Показатели качества портландцемента на примере ОАО «Мордовцемент»

     Введение

     Слово «цемент» относится к собирательным  понятиям – оно объединяет различные  виды вяжущих материалов, полученных путем обжига некоторых горных пород  и подвергнутых измельчению. Вяжущими их назвали за способность соединять (связывать) в единое целое как отдельные частицы мелких наполнителей. Так и более крупные фрагменты.

     Цемент  не является природным материалом. Его изготовление - процесс дорогостоящий  и энергоемкий, однако результат  стоит того - на выходе получают один из самых популярных строительных материалов, который используется как самостоятельно, так и в качестве составляющего компонента других строительных материалов (например, бетона и железобетона). Цементные заводы, как правило, находятся сразу же на месте добычи сырьевых материалов для производства цемента.

     Актуальность  темы. В современной строительной практике роль цемента в выпуске новых прогрессивных материалов и изделий для полносборного домостроения постоянно возрастает. Его применяют для изготовления монолитного и сборного бетона, железобетона, асбестоцементных изделий, строительных растворов, многих других искусственных материалов, скрепления отдельных элементов (деталей) сооружений, жароизоляции и др. Все это возможно только если цемент качественный и соответствует всем параметрам определенных в ГОСТ 31108-2003.

     Цель  работы. Определить показатели качества портландцемента на ОАО «Мордовцемент»

     Задачи:

1. Дать характеристику портландцементу
2. Рассмотреть историю создания портландцемента
3. Изучить виды портландцемента
4. Охарактеризовать способы производства портландцемнта
5. Определить показатели качества портландцемента
6. Дать характеристику предприятию
7. Определить показатели и контроль качества портландцемента на предприятии

1. Теоретические основы портландцемента  как строительного

материала

1. Характеристика портландцемента

     Портландцемент - гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе, получаемое путем совместного тонкого измельчения  клинкера и необходимого количества гипса. Клинкер получается результате обжига до спекания сырьевой смеси  надлежащего состава, обеспечивающего  преобладание в клинкере силикатов кальция.

     Портландцемент  может выпускаться без добавок  или с активными минеральными добавками в количестве до 15% от веса цемента. Для придания цементу специальных свойств (пониженной водопотребности, повышенного воздухосодержания, гидрофобных свойств и т. д.) в цемент могут вводиться специальные добавки.

     Главнейшими окислами, входящими в состав портландцементного клинкера, являются : CaO, SiO₂ , Al₂O₃ , Fe₂ O3 .Кроме того, в состав клинкера обычно входят: МgО , окислы марганца , присутствующие в том случае, когда одним из сырьевых компонентов для получения клинкера является доменный шлак. Портландцементный клинкер имеет сложный минералогический состав. Он состоит из ряда кристаллических фаз и клинкерного стекла, отличающихся друг от друга по химическому составу и оптическим свойствам.

     Количество  указанных минералов в заводских  портландцементных клинкерах находится в пределах:

     C₃ S – 42%-60%

     C₂ S – 15%-35%

     C ₃A – 5%-14%

     C₄ AF – 10%-16%

     Суммарное содержание указанных минералов  составляет обычно 95—98%. Второстепенными  минералами клинкера являются свободная  окись кальция (свободная известь) и свободная окись магния в виде периклаза. Щелочные окислы могут находиться в виде силиката, алюмината, сульфатов натрия и калия; они входят также в состав клинкерного стекла.

     Клинкерное  стекло после травления 1%-ным спиртовым  раствором НNО и повторного травления 10%-ным раствором КОН имеет  вид в отраженном свете темных включений неправильной формы.

     Одним из важных свойств минералов портландцементного клинкера является их способность при воздействии воды образовывать новые водные соединения, которые с течением времени приобретают высокую механическую прочность. Клинкерные минералы после затворения цемента водой подвергаются реакциям гидратации и гидролитической диссоциации, протекающим с различной скоростью. Основными продуктами этих реакций являются гидроалюминаты и гидроферриты кальция, а также гидрат окиси кальция, образующийся при гидролизе трехкальциевого силиката. Получающиеся гидроалюминаты кальция вступают во взаимодействие с гипсом с образованием комплексного соединения — гидросульфоалюмината кальция. 

     По  скорости гидратации клинкерные минералы могут быть расположены (в порядке  уменьшения скорости гидратации) в  следующий ряд: трехкальциевый алюминат, четырехкальциевый алюмоферрит, трехкальциевый силикат, двухкальциевый силикат. Очень медленно протекает гидратация периклаза. Таким образом, минералогический состав клинкера является основным фактором, влияющим на скорость протекания химических реакций, происходящих при твердении цемента, на время для получения высокой механической прочности и на другие технические его свойства.

     Длительное  воздействие воды и водных растворов  минеральных солей на бетонные сооружения, выполненные с применением портландцемента, вызывает коррозию бетона, которая при неблагоприятных условиях может привести к полному его разрушению. Наибольшее разрушительное действие оказывают минерализованные воды — морские, озерные, грунтовые и др., содержащие значительное количество солей MgSO₃, Na₂SO₄ , CaSO₄ , MgCl₂. Последние, взаимодействуя с новообразованиями в твердеющем цементе, нарушают нормальную структуру цементного камня. Так, например, растворенные в воде сульфаты, взаимодействуя с гидратом окиси кальция твердеющего цемента, образуют сернокислый кальций, кристаллизующийся в порах цементного камня со значительным увеличением объема. При большой концентрации сульфатов в водной среде это приводит к появлению внутренних напряжений в бетоне, влекущих за собой вначале растрескивание, а затем полное его разрушение.

     Кроме того, накапливающийся в бетоне сернокислый  кальций вступает во взаимодействие с гидроалюминатом кальция твердеющего  цемента, образуя гидросульфоалюминат  кальция, плохо растворимый в  воде. Если эта реакция протекает  в жидкой фазе, то она не имеет  вредных последствий. При взаимодействии же сернокислого кальция с кристаллическим гидроалюминатом рост кристаллов образующегося сульфоалюмината вызывает появление в бетоне разрушительных внутренних напряжений.

     Для защиты бетона от действия минерализованных вод применяют цемент специального минералогического состава со значительно уменьшенным содержанием ЗСаО • А1₂О3 и пониженным содержанием ЗСаО • SiO₂ ; в состав цемента вводят гидравлические добавки, максимально увеличивающие плотность бетона. Кислоты также разрушают портландцемент.

     Проникновение внутрь бетона пресных вод приводит к постепенному выщелачиванию гидрата окиси кальция и уменьшению его концентрации в жидкой фазе цементного камня, что при далеко зашедшем процессе коррозии может вызвать гидролиз гидросиликатов и гидроалюминатов кальция. В плотном бетоне процессы коррозии под действием пресных вод протекают медленно и не представляют угрозы. Для повышения стойкости портландцемента в пресных водах изменяют минералогический состав клинкера в направлении уменьшения количества ЗСаО • SiO₂ , поскольку это соединение твердеет с выделением свободной извести. 
 
 

2. История создания портландцемента

     В 1822 году русский строитель Егор Челиев получил вяжущий материал из смеси  извести и глины. Свои результаты он изложил в книге «Трактат об искусстве приготовлять хорошие строительные растворы», изданной в Петербурге. Этот материал в настоящее время называют портландцемент, хотя название придумал совсем не Челиев.

     В 1824 году Дж. Аспдин получил в Англии патент на способ изготовления гидравлического цемента. Назвал он этот материал портландцементом, потому что камень, добываемый в Портланде, по свойствам был очень схож с запатентованным цементом. Полученное Аспдином вяжущее не было портландцементом в современном смысле этого слова, а представляло собой разновидность роман-цемента. Гидравлическое вяжущее, описанное Е.Г. Челиевым, ближе по свойствам к современному портландцементу, а по качеству превосходило портландцемент Аспдина.

     В 1856 г. был пущен первый в России завод портландцемента.

3. Виды  портландцемента

     Наряду  с портландцементом в соответствии с ГОСТ 10178-62 выпускаются многие другие виды цементов: быстротвердеющие, сульфатостойкие, пластифицированные, гидрофобные, портландцемент с умеренной экзотермией, пуццолановые портландцементы, шлакопортландиементы, шлаковый магнезиальный портландцемент, портландцемент для бетонных покрытий автомобильных дорог. В соответствии с другими стандартами выпускаются тампонажный и белый портландцементы и портландцемент для производства асбестоцементных изделий.

     Быстротвердеющий портландцемент характеризуется интенсивным нарастанием механической прочности в первые сроки твердения. Он предназначается, главным образом, для изготовления сборных железобетонных конструкций и деталей.

     Исследования  по изучению влияния минералогического  состава клинкера на интенсивность нарастания механической прочности цементов и практика работы цементных заводов показывают, что клинкер быстротвердеющего цемента должен иметь следующие характеристики: расчетное содержание суммы наиболее активных минералов C₃S + С₃А должно быть не менее 60%, содержание C₃S находится в пределах 50 - 53% и С₃А — 8-10%. Клинкер такого состава с повышенной добавкой гипса дает цемент, отвечающий требованиям стандарта.

     Повышение тонкости помола цемента существенно  ускоряет провесе его твердения, поэтому быстротвердеющий цемент можно  также получать путем тонкого  помола (до удельной поверхности 4000—4500 см²/г) клинкера обычного минералогического состава, но с несколько повышенным содержанием C₃S(не менее 50%) при предельной добавке гипса (содержание SO₃ в цементе не должно превышать 3,5%). Необходимо учитывать, что повышение тонкости помола на 1500—2000 см /г сверх обычной вызывает резкое снижение производительности цементных мельниц и повышение удельного расхода электроэнергии на помол. Поэтому в ряде случаев более целесообразно прибегнуть к изменению минералогического состава клинкера, чем к повышению тонкости помола цемента.

     При выполнении лабораторных испытаний  быстротвердеющего цемента необходимо иметь в виду, что температурные  условия затворения и хранения образцов оказывают значительное влияние  на показатели суточной прочности цемента. Установлено, что колебание прочностных  показателей цемента при односуточных испытаниях по отношению к показателям, полученным при 20° С, находятся в  пределах от -23% (при 15°С) до +17% (при 25°  С). При трехсуточных испытаниях эти пределы составляют от —4 до +5%, а при семисуточных от —1 до +3%. Стандарт предусматривает, что температура воды для хранения образцов должна быть 20 ±2°С, а температура помещения, где производятся испытания - 20 ± 3° С.

     Сульфатостойкий портландцемент обладает по сравнению  с обычным повышенной сульфатостойкостью и пониженной экзотермией при замедленной интенсивности твердения в начальные сроки.

     Этот  цемент изготовляется из клинкера нормированного минералогического состава и предназначается для изготовления бетонных и железобетонных конструкций наружных зон гидротехнических сооружений, работающих в условиях сульфатной агрессии, при одновременном систематическом попеременном увлажнении и высыхании или замораживании и оттаивании. Сульфатостойкий портландцемент готовится из клинкера с коэффициентом насыщения известью не выше 0,85, с глиноземным модулем не менее 0,7 и кремнеземным модулем не ниже 2,1. Содержание С₃S в клинкере должно быть не более 50%,  С ₂А - не более 5%, а сумма С₃А + С₄АF не должна превышать 22%.

     Пониженное  содержание трехкальциевого силиката и трех кальциевого алюмината  заметно снижает активность цемента, в связи с чем в течение  первых 28 суток твердения механическая прочность нарастает медленно. Введение активных или инертных минеральных добавок при изготовлении сульфатостойкого цемента не допускается.

     Тампонажный цемент применяется для тампонирования нефтяных и газовых скважин с целью их изоляции от грунтовых вод. Основные требования, предъявляемые к тампонажным портландцементам: придание цементному раствору достаточной подвижности; строгое ограничение сроков схватывания, с тем чтобы начало схватывания наступало не раньше, чем окончится тампонирование; обеспечение достаточно высокой механической прочности через 2 суток твердения.

     Для получения подвижного раствора, накачиваемого  в скважины насосами, цемент затворяют с большим количеством воды (50% от веса цемента) без добавки песка. Такое количество воды в условиях обычных температур замедляет схватывание цемента и понижает его прочность. Регулирование сроков схватывания тампонажных цементов при обеспечении необходимой механической прочности достигается обычно подбором минералогического состава клинкера и применением добавок.

     Решающее  влияние на процессы, происходящие в цементном растворе, оказывает  температура в скважине. С ее повышением процессы твердения раствора ускоряются, его механическая прочность повышается, а время начала схватывания сокращается. При температуре твердения выше 120°С прочность раствора падает и резко сокращаются сроки схватывания.

     Повышенное содержание С₃А вызывает ускорение процессов схватывания и увеличивает прочность цемента в первые сроки твердения. Сроки схватывания регулируются введением надлежащего количества гипса. Для замедления схватывания тампонажных цементов применяют различные замедлители: казеин, борную кислоту, соли лигносульфоновых кислот , которые усиливают замедляющее действие гипса. В цементах для сверхглубоких скважин эти замедлители, однако, не дают необходимого эффекта.

     Белый портландцемент. Этот цемент предназначен для изготовления отделочного бетона, для архитектурно-отделочных, скульптурных и покрасочных работ, а так же для производства цветных растворов. Качество белого портландцемента определяется, прежде всего, его белизной и оценивается коэффициентом яркости, который характеризует белизну данного цемента по отношению к белизне сернокислого бария (BaSO₄). По степени белизны белые портландцементы делят на три сорта: БЦ-1, БЦ-2, БЦ-3 с коэффициентами яркости соответственно 76, 73 и 66.

     Клинкер высококачественного белого портландцемента  обычно характеризуется пониженным коэффициентом насыщения, высоким кремнеземным модулем, низким содержанием С₄AF(до 1.5%), Fe₂O₃ (в пределах 0.3-0.5%) и MnO (до 0.03%).

     Для производства белого портландцемента  применяются сырьевые материалы, по возможности не содержащие соединений, окрашивающих цемент, прежде всего, окиси железа, атак же окислов марганца, окиси хрома и др. При мокром способе производства повышение степени белизны можно достигнуть за счет введения хлористых солей, образующих при обжиге летучее хлорное железо.

     Портландцемент  для бетонных покрытий автомобильных  дорог. Этот портландцемент должен отвечать следующим основным требованиям: иметь  малые усадочные деформации, большую  эластичность, высокий предел прочности при сжатии, высокую деформативную способность при растяжении и изгибе и обладать повышенной морозостойкостью. Для повышения морозостойкости и уменьшения объемных деформаций в состав цемента при помоле вводят 0.1- 0.25% сульфитноспиртовой барды. Из активных минеральных добавок разрешается вводить только гранулированный доменный шлак в количестве не более 15%.

     Прочие  разновидности портландцемента. Пластифицированный портландцемент предназначается для изготовлени монолитного бетона гидротехнических сооружений, а так же для дорожных и аэродромных покрытий. Он отличается повышенной морозостойкостью, достигаемой за счет введения при помоле клинкера 0.15-0.25% пластифицирующей поверхностноактивной добавки от веса цемента в пересчете на сухое вещество.

     Гидрофобный портландцемент обладает пониженной гидроскопичностью. Это свойство придается цементу путем введения при помоле клинкера гидрофобизирующих поверхностно-активных добавок( асидола, мылонафта, асидола-мылонафта, олеиновой кислоты или окисленного петролатума) в количестве 0.06-0.3%. Цемент гидрофобизируют обычно в тех случаях, когда его необходимо транспортировать на дальние расстояния по водным магистралям.

     Портландцемент  для производства асбестоцементных изделий получают из клинкера с пониженным содержанием С3А. введение каких-либо добавок, кроме гипса, не допускается. Для более быстрого нарастания прочности  асбестоцементных изделий в первые часы после их изготовления цемент измалывают более тонко.

     Пуццолановые  портландцементы предназначены  для бетонных и железобетонных сооружений, подвергающихся воздействию пресных вод. Приготовляются они из клинкера обычного минералогического состава с обязательным введением при его помоле не менее 25-40% добавок вулканического происхождения, не менее 20% и не более 30% осадочного происхождения.

     Сульфатостойкий пуццолановый портландцемент предназначен для подводных и подземных бетонных и железобетонных сооружений, работающих в условиях постоянного воздействия сульфатных агрессивных вод. Сульфатостойкость достигается за счет понижения в клинкере содержания С3А до величины, не превышающей 8%. Содержание добавок вулканического происхождения должно быть не менее 25% и не более 40%, а осадочного происхождения – не менее 20% и не более 30%.

     Шлакопортландцементы  предназначены для бетонных и  железобетонных надземных и подводных  сооружений, подвергающихся воздействию  пресных вод. Приготовляются они  путём совместного или раздельного  помола клинкера обычного минералогического  состава и 30-60% доменного гранулированного шлака. Шлакопортландцемент при  твердении выделяет значительно  меньше гидрата окиси кальция, чем  портландцемент, и поэтому он обладает более высокой водостойкостью и характеризуется меньшей теплотой гидратации.

     Магнезиальный шлакопортландцемент получают на основе клинкера с повышенным содержанием MgO (до 10%) и применяют для надземных  бетонных и железобетонных сооружений. Добавка гранулированного доменного шлака в магнезиальный щлакопортландцемент разрешается в количестве 30-50 %.

     К разновидностям портландцемента относится  так же рудный или железистый портландцемент. В нем совершенно отсутствуют алюминаты кальция, поэтому он отличается повышенной сульфатостойкостью и кислотостойкостью и замедленным нарастанием механической прочности в первые сроки твердения.

4. Способы производства портландцемента

     Существует  несколько способов производства портландцемента:

• сухой
• мокрый
• полусухой
• комбинированный

     Выбор способа производства зависит от особенностей приготовления сырьевой смеси. Два основных способа производства портландцемента – мокрый и сухой ; они различаются по характеру переработки сырьевых материалов, а так же по физическим свойствам сырьевой смеси, поступающей на обжиг.

     При производстве портландцемента мокрым способом применяют следующую технологическую схему. Поступающий из карьера твердый известняк с размерами кусков до 1 м подвергается двух- или трехстадийному дроблению в дробилках с доведением кусков до 8-10 мм. Поступающую из карьера глину с размерами кусков до 500 мм измельчают в вальцовых дробилках до кусков размером 0-100 мм, а затем отмучивают в болтушках. Получаемый глиняный шлам с влажностью 60-70 % подают в сырьевую мельницу где он размалывается совместно с раздробленным известняком. При использовании мягкого известкового компонента (мел, известковый туф и др.) технологическая схема меняется. Мел, раздробленный в вальцовых дробилках вместе с глиной, отмучивается в болтушках, а затем подвергается размолу в мельнице.

     Полученный  шлам, влажность которого находится  в пределах 32-40%, центробежными насосами транспортируется в вертикальные шламовые бассейны, где он корректируется. Это необходимо для того, чтобы обеспечить постоянство заданного заводской лабораторией химического состава шлама. Откорректированный шлам поступает из вертикальных бассейнов в горизонтальные, где и хранится до подачи в печь для обжига. В вертикальных бассейнах шлам перемешивается сжатым воздухом, а в горизонтальных – механическим путем и сжатым воздухом. Перемешивание предотвращает возможность осаждения шлама и позволяет достичь полной его гомогенизации. При использовании сырьевых компонентов, имеющих постоянный химический состав корректирование шлама производят не в вертикальных, а непосредственно в горизонтальных бассейнах большой емкости. Обжиг шлама на клинкер осуществляется во вращающихся печах. Полученный клинкер охлаждается в холодильниках, дробится и подается транспортерами в бункеры цементных мельниц для помола или же направляется на хранение механизированных в механизированный шихтовальный двор. Здесь складируются также гидравлические добавки и гипс, которые по мере надобности подаются в бункеры цементных мельниц для совместного помола с клинкером. Твердое топливо для обжига шлама поступает с шихтовальню двора в дробилку, затем в сепараторные мельницы для одновременной сушки и помола. Приготовленный угольный порошок поступает для сжигания в печь при использовании газообразного или жидкого топлива схема упрощается, так как в этом случае сооружение топливоподготовительного отделения не требуется.

     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.

     При производстве портландцемента сухим  способом применят следующую технологическую схему. Поступающие из карьера известняк и глину с низкой влажностью после дробления направляются в сырьевую сепараторную мельницу для одновременного помола и сушки. Полученная сухая сырьевая смесь транспортируется пневматическими установками к смесительным силосам, в которых перемешиваются сжатым воздухом и корректируются. При использовании пластичного глинистого компонента сырьевая мука из силосов направляется в смесительные шнеки, где увлажняется 8-10% воды. Затем эта масса поступает на грануляторы, куда одновременно подается добавочная вода. Здесь происходит образование прочных гранул с влажностью 12-14%, поступающих затем в печь на обжиг. При непластичном глинистом компоненте сырьевая мука транспортируется в питательные дозаторы печи непосредственно из смесительных силосов.

     Сырьевая  смесь может обжигаться в коротких вращающихся печах с запеченными установками различных конструкций или в длинных вращающихся печах. При обжиге в автоматических шахтных печах, на спекательных решетках и во вращающихся печах конвеерными кальцинаторами сырьевая смесь должна подаваться только в виде прочных гранул. Дальнейшие этапы технологической схемы такие же как и при получении цемента по мокрому способу.

     При мокром способе легче получить однородную (гомогенизированную) сырьевую смесь. Поэтому при значительных колебаниях химического состава известнякового и глинистого компонента он чаще применяется. Этот способ используют и тогда, когда  сырьевые материалы имеют высокую  влажность, мягкую структуру и легко  диспергируются водой. Наличие в  глине посторонних примесей, для удаления которых необходимо отмучивание, также предопределяет выбор мокрого способа. Размол сырья в присутствии воды облегчается, и на измельчение расходуется меньше энергии. Недостаток мокрого способа – значительно больший расход топлива.

     Сухой способ производства целесообразен  при сырье с относительно меньшей  влажностью и более однородным составом. Он же практикуется в случае, если в  сырьевую смесь вместо глины вводят гранулированный доменный шлак. Его же применяют при использовании натуральных мергелей и тощих сортов каменного угля с малым содержанием летучих, сжигаемых в шахтных печах. Расход топлива при сухом способе во вращающихся печах гораздо меньше, чем при мокром. Поэтому доля сухого способа производства все возрастает и она должна в ближайшее время значительно увеличиться.

     При изготовлении сырьевой смеси по любому способу необходимо стремится к наиболее тонкому помолу, теснейшему смещению сырьевых материалов и к возможно большей однородности сырьевой смеси. Все это гарантирует однородность выпускаемого продукта и является одним из необходимых условий нормальной эксплуатации завода. Резкие колебания химического состава сырьевой смеси нарушают ход производственного процесса. Высокая тонкость помола и совершенное смешение необходимы для того, чтобы химическое взаимодействие между отдельными составными частями сырьевой смеси прошло до конца и возможно в более короткий срок.  

5. Показатели  качества портландцемента

     На  качественные характеристики цемента  могут повлиять, - соблюдение или  несоблюдение условий его хранения и транспортировки.