Характеристика клинкера и добавок

Завершающей стадией производства цемента является процесс помола клинкера и добавок. Клинкер представляет собой гранулы шаровидной формы диаметром до 50 мм. Его получают путем обжига до спекания сырьевой смеси во вращающихся печах. По химическому составу клинкер состоит, в основном, из (% по массе): СаО -64−67; SiO2 -21−25, Al2O3 -4−8, Fe2O3 -2−4. Кроме того в состав клинкера входят (% по массе): 0,5−1 -щелочей (Na2O +K2O); 0.5−5 MgO; 0,1−0,3 TiO2; 0,1−0,3 -P2O5.

Главные оксиды — SiO2, Al2O3, СаО и Fe2O3 — при обжиге взаимодействуют между собой, образуя клинкерные минералы, соотношение которых определяет свойства портландцемента. Клинкер состоит из кристаллов различной формы, между которыми размещено промежуточное вещество.

Минералогический состав клинкера представлен следующими минералами: алит (трехкальциевый силикат -3СаО Ч SiO2), белитмодификация (двухкальциевый силикат — 2СаО ЧSiO2), трехкальциевый алюминат (3СаО ЧAl2O3) и алюмоферриты кальция переменного состава от 8 СаО Ч3 Al2O3 ЧFe2O3 до 2СаО ЧFe2O3. Содержание в клинкере трехкальциевого алюмината должно содержаться не более 5%. Сумма С3А и С4АF должна быть не более 22%.

Трехкальциевый силикат (алит) химически очень активен в реакции с водой. Об этом свидетельствует величина его тепловыделения при гидратации, особенно за первые трое суток. Он обладает способностью быстро твердеть и при твердении развивает большую прочность. Поэтому высокое содержание трехкальциевого силиката имеет важное значение для качества цемента. Высокомарочные и быстротвердеющие цементы должны содержать большое количество алита.

Двухкальциевый силикат (белит) значительно менее активен, на что указывает не только тепловой эффект гидратации, но и медленный ход тепловыделения: за трое суток выделяется только 10% от всего тепла гидратации. Твердеет он очень медленно. Но на протяжении нескольких лет прочность при благоприятных для твердения условиях неуклонно возрастает.

Трехкальциевый алюминат является наиболее активным клинкерным минералом; у него наибольшее тепловыделение, причем за трое суток выделяется не менее 80% от тепла гидратации. Трехкальциевый алюминат очень быстро твердеет. Однако продукт твердения имеет низкую прочность.

Четырехкальциевый алюмоферрит по величине тепловыделения при реакции с водой занимает промежуточное положение между трехкальциевым и двухкальциевым силикатом. Четырехкальциевый алюмоферрит твердеет значительно медленнее, чем трехкальциевый силикат, но быстрее, чем двухкальциевый. Прочность тоже выше, чем у продукта гидратации двухкальциевого силиката.

Наряду с главными клинкерными минералами в состав клинкера входит незакристаллизованное стекло, которое имеет переменный состав со значительным количеством Al2O3 и Fe2O3. Минералогический состав клинкера влияет на технологию производства портландцемента и его свойства.

Кроме химического и минералогического составов, клинкер характеризуется определенными соотношениями четырех основных оксидов. Эти соотношения называются модулями и коэффициентом насыщения. В цементном производстве для характеристики состава клинкера пользуются двумя модулями — силикатным (п) и глиноземным (р).

Силикатный (кремнеземный) модуль характеризует отношение в клинкере минералов-силикатов (С3S +C2S) к минералам-плавням (С3А и С4АF) и определяется как отношение количества оксида кремния в клинкере к суммарному содержанию в нем оксидов алюминия и железа. Для портландцемента силикатный модуль находится в пределах от 1,7 до 3,5.

Глиноземный (алюмосиликатный) модуль характеризует соотношение С3А и С4АF в клинкере и выражается отношением оксида алюминия и оксида железа. Величина глиноземного модуля для портландцемента находится в пределах от 1,0 до 3,0.

Коэффициент насыщения — это наиболее важная характеристика портландцементного клинкера, его величина определяет соотношение в клинкере между минералами-силикатами С3S и C2S.

При производстве портландцементного клинкера основная задача состоит в том, чтобы при минимальном количестве свободного оксида кальция получить продукт, содержащий как можно больше трехкальциевого силиката.

Необходимой добавкой при помоле клинкера является гипс, который вводится в виде гипсового камня. По химическому составу он представлен, в основном, двуводным сернокислым кальцием СаSО4Ч2Н2О. Химически чистый двуводный сернокислый кальций содержит, %: СаО -32,56; SО3 -46,51 и Н2О -20,93.

Введение

гипса в цемент позволяет замедлить сроки схватывания при твердении цементного камня. Гипсовый камень должен соответствовать требованиям ГОСТ 4013–82 «Камень гипсовый и гипсоангидритовый для производства вяжущих материалов». Для производства цемента используют гипсовый камень с размером частиц до 60 мм, поэтому перед подачей в цементную мельницу предусматривается его дробление.

Интенсивное взаимодействие с С3А и продуктами его гидратации обедняет раствор ионами SO42-, в связи с чем выделившиеся ранее из раствора двуводного гипса и кристаллогидраты гидроалюмината кальция переходит в раствор.

Реакции взаимодействия гипса с С3А, С4АF и продуктами их гидратации с образованием этрингита и твердых растворов типа C4(A1-x Fx) H19 и C3(A1-x Fx) H6 способствуют увеличению кристаллических компонентов в виде гексагональных или игольчатых кристаллов гидросульфоферита кальция 3CaO x Fe2O3 x 3CaSO4 x 32H2O в твердеющей системе.

Для связывания в воде нерастворимые соединения свободного гидрата оксида, который выделяется в процессе твердения цемента необходимо вводить активные минеральные добавки. В данном проекте в качестве активных минеральных добавок предусмотрено использование доменного шлака полусухой грануляции. Доменный шлак получают в результате обжига железной руды совместно с флюсами в восстановительной среде с использованием кокса в качестве топлива и восстановители оксидов железа до металлического Fе и получения чугуна. Грануляция шлака происходит путем его быстрого охлаждения. Доменный шлак по химическому составу, в основном, (на 90% и более) состоит из четырех оксидов — SiO2, Al2O3, СаО, MgO.

Введение

доменного гранулированного шлака в качестве активной минеральной добавки улучшает строительно-технические свойства цемента: повышает его водонепроницаемость, морозостойкость, коррозионную устойчивость. Кроме этого снижается себестоимость цемента, так как он является отходом производства; успешно решаются вопросы охраны окружающей природы, экологической защиты земель, воды и атмосферного воздуха, предотвращая образование завалов. По ГОСТ 3476–74 «Шлаки доменные и электротермофосфорные гранулированные для производства цементов», в зависимости от коэффициента качества и химического состава доменные гранулированные шлаки подразделяются на три сорта:

[1,13,14].