Гидрофобный цемент

Гидрофобным цементом в промышленности называют такой вид цемента, который производится из привычного всем строителям портландцемента, имеющего особые гидрофобизирующие добавки. В результате получается тонко измельчённый клинкер портландцемента, содержащий гипс и специальные гидрофобизующие добавки, которыми могут считаться асидол, мылонафт, окисленный петролатум, олеиновая кислота, остатки различных синтетических жирных кислот и т.д.

Каждая из добавок, вводимых в портландцемент в необходимых пропорциях, образует на поверхности частиц цемента тончайшие гидрофобные плёнки, которые специалисты называют мономолекулярными. Именно этот процесс образования защитных мономолекулярных плёнок обеспечивает уменьшение гигроскопичности цемента, следственно – предохраняет его от порчи во время длительного хранения, даже если нарушены условия влажности. Такой вид цемента требует особого способа приготовления раствора, - сначала гидрофобный цемент требуется в сухом виде смешать с сухим песком, и только после этого начинать смешивание с водой. В таком случае происходит нормальный процесс смешивания цемента гидрофобного типа с водой и остальными заполнителями. При этом гидрофобная оболочка мельчайших частиц цемента легко разрушается в ходе изготовления бетонных смесей, и цементные зёрнышки очищаются от гидрофобной пленки, - в дальнейшем эта плёнка служит важной в строительном процессе пластифицирующей добавкой.

Технические характеристики

Данный вид цемента обладает небольшими показателями водопоглощения, высокими показателями морозостойкости и водонепроницаемости, что существенно отличает этот вид цемента от обычного портландцемента. Гидрофобный цемент способен значительное количество времени выдерживать условия хранения даже в условиях повышенной влажности без особой потери технологических характеристик. Данный вид цемента имеет повышенные показатели воздухопроницаемости, что с одной стороны, снижает прочность производства тяжелых бетонов, а с другой стороны, при производстве бетонов легких и ячеистых типов имеет незаменимое технической значение, так как бетонные смеси, производящиеся с использованием гидрофобного цемента, меньше расслаиваются, имеют высокие показатели стойкости к резко изменяющимся условиям увлажнения и высыхания.

Технология производства гидрофобного цемента

От производства цемента другого типа изготовление гидрофобного цемента отличается всего лишь одним производственным шагом – при измельчении основного клинкера в сухую смесь вводится гидрофобизующая добавка, - это может быть и асидол, и асидолмылонафт, и мылонафт, и олеиновая кислота, и окисленный петролатум.

Гидрофобный портландцемент имеет существенное отличие от других марок цемента содержанием специально вводимой гидрофобной добавки. Изготавливается гидрофобный цемент путём совместного измельчения портландцементного клинкера, с добавлением гипса и гидрофобных компонентов. В процессе производства гидрофобный портландцемент приобретает свойства гидрофобности и при этом сохраняет общие, присущие всем цементам свойства. Оптимальное количество гидрофобных добавок напрямую зависит от химико-минералогических компонентов клинкера, от количества минеральных или других добавок, от тонкости произведённого помола цемента и типа самой добавки.

В гидрофобном портландцементе обычно содержатся активные минеральные или же другие инертные добавки и количестве, равном введению добавок для обычного портландцемента. Отличительным условием производства гидрофобного цемента становится особенно точное дозирование вводимых гидрофобных добавок, которое определяется в заводских лабораториях технологами. Опытным путём технологи устанавливают необходимое количество минеральных и гидрофобных добавок, которое следует вводить в каждый конкретный клинкер при его помоле.

Применение гидрофобного цемента

Применение гидрофобных цементов различных марок обусловлено их высокой плотностью и стойкостью к водной среде. Чаще всего это бывает гидротехническое строительство, когда возводятся водоёмы различного размера и назначения. В таких случаях используется цемент марки М300 и М400. В крайне-редких случаях так же используют и цемент марки ПЦ М500.

Применение гидрофобных цементов, а также непо­средственная гидрофобизация растворов и бетонов в процессе изготовления. улучшает удобоукладываемость бетонных и растворных смесей, сокращает расход це­мента, так как уменьшается водопотребпость. У бетонов на гидрофобных портландцементах снижается скорость испарения воды в условиях сухого климата, что способ­ствует повышению их стойкости. Гидрофобизующие до­бавки повышают связность бетонных смесей, предотвра­щая их расслаивание и значительно облегчая их транс­портировку в автосамосвалах и выгрузку из них. Бето­ны на гидрофобных цементах характеризуются меньшим капиллярным всасыванием и водопоглощением.

Гидрофобизация растворов и бетонов помогает им удерживать влагу в начальный период твердения. Зна­чительно уменьшается усадка в сухом воздуха и набу­хание во влажной атмосфере; сохраняется прочность сцепления с арматурой при меньшем расходе цемента. Гидрофобизующие добавки существенно повышают мо­розостойкость цементного камня и бетонов. Повышенная пластичность гидрофобного портландцемента позволяет сократить расход цемента в бетонах, особенно в тощих и средней жирности, на 8—10% и значительно умень­шить расход извести в растворах. При изготовлении бе­тонных и растворных смесей из гидрофобного портланд­цемента сроки перемешивания в бетономешалках и ра­створомешалках такие же, как и при перемешивании обычного портландцемента (1,5—2 мин). Увеличение времени перемешивания может привести к повышенно­му воздухововлечению и к некоторому понижению прочности бетона.

Гидрофобный портландцемент применяется в первую очередь в тех случаях, когда требуется длительное хра­нение и перевозка на дальние расстояния, особенно вод­ным и морским путями. Его можно применять наравне с обыкновенным портландцементом в различных строи­тельных работах, преимущественно для наружной деко­ративной облицовки зданий, для изготовления гидро­изоляционных штукатурок, бетонов в дорожном и аэро­дромном строительстве, а также в гидротехническом бетоне и в тех случаях, когда необходимо транспорти­ровать бетонные и растворные смеси с помощью насосов.

Поскольку гидрофобный портландцемент отличается высокой тонкостью помола и повышенной сыпучестью (что обусловливается действием гидрофобизующей до­бавки), желательно доставлять его на место применения в таре, особенно в тех случаях, когда разгрузка произ­водится в закрытых помещениях вручную. Следует учи­тывать, что гидрофобизация не может коренным обра­зом изменить характер твердения цементов и их строи­тельно-технические свойства, она только заметно улуч­шает свойства цементов. Поэтому необходимо, чтобы по химико-минералогическому составу исходного клинкера и содержанию активных минеральных добавок цементы полностью удовлетворяли требованиям, которые регла­ментированы стандартами и другими нормативными документами.

Гидрофобный портландцемент применяют в первую очередь в тех случаях, когда приходится длительное время хранить цемент до его использования или перевозить его на дальние расстояния.

Весьма целесообразно применение его для облицовки и штукатурки зданий, так как он предотвращает образование выцветов на поверхности штукатурки. Гидрофобный портландцемент можно рационально использовать при изготовлении бетонов для дорожного, аэродромного строительства и строительства гидротехнических сооружении.

Марки гидрофобного цемента те же, что и портландского. Пластифицированный портландцемент получают, вводя при помоле клинкера около 0,25% сульфитно-спиртовой барды (считая на сухое вещество) от веса цемента. Это поверхностно-активное вещество пластифицирует бетонные смеси, преимущественно жирные, позволяет снижать водоцементное отношение без ухудшения подвижности смесей и в ряде случаев дает возможность уменьшать расход цемента. Вместе с тем повышается морозостойкость отвердевшего бетона. Согласно ГОСТ 970–61 пластифицированный портландцемент в зависимости от прочности делится на пять марок: 300. 400, 500, 600 и 700. Требования к прочности пластифицированного портландцемента такие же, как и для портландцемента соответствующих марок.

Основными сырьевыми материалами для производства портландцемента являются широко распространенные в природе осадочные известняковые горные породы с высоким содержанием углекислого кальция (СаСО ) и глинистые породы с высоким содержанием кремнезёма (SiO ), глинозема (Al O )и окиси железа (Fe O ).

 К известняковым породам, применяемым  в цементной промышленности России, относятся известняки, мел, известковый  туф, известняк-ракушечник и др. Все  эти материалы представляют собой  первый, так называемый известковый компонент сырьевой смеси.

 К глинистым породам относится  глина, глинистые сланцы, лёсс и  др.; они составляют второй компонент сырьевой смеси – глинистый.

 Решение вопроса о пригодности  сырьевых материалов для изготовления  портландцемента и о выборе  способа производства принимается  на основе всестороннего изучения  химического и минералогического  составов сырья и исследования  его физико-механических свойств.

 Наличие в известковом компоненте  большого количества включений  кварца или кремниевых прослоек  осложняет и удорожает подготовку  сырьевой смеси, а так же неблагоприятно  отражается на процессе обжига  и качества цемента. Известняки  с крупными кремниевыми включениями  требуют предварительного обогащения.

 Сырьевые материалы с высоким  содержанием гипса или пирита  для производства портландцемента  не применяются, так как серного  ангидрида в сырьевой смеси  должно быть не больше 2%, с тем чтобы его содержание в клинкере не превышало 3%. Превышение этого предела может привести к получению цемента с неравномерным изменением объема в процессе его твердения.

 До последнего времени известняки  с высоким содержанием окиси  магния для производства портландцемента  не применялись. Согласно ГОСТ 10178-62 содержание MgO в клинкере не должно превышать 5%. Чтобы обеспечить это условие, суммарное содержание MgO в смеси должно быть не более 3-3.5%. Такое ограничение вызвано тем, что окись магния, находящаяся в клинкере в виде минерала периклаза, в процессе твердения цемента гидратируется медленно, с увеличением в объёме, что с течением времени при большом содержании MgO в цементе может привести к разрушению раствора и бетона.

 В 1958г. Был введен в эксплуатацию  Ангарский цементный завод, который  в качестве известкового компонента  использовал в первые годы  его работы магнезиальный мраморовидный  кристаллический известняк, в качестве  глинистого компонента – золу  газогенераторной станции химического  завода и глинистые отходы, скопившиеся  в террикониках при добыче  черемховского угля. Из этого сырья получался клинкер с содержанием MgO, весьма жесткие автоклавные испытания цемента на равномерность изменения объема дали положительные результаты. Это первый завод в Советском Союзе, который выпускал в течение ряда лет портландцемент с повышенным содержанием MgO.

 До последнего времени считалось, что содержание в клинкере  фосфорного ангидрида PO не должно  превышать одного процента, так  как предполагалось, что он отрицательно  влияет на прочностные характеристики  цемента. Однако исследованиями  русских ученых Н. А. Торопова, А.И. Борисенко, английского ученого  Р.У. Нерса и других установлено, что при правильном подборе минералогического состава клинкера содержание P O в нем может достигать без ухудшения свойств цемента 2-2.5%, а при особенно благоприятных условиях - и более. Минералогический состав клинкера должен быть рассчитан таким образом, чтобы весь P O вошел в состав твердого раствора с C S. Необходимо добиться отсутствия в клинкере Р О в виде растворимых в воде фосфатов, сильно замедляющих процесс твердения цемента и снижающих его механическую прочность.

 Источником щелочей в клинкере являются обычно глинистые материалы, содержащие остатки полевого шпата, слюды, иллиты, и др. Применение глинистых материалов с высоким содержанием щелочей не желательно, так как использование для изготовление бетона цемента с повышенном количеством щелочей (Na O и K O) в сочетании с заполнителями, имеющими аморфные видоизменения кремнезёма, может привести через известный период времени к разрушению бетонных сооружений.

 К наиболее реакционноспособным  горным породам и минералам  относятся опал, халцедон, андезит, риолит, тридимит, а так же кристобалит, кварцевое стекло и некоторые филлиты. При использовании подобных заполнителей суммарное содержание щелочей в цементе ( в пересчете на Na O) не должно превышать 0.6%.

 Повышенное содержание щелочей  в сырье нарушает нормальное  ведение технологического процесса, в особенности при сухом способе  производства, о чем подробно говорится ниже.

 Кроме перечисленных выше  природных сырьевых материалов, для изготовления портландцемента  могут быть использованы отходы  других отраслей промышленности: черной и цветной металлургии, газосланцевой промышленности, производства  синтетического каучука и др. Так как эти отходы уже подвергались  термической обработке, то применение  их значительно улучшает технико-экономические  показатели работы завода по сравнению с обычными сырьевыми материалами.

 Крупными научными исследованиями, проведенными институтами БАМИ, Гипроцемент, Гипрохим и др., установлены возможность и условия использования следующих отходов:

 нефелинового или белитового шлама – отхода, получаемого при производстве глинозема из нефелитовых концентратов;

 кислого гранулированного доменного  шлака, отхода черной металлургии;

 сланцевого кокса – отхода  газосланцевых заводов, перерабатывающих  горючие сланцы на газ;

 газогенераторной золы –  отхода газогенераторной станции, перерабатывающей горючие сланцы на жидкие продукты перегонки;

 газогенераторной золы –  отхода газогенераторной станции, перерабатывающих твердое топливо на ряд химических продуктов.

 Сырьевая смесь надлежащего  химического состава может быть  получена из двух компонентов  – известкового и глинистого  – лишь при особо благоприятном  их составе и высокой однородности.

 Последнее время в связи  с повышением требований к  качеству цемента и с увеличением  удельного веса высокомарочных  цементов заводы всё чаще работают  с применением трехкомпанентной и даже четырехкомпанентной смеси. В этом случае сырьевую смесь для получения клинкера заданного минералогического состава вводят в так называемые корректирующие добавки.

 Для повышения содержания  в сырьевой смеси окислов железа  в неё вводят различные железосодержащие  добавки: пиритные огарки (отходы  сернокислого производства), колошниковую  пыль (отход металлургического производства), железную руду и т. п. При получении  клинкеров из отходов алюминиевой  промышленности для повышения  содержания окиси алюминия вводят бокситы.

 Активность минеральных добавок  чаще всего оценивается по  их способности поглощать известь  из водного известкового раствора  и набухать при этом. В качестве  активных добавок могут быть  использованы основные и кислые  доменные шлаки коксовой плавки  литейного, передельных. В последние годы установлена возможность применения для этой цели так же доменных шлаков специальных марганцевых чугунов.

 Пригодность доменного шлака  для использования в качестве  активной добавки определяется  его химическим и минералогическим  составом, структурой и гидравлическими  свойствами. Обычно используют гранулированные  доменные шлаки, то есть шлаки, полученные путем искусственного  быстрого охлаждения шлакового  расплава, выходящего из доменной  печи. Быстрое охлаждение придает  шлаку гидравлические свойства. В состав доменных шлаков обычно  входят окислы KО, SiO , Al O , MgO и Fe O сернистые соединения CaS, MnS и FeS.

 СПОСОБЫ ПРИЗВОДСТВА ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА.

 Существует несколько способов производства портландцемента:

1.            сухой 

2.            мокрый

3.            полусухой

4.            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.