масі переміщуватися з однієї температурної зони в іншу назустріч топковому газу. Випал підготовленої сировини супроводжується складними фізико-хімічними процесами. З цього погляду умовно його поділяють на 6 температурних зон:

1-я зона – зона випару. При поступовому підвищенні температури з 70^оС сировина підсушується.

2-я зона – зона підігріву. Сировина поступова нагрівається від 200^оС до 700^оС, вигорають органічні домішки, видаляється хімічно зв'язана вода, що містилася в глинистому мінералі.

3-я зона – зона кальціювання. Підвищення температури від 700⁰С до 1100^оС приводить до розкладання глинистого мінералу і карбонату кальцію з утворенням вільних оксидів SiО₂, Al₂О_3, Fe₂O₃, СаО. У цій же температурній зоні відбуваються твердофазові реакції взаємодії між зазначеними оксидами, в результаті яких утворюються мінерали 3СаОAl₂О_3, СаОAl₂О₃, частково 2СаОSiО₂.

4-я зона – зона екзотермічних реакцій. З подальшим підвищенням температури (1100-1250 ^оС) завершується утворення мінералів 2СаОSiО₂, 3СаОAl₂О₃, 4СаОAl₂О₃Fe₂O₃.

5-я зона – зона спікання. Температура гартованого матеріалу досягає 1300-1450⁰С. Відбувається часткове плавлення матеріалу утворюється головний клінкерний мінерал 3СаОSiО₂, повністю зв'язується вільний оксид кальцію.

6-я зона – зона охолодження. Отриманий клінкер прохолоджується до 1000⁰С, завершується формування його мінералогічного складу.

Після випалу клінкер подрібнюється в тонкий порошок переважно в трубних млинах. Зі збільшенням тонкості помелу підвищується активність цементу, однак процес подрібнювання клінкера зв'язаний зі значними витратами електроенергії, тому оптимальний розмір цементних зерен від 5 до 40 мкм.

Властивості й застосування портландцементу. На властивості портландцементу значною мірою впливають наступні фактори: мінералогічний і хімічний склад цементного клінкера, наявність добавок, тонкість помелу. Ці параметри знаходяться в безпосередньому зв'язку з такими технічними характеристиками і показниками якостів'язкуючого, як щільність, водопотреба, терміни схоплювання, рівномірність зміни об'єму, активність.

Хімічний склад клінкера виражається процентним вмістом оксидів, що у процесі випалу беруть участь у реакціях мінералоутворення цементного клінкера. Так, цементний клінкер містить: СаО –63-66%, SiО₂ – 21-24%, Al₂О₃ – 4-8%, Fe₂O₃ – 2-4%.

Мінералогічний склад клінкера включає такі мінерали:

Аліт – 3СаОSiО₂, визначає швидкість твердіння, міцнісні характеристики майбутнього цементного каменю. Вміст у клінкері – 45-60%.

Беліт – 2СаОSiО_2, твердіє повільно, але забезпечує високу міцність при тривалому твердінні. Вміст у клінкері – 20-30%.

Трикальцієвий алюмінат – 3СаОAl₂О₃, активно вступає у взаємодію з водою. Підвищений вміст цього мінералу в складі цементу є причиною сульфатної корозії. Вміст у клінкері – 4-12%.

Чотирикальцієвий алюмоферрит – 3СаОAl₂О₃, по швидкості твердіння займає проміжне положення між алітом і белітом. Вміст у клінкері – 10-20 %.

Технічні характеристики портландцементу. Істинна щільність цементу без мінеральних добавок становить 3, 0...3, 2 г/см³, насипна щільність – приблизно 1300 кг/м³.

Тонкість помелу цементу повинна бути такою, щоб при просіюванні крізь сито № 008 проходило не менше 85% маси вихідної проби.

Водопотреба цементу – це мінімальна кількість води, необхідна для приготування тіста заданої консистенції, звичайно становить 24...28%.

Строки тужавлення цементу – це час, протягом якого цементне тісто втрачає свою пластичність, переходячи майже в твердий стан. Для портландцементу марок М 400, М 500 початок тужавлення має бути не раніше 60 хв., марок М 550 і М 600 – не раніше 45 хв., а кінець – не пізніше ніж через 10 годин після замішування.

Рівномірність зміни об’єму пов’язана із запізнілою гідратацією деяких компонентів портландцементу. Основними причинами цього явища є гашення вільного вапна.

Міцність цементу встановлюють за показниками межі міцності при стиску половинок зразків – балочок розмірами 160x40x40 мм, які виготовляють із цементно-піщаної розчинової суміші складу 1: 3 при В/Ц, що забезпечує нормальну консистенцію розчинової суміші. Протягом першої доби їх зберігають у камері з вологим повітрям, а після цього – у ванні з водою протягом 27 діб.

Значення межі міцності при стиску таких зразків називають активністю. Округлене в бік зменшення значення активності в кг/см^{2 -} – це е марка цементу. Згідно зі стандартами України встановлено такі марки портландцементу: М 300, М 400, М 500, М 550, М 600.

При умовному позначенні цементу вказують його тип, марку і спеціальні ознаки (висока міцність в ранньому віці – Р; пластифікація і гідрофобізація – ПЛ, ГФ, використання клінкера нормованого складу – Н). Приклад: ПЦ-ІІ/А – ІІІ – 400Р – ПЛ ДСТУ Б В 2.7.-46-96 – це портландцемент марки М 400 з добавкою до 20% шлаку, пластифікований, швидкотверднучий.