Технологическая линия по производству общестроительных портландцементов

Министерство    образования Российской Федерации

ПЕРМСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Строительный  факультет

Кафедра строительных материалов и специальных  технологий 
 
 
 
 
 
 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

 по дисциплине «Вяжущие вещества» 

НА ТЕМУ : Технологическая линия по производству общестроительных портландцементов.  
 
 

                                                                                         Выполнил: студент группы ПСК 07-1

                                                                                                     Духно Алексей Владиславович

                                                                                               Проверил: Катаева Людмила Ивановна 
 
 
 

Дата   выдачи задания на курсовой

проект____3.09.09_______________ 

                                                                                                   Дата      защиты      курсового                                 

                                                                                                       проекта __1.12.09___________ 

                                                                                    Оценка за курсовой

                                                                                                              проект_______________________ 
 
 
 
 
 
 
 
 

Пермь 2009

Содержание:

1. Теоретический раздел                                                                                                      

     1.1. Вещественный, химический и минералогический  состав вяжущего…………......…… 3

     1.2. Физико-химические процессы, проходящие  при твердении вяжущего.

      Температура условия твердения………………………………………..……...……….... 6

      1.3. Условия разрушения (коррозии)   композита   на   рассматриваемом

             вяжущем. Области применения продукта……………………………………………… 9

     1.4. Сырьевые  материалы для   производства  вяжущего: вещественный,

            химический и минералогический состав вяжущего. Показатели качества

           сырьевых материалов. Правила приемки, маркировки, транспортирования и

           хранения сырьевых материалов…………………………………………………………. 12

      1.5. Показатели качества вяжущего:

         - Основные

         - Вспомогательные

         и методы их определения………………………………………………………………… 21

      1.6. Анализ существующих технологических схем производства продукта………….….. 27

      1.7. Технологические факторы, влияющие на качество продукта…………………….…... 32

      1.8. Правила приемки, маркировки, транспортирования и хранения продукта.

         Гарантии производителя………………………………………………………………....  33 

2. Расчетно-проектный  раздел
0. 2.1. Расчетная функциональная технологическая  схема  производства продукта………..37

      2.2. Расчет производственных шихт…………………………………………………………..38

      2.3. Расчет производственной программы технологической линии……………………..... 39

      2.4. Подбор основного механического оборудования…………………………………….... 40

      2.5. Расчет  удельных энергетических нагрузок   и оценка эффективности       

      подобранного механического   и теплотехнического оборудования по энергозатратам….42 

Список  литературы……………………………………………………………………………….43 

1. Теоретический раздел

1.1. Вещественный, химический и минералогический состав вяжущего. 

      Цемент - порошкообразный строительный вяжущий материал, который обладает гидравлическими свойствами, состоит из клинкера и, при необходимости, гипса или его производных и добавок

     Общестроительный  цемент - цемент, основным требованием к которому является обеспечение прочности и долговечности бетонов или растворов. [ 5 ]

     Портландцементом называется гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением ПЦ клинкера с гипсом, а иногда и со специальными добавками.

     Клинкер получают обжигом до спекания тонкодисперсной однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины и некоторых других материалов (мергеля, доменного шлака и пр.). При этом обеспечивается преимущественное содержание в нем высокоосновных силикатов кальция (70—80 %). Клинкерный порошок без гипса при смешивании с водой быстро схватывается и затвердевает в цементный камень, который характеризуется пониженными техническими свойствами.

     Гипсовый камень в портландцемент вводят для регулирования сроков схватывания и повышения прочности. [ 2 ]

    По  вещественному составу цемент подразделяют на следующие типы (ГОСТ 10178-85):

    - портландцемент (без минеральных  добавок);

    - портландцемент с добавками (с  активными минеральными добавками  не более 20 %);

    - шлакопортландцемент (с добавками  гранулированного шлака более  20 %).

    По  прочности при сжатии в 28-суточном возрасте цемент подразделяют на марки:

    - портландцемент - 400, 500, 550 и 600;

    - шлакопортландцемент - 300, 400 и 500;

    - портландцемент быстротвердеющий - 400 и 500;

    - шлакопортландцемент быстротвердеющий - 400.

    Массовая  доля в цементах активных минеральных добавок должна соответствовать значениям, указанным в табл. 1.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Таблица 1 [ 6 ] 

    При производстве цемента для интенсификации процесса помола допускается введение технологических добавок, не ухудшающих качества цемента, в количестве не более 1 %, в том числе органических не более 0,15 % массы цемента. Добавки не должны вызывать коррозию арматуры или ухудшать свойства цемента или изготовленного на его основе бетона или раствора.

    По  вещественному составу (ГОСТ 31108-2003), приведенному в таблице 2, цементы  подразделяют на пять типов:

    - ЦЕМ I - портландцемент;

    - ЦЕМ II - портландцемент с минеральными  добавками;

    - ЦЕМ III - шлакопортландцемент;

    - ЦЕМ IV - пуццолановый цемент;

    - ЦЕМ V - композиционный цемент.

     Примечание: Цемент типа ЦЕМ I не содержит минеральных  добавок в качестве основного  компонента. 

Таблица 2 [ 9 ] 

    По  содержанию ПЦ клинкера и добавок цементы типов ЦЕМ II-ЦЕМ V  подразделяются на подтипы А и В.

    По  прочности на сжатие в возрасте 28 сут. цементы подразделяют на классы: 22,5; 32,5; 42,5; 52,5.

    По  прочности на сжатие в возрасте 2 (7) сут (скорости твердения) каждый класс  цементов, кроме класса 22,5, подразделяют на два подкласса: Н (нормальнотвердеющий) и Б (быстротвердеющий).

     Быстротвердеющий  портландцемент (БТЦ) - цемент на основе портландцементного клинкера, обеспечивающий получение (в нормальных условиях твердения) нормативных значений прочности образцов в ранние сроки (2-3 суток), наряду с прочностью в возрасте 28 суток.

    БТЦ получают совместным тонким измельчением специального портландцементного клинкера и гипса. По ГОСТ 10178-85 при помоле допускается введение не более 10 %  активных минеральных добавок осадочного происхождения и не более   20 % доменных гранулированных и электротермофосфорных шлаков, глиежей. Суммарное содержание трехкальциевого и двухкальциевого силикатов ( ) в клинкере по ГОСТ 31108-2003 (данный стандарт гармонизирован с EN 197-1 и действует параллельно с ГОСТ 10178-85)  должно быть не менее 67 % от массы клинкера и ограниченное (до 0,5 %) количество CaO_своб, а массовое отношение оксида кальция к оксиду кремния ( ) - не менее 2,0. Содержание оксида магния MgO в клинкере не должно быть более 5,0 % от массы клинкера. Допускается содержание оксида магния MgO до 6,0 % от массы клинкера при условии положительных результатов испытаний цемента из данного клинкера на равномерность изменения объема в автоклаве по ГОСТ 310.3. Гипс в БТЦ вводят в обычной дозировке: в пересчете на SO₃  не более 4,5 % в зависимости от минерального состава клинкера (содержания C₃A) и от тонкости помола цемента.   

1.2. Физико-химические процессы, проходящие при твердении вяжущего.

  Температура условия твердения вяжущего. 

     Твердение портландцемента, как и других вяжущих, является сложным комплексом взаимосвязанных  химических, физико-химических и физических процессов. С химической точки зрения твердение – это переход безводных  клинкерных минералов в гидраты в результате реакций гидролиза и гидратации, с физической – постепенное загустевание цементного теста и возникновение единого конгломерата из гидратированных и негидратированных частичек. [3]

     Взаимодействие  портландцемента с водой приводит к образованию новых гидратных веществ, обусловливающих схватывание и твердение теста, растворной или бетонной смеси. Состав новообразований зависит от химического и минерального составов цементов, а также от ряда других факторов и в первую очередь от температуры, при которой взаимодействуют компоненты.

     Цементное тесто, приготовленное путем смешивания цемента с водой, имеет три  периода твердения. Вначале, в течение 1 – 3 ч. после затворения цемента  водой, оно пластично и легко  формуется. Потом наступает схватывание, заканчивающееся через 5 – 10 ч. после затворения; в это время цементное тесто загустевает, утрачивая подвижность, но его механическая прочность еще не велика. Переход загустевшего цементного теста в твердое состояние означает конец схватывания и начало твердения, которое характерно заметным возрастанием прочности. Твердение бетона при благоприятных условиях длится годами – вплоть до полной гидратации цемента.

     Сразу после затворения цемента водой  начинаются химические реакции. Уже  в начальной стадии процесса гидратации цемента происходит быстрое взаимодействие алита с водой с образованием гидросиликата кальция и гидроксида:

     2(3CaO_*SiO₂) + 6H₂O = 3CaO_*2SiO_2*3H₂O + 3Ca(OH)₂.

     После затворения гидроксид кальция образуется из алита, так как белит гидратируется медленнее алита и при его взаимодействии с водой выделяется меньше Ca(OH)₂, что видно из уравнения химической реакции:

     2(2CaO_*SiO₂) + 4H₂O = 3Ca_*2SiO_2*3H₂O + Ca(OH)₂.

     Взаимодействие  трехкальциевого алюмината с  водой приводит к образованию  гидроалюмината кальция:

     3CaO_*Al₂O₃ + 6H₂O = 3CaO_*Al₂O_3*6H₂O.

     Для замедления схватывания при помоле клинкера добавляют небольшое количество природного гипса (3 – 5 % от массы цемента). Сульфат кальция играет роль химически  активной составляющей его в гидросульфоалюминат кальция (минерал эттрингит) в начале гидратации портландцемента:

     3CaO_*Al₂O₃ + 3(CaSO_4*2H₂O) + 26H₂O = 3CaO_*Al₂O_3*3CaSO_4*32H₂O.

     В насыщенном растворе Ca(OH)₂ эттрингит сначала выделяется в коллоидном тонкодисперсном состоянии, осаждаясь на поверхности частиц 3Ca_*Al₂O₃, замедляет их гидратацию и затягивает начало схватывания цемента. Кристаллизация Ca(OH)₂ из пересыщенного раствора понижает концентрацию гидроксида кальция в растворе, и эттрингит уже образуется в виде длинных иглоподобных кристаллов. Кристаллы эттрингита и обуславливают раннюю прочность затвердевшего цемента. Эттрингит, содержащий 31 – 32 молекулы кристаллизационной воды, занимает примерно вдвое больший объем по сравнению с суммой объемов реагирующих веществ (C₃A и сульфат кальция). Заполняя поры цементного камня, эттрингит повышает его механическую прочность и стойкость. Структура затвердевшего цемента улучшается еще и потому, что предотвращается образование в нем слабых мест в виде рыхлых гидроалюминатов кальция.

     Четырехкальциевый алюмоферрит при взаимодействии с водой расщепляется на  гидроалюминат и гидроферрит:

     4CaO_*Al₂O_3*Fe₂O₃ + m_*H₂O = 3CaO_*Al₂O_3*6H₂O + CaO_*Fe₂O_3*nH₂O.

       Гидроалюминат связывается добавкой природного гипса, как указано выше, а гидроферрит входит в состав цементного геля.

     Температура оказывает очень большое влияние  на твердение портландцемента. При температурах от 0 до 8 ^оС происходит значительное (в 2 – 3 раза) по сравнению с твердением при обычных температурах замедление этих процессов, а ниже 0 ^оС они почти полностью прекращаются. Повышение же температуры твердеющих растворов и бетонов сопровождается большим ускорением роста прочности. Оно становится достаточно заметным уже при температуре бетонных смесей 30 – 40 ^оС при их твердении в теплые периоды года. В больших же массивах эти температуры могут держаться и в холодное время.

Рисунок 1.[2] Изменение прочности по времени образцов из цементного теста, твердевших при 20 ^оС

1 и 2 – тонкость помола 3000 и 5000 см2/г,  В/Ц = 0,25;

3 и 4 – тонкость помола 3000 и 5000 см2/г, В/Ц = 0,35. 

     Резкое  ускорение процессов твердения  цементов и бетонов наступает  при 70 – 95 ^оС и особенно при 175 – 200 ^оС и выше. Однако такое интенсивное воздействие температуры на твердение цементов, а, следовательно, и бетонов проявляется лишь при наличии в них воды в жидком состоянии. Недостаток воды во время твердения при повышенных температурах не только замедляет процессы гидратации, но и снижает прочность и стойкость бетонов. При полном испарении воды процессы твердения прекращаются.

     Тепловлажная обработка ПЦ при повышенных температурах (80 – 200 ^оС) вызывает не только ускорение, но и большие изменения в химическом составе и структуре новообразований.  При повышенных температурах клинкерные минералы образуют гидратные соединения с пониженным количеством молекул воды. Тепловлажностная обработка способствует увеличению размеров частичек новообразованием и тем в большей степени, чем выше температура и длительнее ее воздействие на твердеющий цемент. Все это снижает прочностные характеристики и повышает пористость цементного камня при одинаковой степени гидратации исходного вяжущего.

      Тепловлажная  обработка цемента при твердении  тем слабее отражается на его прочности, пористости и некоторых других свойствах, чем раньше она проведена после  затворения вяжущего водой при прочих равных условиях.

Рисунок 2.[2] Влияние условий твердения на некоторые свойства цементного камня

I – твердение в воде при 20 ^оС в течение 28 сут, степень гидратации 0,66;

II – твердение в воде при 20 ^оС в течение 28 сут, затем в воде при 90 ^оС в течение 8 ч, степень гидратации 0,7;

III – твердение в воде при 20 ^оС в течение 28 сут, затем в воде при 174,5 ^оС в течение 8 ч, степень гидратации 0,75. 

      Таким образом, Тепловлажная обработка, способствуя  ускорению твердения, может приводить к некоторому недоиспользованию потенциальных возможностей цементов, полнее проявляющихся при обычном твердении. Лишь автоклавная обработка, способна компенсировать отрицательное влияние и обеспечить получение бетонов высокой прочности.

     БТЦ  отличается от обыкновенного цемента  прежде всего более интенсивным  твердением в первые 3 сут. Интенсивное  твердение цемента в первые сроки  возможно при достаточном количестве в нем зерен клинкера тонких фракций (0- 20 мкм). Суточная прочность цемента в основном зависит от содержания зерен клинкера размером менее 10 мкм, а 3-суточная – до 30 мкм. Процентное содержание указанных фракций клинкера в цементе определяет примерно ожидаемую его 1- и 3-суточную прочность.

     Через 3 сут твердения в нормальных условиях прочность БТЦ обычно достигает 60 – 70 % марочной. В последующие сроки твердения интенсивность нарастания прочности замедляется и через 28 сут и более прочностные показатели быстротвердеющего цемента становятся такими же, как и у обычных высококачественных портландцементов.  
 
 
 

      1.3. Условия разрушения (коррозии) композита на рассматриваемом вяжущем. Области применения продукта. [2] 

     Портландцемент  и различные его производные, а, следовательно, и бетоны на их основе характеризуются относительно высокой стойкостью против действия многих агрессивных факторов, наиболее часто встречающихся при эксплуатации зданий и сооружений. Тем не менее, при неблагоприятных условиях они могут быстро разрушаться, и необходимы мероприятия, защищающие бетонные и железобетонные конструкции от преждевременного износа.

     Различные виды цементов характеризуются различной стойкостью против действия тех или иных агрессивных факторов.

     Можно разделить коррозионные процессы, возникающие  в цементных бетонах при действии водной среды, по основным признакам на три группы.

     К первой группе (коррозия I вида) относятся процессы, протекающие в бетоне под действием вод с малой временной жесткостью. При этом некоторые составляющие цементного камня растворяются в воде и уносятся при ее фильтрации сквозь толщу бетона.

     Ко  второй группе (коррозия II вида) относятся процессы, развивающиеся в бетоне под действием вод, содержащих вещества, вступающие в химические реакции с цементным камнем. Образующиеся при этом продукты реакций либо легко растворимы и уносятся водой, либо выделяются на месте реакции в виде аморфных масс, не обладающих вяжущими свойствами. К этой группе могут быть отнесены, например, процессы коррозии, связанные с воздействием на бетон различных кислот, магнезиальных и других солей.

     В третьей группе (коррозия III вида) объединены процессы коррозии, вызванные обменными реакциями с составляющими цементного камня, дающими продукты, которые, кристаллизуясь в порах и капиллярах, разрушают его. К этому же виду относятся процессы коррозии, обусловленные отложением в порах камня солей, выделяющихся из испаряющихся растворов, насыщающих бетон (солевая форма коррозии).

     Отложение солей в порах цементного камня возможно и при химической коррозии, сопровождающейся, в частности, образованием гидротрисульфоалюмината кальция (зттрингита), а также двуводного гипса. Этот процесс сопровождается сильным давлением кристаллов на стенки пор и капилляров и возникновением напряжений, вызывающих деформации в цементном камне и бетоне и даже их разрушение.

     При подсосе растворов разных солей 5 %-ной концентрации в течение 3 мес. кристаллизационное давление может достигать: при Na₂SO₄ - 4,4; MgSO₄ - 3,6; NaCl - 2,7; CaSO₄ - 0,09 МПа.

     При особенно неблагоприятных температурных  и влажностных условиях в порах цементного камня такие соли, как Na₂SO₄, MgSO_4*H₂O из безводных или маловодных форм могут переходить в соединения с большим количеством молекул воды (N₂SO_4*10H₂O, MgSO_4*7H₂O) переход сопровождается увеличением объема твердой фазы в 1,5 - 3 раза и возникновением напряжений в десятки МПа, вызывающих большие деформации.  

     Классификация основных видов коррозии под действием природных вод: 

     1. Коррозия выщелачивания (I), вызываемая растворением гидроксида кальция, содержащегося в цементном камне, и выносом его из бетона.

     Обусловливается тем, что составляющие цементного камня  и,  в   первую очередь, гидроксид  кальция в той или иной степени  растворимы в воде. Содержание его  в цементном   камне   через  1 - 3 мес твердения достигает 10-15%, считая на СаО, а растворимость при обычных температурах  1,2 г/л. После вымывания свободного гидроксида кальция и уменьшения его концентрации в фильтрующейся через бетон воде до значения менее 1,1 г/л начинается разложение ЗСаО_*SiO_2*ЗН₂О с выделением из него гидроксида кальция.

     При дальнейшем уменьшении   концентрации   СаО в воде до значений менее 0,56 г/л  и завершении гидролиза указанных соединений начинается разложение СзАН₁₂ и СзАН₆ и переход их в С₂АН₈, который в свою очередь гидролизуется при концентрациях СаО в растворе ниже 0,36 г/л. При длительном  воздействии мягких вод на цементный камень возможно полное вымывание гидроксида кальция с разложением остальных гидратных соединений до аморфных рыхлых гидратов кремнезема, глинозема и оксида железа.   Но и частичное вымывание гидроксида кальция из цементного камня приводит к значительному снижению прочности.

     Присутствие в водном растворе NaCl и Na₂SO₄ повышает растворимость Са(ОН)₂ в воде, который следовательно, быстрее вымывается из цементного камня.

     2.  Кислотная коррозия (II) -  результат   действия     кислот    при     значениях показателя рН   менее 7.

     Возникает под действием различных неорганических и органических кислот, вступающих в химическое взаимодействие с гидроксидом кальция, а также с другими соединениями цементного камня. Этот вид коррозии в зависимости от силы той или иной кислоты, определяемой показателями концентрации ионов водорода рН, может протекать очень интенсивно. Значения рН   для водных   растворов   различных   веществ следующие: