Цемент получают с помощью нагревания в печах

Обновлено: 19.04.2024

Основные физико-химические процессы и структурные изменения, происходящие в них при воздействии высоких температур:

а) изменение структуры затвердевшего портландцемента при его нагревании вследствие обезвоживания и разрушения пространственной решетки кристаллогидратов цементного камня при их дегидратации, сопровождаемые потерей ими прочности;

б) вторичное гашение свободной извести цементного камня после охлаждения бетона, вызываемое значительное увеличение объема;

в) дополнительные напряжения, обусловливающие нарушения связи между заполнителем и цементным камнем вследствие того, что затвердевший цемент, обезвоживаясь, дает усадку, а зерна заполнителя расширяются;

г) неравномерное увеличение объема заполнителей, а также ослабление прочности самого заполнителя вследствие разнородности его минералогического состава и модификационного превращения, кристаллического кварца.

Распад гидратов приводит к нарушению структуры и снижению прочности цементного камня, причем решающее значение при этом имеет дегидратация гидрата окиси кальция вследствие образования окиси кальция, способной ко вторичной гидратации. Обезвоживание гидросиликата и гидроалюмината кальция в меньшей степени влияет на нарушение структуры затвердевшего цемента. Кроме того, одной из основных причин снижения прочности затвердевшего цемента является разность в деформациях цементного камня и заполнителя при первом нагреве. Положительная роль некоторых тонкомолотых минеральных добавок, (микронаполнителей), улучшающих жароупорные свойства портландцемента.

Уже при нормальном твердении цементного камня, если микронаполнитель является одновременно гидравлической добавкой, его влияние сказывается на частичном связывании гидрата окиси кальция и переводе его в гидросиликаты или гидроалюминаты кальция, которые в меньшей мере вызывают снижение прочности затвердевшего цемента при нагревании. При определенных условиях может иметь место химическая реакция и в твердом состоянии, в отсутствии жидкой фазы. Больше того, многие продукты можно сравнительно легко получить путем реакции в твердой фазе, тогда как в присутствии жидкости сделать это затруднительно или даже невозможно.

Влияние мнкронаполнителей на жароупорные бетоны на портландцементе при воздействии высоких температур сказывается на изменении микроструктуры цементного камня и возникновении реакции между компонентами дегидратированного портландцемента и добавкой, происходящей при температурах 600— 1000° в твердом состоянии, а при 1100—1250°—частично и в жидкой фазе. При реакции в твердой фазе между кремнеземом и глиноземом добавки и свободной известью портландцементного камня образуются силикаты и алюминаты, кальция, устойчивые при высоких температурах. Связывание свободной окиси кальция цементного камня делает невозможным ее гашение влагой воздуха после охлаждения бетона.

При реакции в твердой фазе при наличии достаточного количества кремнезема конечным продуктом реакции является однокальциевый силикат, в который переходит весь двухкальциевый силикат затвердевшего цемента.

Реакции, протекающие в твердой фазе между кремнеземом добавки и свободной окисью кальция с образованием в конечном счете однокальциевого силиката, имеют весьма существенное значение в структурообразовании жароупорного бетона на портландцементе, так как этот процесс сопровождается потерей гидравлических свойств цемента и приобретением керамической прочности цементным камнем благодаря спеканию затвердевшего цемента и микронаполнителя. Для связывания свободной извести цементного камня достаточно вводить 25—30% микронаполнителя по весу от портландцемента. Введение микронаполнителя в количестве 30 % по весу от портландцемента придает цементному камню и бетону необходимые жароупорные свойства.

Введение в портландцемент примерно равного ему по весу количества тонкомолотой добавки (кварц, шамот) уменьшает усадку цементного камня при первом нагреве; такое соотношение тонкомолотой добавки и цемента в жароупорном бетоне уменьшает разность термических деформаций заполнителя и цементного камня и поэтому прочность бетона при нагревании оказывается несколько выше прочности бетона с тонкомолотой добавкой в количестве 30% от веса цемента. Влияние температуры на прочность портландцементного камня с различным количеством шамотного микронаполнителя (табл. 30).

Таблица 30. Прочность цементного камня с шамотным микронаполнителем после нагревания до высоких температур.

Количество тонкомолотого шамота в частях от веса портландцемента

Предел прочности при сжатии, кг/см 2 , и относительна» прочность, %, образцов после нагревания до температуры, град.

Традиционные марки цемента боятся температурных изменений и начинают деформироваться при высокой температуре. А поскольку такой материал пользуется большой популярностью, строители выбирают специальные огнестойкие разновидности. Они приспособлены к любым воздействиям и обладают массой эксплуатационных преимуществ.

Достоинства

Выбирая огнеупорный цемент, важно учитывать не только его плюсы, но и минусы. Среди них:

Высокая стоимость, если сравнивать его с классическими вариантами вяжущих компонентов.
Вероятность химической реакции при взаимодействии с некоторыми элементами из таблицы Менделеева. При подобных процессах материал не выделяет токсических веществ и остается безвредным для человеческого здоровья, однако результатом реакции является неприятный запах.

Список плюсов более обширный.

Увеличенные прочностные свойства. Они обусловлены применением особой технологии производства, которая подразумевает термическое воздействие на исходное сырье. Под воздействием высоких температур обеспечивается улучшенное соединение керамических соединений. Чтобы изготовить кладочный и штукатурный раствор, необходимо в точности соблюдать пропорции и рецептуру.
Высокая скорость схватывания и короткие сроки затвердевания. В сравнении с другими марками цементной смеси, включая Портландцемент М400, термостойкий цемент быстрее набирает требуемую прочность и делает конструкцию готовой к прямому использованию уже через сутки.
Хорошая степень вязкости и сцепления с другими строительными материалами.
Устойчивость к коррозийным процессам, которую обеспечивает наличие в составе алюмината кальция.
Жаростойкость. Подобный вяжущий компонент способен выдерживать воздействие открытого огня и жара с температурами до +2000…+3500°C. Это делает его незаменимым решением для промышленных помещений или построек, размещенных в зоне повышенной пожарной опасности.
Хорошая изоляция от электрических разрядов. В составе цемента отсутствует влага, поэтому он обладает неэлектропроводными свойствами.
Надежность и устойчивость сцепления кирпичей. При производстве жаростойких марок используются особые гранулы клея, которые обеспечивают максимальную прочность соединения кирпичной кладки, блокируют пустоты и не дают воздуху выходить наружу.

Использование огнестойких смесей предусматривает соблюдение тех же пропорций, что и при выборе остальных связующих материалов.

Направления использования

Цемент жаростойкий можно применять для самых различных работ в сфере строительства. Однако из-за высокой стоимости его принято использовать для возведения построек и конструкций, находящихся под воздействием высокой температуры. Подобное решение особенно востребовано для промышленных помещений и частных домов.

Организация монолитной футеровки при проведении ремонтных и восстановительных работ с тепловым и плавильным оборудованием, которое эксплуатируется в температурном режиме до +1600°C.
Обустройство конструкций из железобетона, устойчивых к высокому нагреву.
Производство блоков и кирпичей с огнеупорными характеристиками.
Изготовление раствора для кирпичной кладки и обмазки банных печей.
Создание клеевых основ для нефтеперерабатывающей промышленности.
Возведение печей для производства стекла.
Сооружение каминов и печей для жилых объектов.
Монтаж систем дымоотвода.

Жаростойкие смеси необходимы и для горной или металлургической сферы деятельности. Еще они незаменимы для обустройства тоннелей, подложек и прочих конструкций, подвергающихся усиленному нагреву.

Марки огнеупорных цементов

Производство огнестойких цементных смесей подразумевает использование глинозема с учетом требований ГОСТа. В зависимости от концентрации в составе оксида алюминия цемент разделяется на несколько марок. Если содержание добавок не превышает 35%, продукция обозначается аббревиатурой ГЦ. При наличии более высокой доли применяется обозначение ВГЦ.

Смеси с маркой ВГЦ I на 60% состоят из алюминия. Еще в составе присутствуют такие компоненты:

Кальций — 32%.
Кремний — 3%.
Железо, магний, сера — от 1 до 2%.

Серия ВГЦ II содержит 70% оксида алюминия и небольшое количество оксидов кремния и кальция. Возле маркировки присутствуют цифры, указывающие на прочностные свойства при сжимающих нагрузках. Так, смеси серии ГЦ 40 могут выдерживать нагрузки от 40 МПа.

При выборе марки покупатели обращают внимание на фактические термические и механические нагрузки, с которыми будет сталкиваться цементная смесь. В продаже предлагается широкий выбор жаропрочных компонентов как зарубежного, так и отечественного производства.

Ко второй группе относятся материалы, которые создаются на основе клинкера из приволжских и центральных регионов Российской Федерации, Москвы и Сибири. Также на рынке доступны турецкие, финские, французские и польские смеси, обладающие массой эксплуатационных достоинств.

Главные характеристики материала

Эксплуатационные характеристики жаропрочных цементных смесей выглядят следующим образом:

Возможность эксплуатации под постоянным температурным воздействием до +3500°C. Устойчивость к прямому огню.
Улучшенные огнеупорные свойства и прочность, обусловленная особой технологией производства.
Повышенный коэффициент соединения с поверхностью и оптимальная вязкость.
Высокая скорость затвердевания. Конструкции, соединенные термостойкими компонентами, подлежат эксплуатации уже через 20 часов.
Отсутствие сложностей при самостоятельной подготовке смеси.
Стандартные пропорции для изготовления. Чтобы подготовить качественную смесь, достаточно использовать общепринятую рецептуру, как при производстве традиционных марок цемента.

Жаропрочный бетон на основе глиноземистого цемента своими руками

Чтобы изготовить огнестойкий бетон на основе глиноземистого цемента в домашних условиях, нужно подготовить следующие компоненты:

Технологический процесс содержит массу нюансов. В первую очередь следует позаботиться о чистоте всех составляющих, а еще предотвратить вероятность загрязнения огнеупорных компонентов песком, гранитом или известняком.

Строители используют разные способы изготовления огнестойкого бетона. Наиболее простая технология подразумевает использование готовой сухой смеси, содержащей в своем составе жаропрочные добавки. Если состав изготовляется с нуля, понадобится грамотно составить пропорции компонентов и смешать их.

Специалисты рекомендуют останавливаться на первом варианте, поскольку готовые сухие смеси обладают требуемыми эксплуатационными характеристиками и произведены по заводскому технологическому процессу. Поэтому пользователю предоставляется цемент высшего качества, который нужно лишь разбавить водой или растворителем.

Начиная самостоятельное изготовление огнеупорной бетонной смеси, важно предусмотреть наличие таких добавок:

Хромитовая руда.
Магнезитовый цемент.
Андезит.
Шамотный бой.

Если правильно подобрать ингредиенты, конечная конструкция будет надежной и долговечной.

Все составляющие переносятся в бетономешалку и тщательно перемешиваются в пропорции 1:4 (цемент и песок). Когда получится однородная смесь, к ней можно добавить жидкость до появления тестообразной консистенции. В таком случае смесь получит требуемую степень вязкости и быстро станет твердой. Разбавляя ее водой, важно придерживаться рекомендаций специалистов и не отклоняться от рецептуры.

Готовый состав помещается в формы и заливается в опалубку или применяется для кирпичной кладки. При использовании глиноземистых наполнителей важно вовремя разбавлять их водой, чтобы предотвратить чрезмерно быстрое схватывание.

После выполнения всех действий необходимо провести очистку оборудования и избавиться от застывшего материала с инструментом. Если возникает желание сделать небольшое количество раствора на основе портландцемента, смешивание компонентов можно выполнять без бетономешалки. Для этой цели используются широкие емкости и ручной инструмент.

Отличие от других видов цемента

Основное отличие огнеупорных цементных смесей от остальных марок заключается в усиленной защите от высокотемпературного воздействия. Классическая продукция подвергается растрескиванию при нагреве до +250°C.

Если на материал будет воздействовать температура свыше +500°C, бетон начнет деформироваться, массив потеряет целостность и станет непригодным для дальнейшего использования.

В отличие от традиционных марок цемента, жаропрочные аналоги сохраняют устойчивость к нагреву до +2000°C.

Стоимость продукции разных марок

Цена жаростойких материалов зависит от разных факторов, включая сезонный. Если они выпускаются в летний период, их стоимость повышается, поскольку объемы строительных работ стремительно растут. Зимой цемент более дешевый и продается как в розницу, так и оптом.

50 кг цемента ГЦ-40 обойдется по цене 1,3-1,4 тыс. рублей.
50 кг цемента Gorkal 40, производимого польской компанией, будут стоить 1,4-1,5 тыс. рублей.
Российский цемент ВГЦ-50 продается по цене 1,8 рубля за 20 кг.

Перед тем как приобрести смесь, нужно ознакомиться с наличием сертификатов качества и ее маркой.

Как работать

Цементные составы с жаропрочными свойствами стоят дороже, чем простые марки, поэтому работать с ними нужно более осторожно и ответственно. Если не учитывать правила и допускать погрешности, это может привести к неоправданным финансовым затратам и образованию низкокачественной конструкции.

Чтобы материал хорошо сцепился с поверхностью, важно грамотно подойти к подготовительным работам и очистить эту зону от любых неровностей или дефектов.

Собираясь нанести массу на рабочую площадь, важно избавиться от пыли и грязи, провести шлифовальные работы и устранить сажу или жировые пятна. Чем грамотнее будут проведены эти мероприятия, тем дольше и качественнее прослужит конструкция.

Сухой цемент представляет собой искусственное вещество, которое поставляется в формате порошка и используется в качестве вяжущего в процессе замешивания разного типа бетонных растворов. В момент смешивания с водой цемент провоцирует прохождение химической реакции с изменением структуры материала, который застывает и превращается в камень, обеспечивая монолиту должные характеристики прочности, стойкости, способности выдерживать механические нагрузки.

Состав цемента может быть разным, что напрямую зависит от вида вяжущего и возложенных на него функций, требуемых свойств материала. Классический цемент делают из клинкера (обожженные и спаянные в куски известняк и глина, взятые в определенной пропорции), смешанного с гипсом и различными минеральными добавками.

Известь (оксид кальция) – около 60%.
Кремниевый диоксид – до 20%.
Алюминий (глинозем) – 4%.
Гипс, оксиды железа – до 2%.
Магния оксид – 1%.

Данное процентное соотношение актуально для портландцемента – самого распространенного вида материала. Пропорции могут меняться, в соответствии с классном и технологией производства цемента. Ввиду существования большого числа марок и видов цемента точного рецепта его производства (и химической формулы) не существует – тут все зависит от показателей минералогического состава.

Производство цемента осуществляется из клинкера – продукта обжига глины и известняка, взятых в пропорции 1:3. Клинкер представляет собой полуфабрикат для создания цемента. После обжига при высокой температуре (до 1500 градусов) клинкер мелко измельчают до гранул величиной около 6 сантиметров. Потом клинкер измельчают до порошкообразного вида, вводя различные добавки.

Гипс, который регулирует длительность схватывания.
Корректирующие добавки для улучшения определенных характеристик цемента (присадки, пластификаторы и т.д.).

В качестве основного исходного сырья в производстве цемента используют различные горные породы – карбонатного типа (могут быть с кристаллической либо аморфной структурой, определяющей уровень эффективности взаимодействия материала с остальными компонентами состава в процессе обжига) и осадочного происхождения (глинистое сырье с минеральной базой, которое при сильном увлажнении разбухает и становится пластичным, увеличиваясь в объеме; материал вязкий, применяется при производстве сухим способом).

Мокрая технология производства цемента

Потом на завод доставляют глину из карьера, ее обрабатывают в вальцевых дробилках до тех пор, пока размер кусков не будет равен максимум 100 миллиметрам. Измельченную смесь глины отмачивают в болтушках до момента получения глиняного шлама влажностью в пределах 70%. Потом шлам отправляют в мельницу, где его смешивают и размалывают вместе с известняком.

Далее шлам, влажность которого находится уже на уровне 40%, отправляют в вертикальный бассейн, где осуществляется окончательный процесс корректировки. Данная операция чрезвычайно важна, так как именно тут формируется и обеспечивается правильная химическая формула состава шлама.

В случае, когда производство цемента предполагает использование сырья с неизменным химическим составом, корректирование состава шлама выполняется в горизонтальном бассейне.

Далее шлам отправляют на обжиг в печь, где он превращается в клинкер. Клинкерная основа, полученная в итоге, отправляется в промышленный холодильник и там охлаждается. Потом клинкер дробят, подают в емкости мельниц, повторно измельчают до состояния порошка.

В случае, когда процесс обжига шлама требует применения твердого топлива, необходимо позаботиться о строительстве дополнительного помещения (где будет храниться, готовиться уголь). Если технологическая схема производства цемента требует применения газообразного/жидкого топлива, процесс обжига клинкера упрощается.

На завершающем этапе производства цемент из бункеров мельниц направляют в специальные помещения, где он хранится. Здесь лаборанты исследуют качество продукции, определяют марку. Только по завершении проверки цемент может отправляться на упаковочные аппараты.

Преимущества

Рассматривая мокрый способ производства цемента, стоит учитывать его плюсы и минусы. Как и любой технологический процесс, данный обладает своими особенностями.

Понижение технологических затрат на измельчение сырьевой базы – глина и мел прекрасно намокают в воде в бассейне при первичной обработке, в связи с чем измельчаются легче и проще.
Транспортировка, усреднение, корректировка шлама осуществляются проще, безопаснее с точки зрения экологии, особенно в сравнении с аналогичными процессами при производстве цемента сухим способом.
Намного меньше образуется пыли.
Печи обжига по конструкции простые, надежные, обладают высоким коэффициентом использования пространства (варьируется в пределах 0.89-0.91).
Есть возможность использовать в производстве компоненты с достаточно «пестрым» (разным) химическим составом, а также обеспечена хорошая гомогенизация шлама.

Недостатки

Недостатков в мокром методе производства цемента мало, но они есть и не учитывать их нельзя.

Высокий удельный расход тепловой энергии в процессе обжига сырья. Сырье, которое поступает для обжига, обладает в среднем влажностью до 45%. И для испарения влаги, правильного прогрева компонентов необходимо до 6800 кДж/кг тепловой энергии либо 35% тепловой мощности печи. В связи с такими расчетами часть обжиговой печи функционирует в качестве сушильного агрегата с последующими сложностями.
Высокий уровень материалоемкости печей для обжига наряду с не очень большой производительностью.

Указанные недостатки приводят к достаточно низкой производительности труда, существенным эксплуатационным и технологическим расходам, что обуславливает высокую стоимость всего производства.

Сухая технология производства

Сухой способ производства цемента использует другую технологическую схему. Известняк и глина, которые добывают из карьера, дробятся и отправляются в сепараторную мельницу. Тут они смалываются, смешиваются, сушатся. Полученную смесь доставляют в смесительные аппараты, окончательно перемешивают с использованием сжатого воздуха. Сейчас же корректируется и химический состав цемента.

При применении глинистого компонента сырье подают для смешивания в шнеки, где частично увлажняют водой. Создаются прочные гранулы со влажностью максимум 14%, потом они поступают для обжига в печь.

Обжиг сырья при сухом методе может осуществляться в разных печах – в данном случае особое внимание обращают на приготовление сырья. А дальнейшие этапы производства сходны с мокрым методом.

Плюсы технологии

В сравнении с мокрым, сухой метод обладает некоторыми преимуществами, которые обязательно нужно учитывать при расчетах (когда планируется организовать бизнес по производству цемента, к примеру).

Сравнительно невысокий удельный расход энергии тепла на обжиг клинкера – в пределах 2900-3700 кДж/кг.
Объем печных газов меньше на 30-40%, их можно вторично применять для сушки сырья и значительно снизить энергозатраты на создание клинкера, уменьшить затраты на обеспыливание.
Значительно меньшая металлоемкость печей для обжига при повышенной производительности в сравнении с мокрой технологией. Мощность печей при «сухом» методе составляет 3000-5000 тонн в сутки, что больше в 1-2 раза аналогичного оборудования мокрого метода.
Нет необходимости в мощных источниках воды.

Минусы технологии

Несмотря на явные преимущества, есть у технологии и свои минусы.

Значительно больше выделяется пыли, что усложняет соблюдение санитарных норм, правил охраны окружающего пространства.
Сложность конструкции печей для обжига и их требовательность в плане колебаний химического состава сырья, его степени влажности, дисперсности.
Сравнительно низкий коэффициент использования печей – где-то 0.7-0.8.

Отличия мокрой технологии производства от сухой

Обе технологии производства цемента обладают своими нюансами, плюсами и минусами. Но есть ключевые особенности, которые необходимо учитывать в первую очередь при планировании бизнеса и просчете расходов, прибыли. Главный недостаток мокрого метода производства цемента – существенная энергоемкость всего процесса, которая отражается соответствующим образом на цене конечного продукта в сторону повышения.

Сухая же технология менее экологична и опасна для окружающей среды, в связи с чем требует значительных расходов на устранение этого фактора. При этом, сам процесс производства обходится дешевле по всем пунктам, позволяет понизить цену конечного продукта.

Особенности полусухого способа

Полусухой метод производства цемента достаточно схож с сухим, но предполагает некоторые отличия. Фракция сырья, что проходит стадию гранулирования, равна примерно 10-20 миллиметрам, уровень влажности 11-16%. Сначала сырье обжигают в печах Леполь, потом создавшиеся гранулы отправляют в конвейерный кальцинатор.

Из печи выходят газы, проходящие сквозь гранулы, находящиеся на решетке. Таким образом сырье нагревается до 900 градусов, полностью высушиваясь в процессе. Такая термообработка способствует декарбонизации смеси примерно на 25-30%, что нужно для производства. После сырье отправляют в печь – это завершающий этап производства цемента.

Гранулированный цемент может обжигаться и в шахтных печах – в таком случае гранулирование осуществляется с частицами угля, после чего цемент уходит на хранение.

Комбинированный метод производства

Данный способ базируется на подготовке компонентов сырья по мокрому методу, а вот их обжиг осуществляется по схеме полусухого метода. Шлам, полученный в сырьевой мельнице, обладает влажностью в диапазоне 30-45%, он отправляется в фильтр: тут обезвоживается до уровня влажности в 15-20%, потом сырье смешивают с пылью, влажность доводят до показателя в 12-14%.

На следующем этапе смесь отправляется на обжиг, который осуществляется в печах полусухого способа изготовления цемента. Все остальные операции ничем не отличаются от аналогичных этапов мокрого метода производства.

Подходящий метод производства цемента выбирают в соответствии с технологическими и технико-экономическими факторами – качеством и типом сырья, влажностью и однородностью смеси, наличием соответствующего оборудования, возможностей и т.д. В Москве заводы работают по всем трем схемам и поставляют на рынок цемент высокого качества.

Одним из важнейших показателей жаростойкости цементов является отношение цементного камня к воздействию повышенных температур. Процесс нагревания цементного камня сопровождается фазовыми превращениями, испарением воды, выделяющейся из кристаллогидратов, изменением пористости и, как следствие, снижением прочности. По степени снижения прочности, как правило, судят о жаростойкости цемента. В зависимости от температурных условий службы бетона используют различные цементы: портландцемент, глиноземистые цементы различного состава, жидкое стекло и т. д. Высокоглиноземистые цементы, обеспечивающие высокую огнеупорность бетона, являются наиболее перспективными.

Для организации производства высокоглиноземистого цемента на ОАО «Подольск-Цемент» была создана промышленная установка, состоящая из электродуговой печи — плазменного реактора и вспомогательного оборудования: сырьевых бункеров для различных видов специальных клинкеров, смесителя-утилизатора тепла, полых анода и катода, охладителя расплава для различных режимов охлаждения специальных клинкеров.

Плазменный реактор представляет собой металлический цилиндр, футерованный изнутри двумя слоями огнеупора (ШЦУи ВГЦ бетоном) и охлаждаемый снаружи циркуляционной водой. Днище и крышка плазменного реактора футерованы ВГЦ бетоном и охлаждаются через водяные кессоны циркуляционной водой. Средняя толщина футеровки подобрана экспериментально и составляет 250 мм.

Корпус плазменного реактора имеет ряд технологических отверстий для обеспечения загрузки шихты, слива расплава, отбора газов, розжига реактора, внутреннего осмотра реактора во время работы.

На созданной установке предприятие постоянно производит высокоглиноземистый цемент требуемого состава. Возможности установки велики — она способна выпускать любые высокоглиноземистые цементы от мономинерального до полиминерального состава с добавками различных веществ, повышающих огнеупорность цемента.

Для исследования был взят высокоглиноземистый цемент, характеризующийся следующим содержанием (мас. %): моноалюминаткальция СА — 32, диалюминат кальция СA2 — 60, другие примесные соединения — 8. В качестве добавки использовали микрокремнезем и органическую кислоту.

Известно, что при гидратации высокоглиноземистого цемента образуются метастабильные гидроалюминаты кальция САН10, С2АН8, перекристаллизовывающиеся затем в кубическую форму С3АН6. Для определения степени их влияния на изменение структуры и прочности цементного камня при его нагревании до высоких температур на первом этапе были приготовлены различные гидроалюминаты по методике, опубликованной в литературе.

При нагревании САН10 в пределах 100 °С потеря кристаллизационной воды составляет 3 мол., при 150–170 °С удаляется 1,5 молекулы Н20, при 260–280 °С — 5 мол. Н20, и оставшиеся 0,5 молекулы удаляется при 800–900 °С. Фазовый анализ, по данным РФА, соответственно представлен в начале аморфной массой, а затем СА и Аl203.

Таблица №1: Результаты испытаний исследуемого цемента.

При нагревании С2АН8 теряет воду: при 100 °С — 1 %, при 170 °С — 1,5 % и при 300–320 °С — 5,5 %. При этом происходит постепенное изменение фазы от С2АН7 до С2АН4, полностью разлагающихся и превращающихся в аморфную массу. При 600 °С обнаруживается появление минерала С12А7 (d = 0,480, 0,263 нм).

При нагревании С3АН6 основная часть воды (4,5 мол. Н20) удаляется при 310–320 °С. Оставшиеся 1,5 мол. Н20 отщепляются при 500 °С. Нагревание образца до 600 °С сопровождается образованием С12А7 и СаО. Наличие свободной извести в цементном камне нежелательно, поскольку при циклическом нагревании и охлаждении возможно превращение Са(ОН)2 => СаО, что сопровождается деструкцией цементного камня, снижением прочности и даже, в определенных условиях, его разрушением.

Физико-химические исследования процесса гидратации и дегидратации высокоглиноземистого цемента с добавками и без добавок показали, что при 20 °С образуются в основном С2АН8 (бездобавочный ГЦ), перекристаллизовывающийся в С3АН6, в присутствии микрокремнезема — стерлингит С2АSH8, а органическая кислота способствует образованию САН10. При нагревании цементного камня до 200 °С степень гидратации всех цементов повышается за счет ускорения реакций взаимодействия компонентов с физически адсорбированной водой, находящейся в структуре цементного камня. Количество продуктов гидратации увеличивается, они заполняют поры в цементном камне, и прочность его повышается.

При этом состав продуктов гидратации в бездобавочном высокоглиноземистом цементе представлен кубическим гидроалюминатом кальция, в цементе с добавкой микрокремнезема — гидроалюмосиликатом кальция, а в цементе с добавкой органической кислоты — гексагональным гидроалюминатом кальция.

При дальнейшем повышении температуры нагрева происходит отщепление кристаллохимической воды из структуры гидратов, увеличение пористости и снижение прочности цементного камня. Степень снижения прочности зависит от состава цемента. Цементы с добавками показывают меньшую пористость и более высокую прочность по сравнению с бездобавочными.

Отмечено, что в присутствии добавок перекристаллизация первоначально образовавшихся гидро-алюминатов кальция замедляется и превалирует степень гидратации. Образующиеся гидраты заполняют поры и тем самым уменьшают снижение прочности цементного камня.

На основе проведенных исследований был изготовлен бетон с применением высокоглиноземистого цемента без и с добавкой указанных материалов. Как известно, свойства жаростойкого бетона зависят от природы заполнителя, который обеспечивает формирование контактной зоны между цементным тестом и заполнителем. Известны многочисленные исследования контактной зоны между заполнителем и цементным камнем. Согласно большинству из них, разрушение структуры бетона в основном зависит от степени сцепления заполнителя и цементного теста. В исследованиях показано, что главной составляющей контактной зоны является гидроксид кальция, который, главным образом, обусловливает связь «цемент–заполнитель». Эта связь обеспечивается за счет эпитаксиального роста кристаллов гидроксида кальция на поверхности заполнителя. Микроструктура контактной зоны, как правило, характеризуется большой пористостью и наличием крупных кристаллов гидроксида кальция. Однако эти данные характерны для бетонов на основе потландцемента. При гидратации высокоглиноземистого цемента, как показано выше, образуются гидроалюминаты кальция и гидроксид алюминия. Поэтому было целесообразно исследовать, как в этом случае формируется структура контактной зоны.

Для решения этой проблемы были проведены исследования с применением традиционного шамота как в качестве крупного, так и мелкого заполнителя. Для сравнения брали смесь, состоящую из шамота в качестве крупного компонента и микрокремнезем, как мелкий заполнитель. Образцы бетона нагревали при 100–1200 °С и затем исследовали методами РФА, ИКС и оптической микроскопии. Микроскопические исследования показали, что шамотные частицы окружены продуктами гидратации высокоглиноземистого цемента. Толщина контактной зоны составляет 10–15 мкм. Контактная зона образована благодаря эпитаксиальному росту кристаллов гидроалюминатов кальция на поверхности шамотных частиц. Контактная зона между микрокремнеземом и цементным тестом трудно просматривается из-за тонкого переплетения продуктов дегидратации цементных частиц. На поверхности частиц микрокремнезема наблюдается слой взаимных прорастаний продуктов его гидратации и цемента. При повышении температуры до 1200 °С, в результате реакции аморфизированных частиц, образовавшихся из дегидратированных компонентов высокоглиноземистого цемента и микрокремнезема, образуется муллит.

Исследования образцов, содержащих шамот в качестве заполнителя, показали, что микротрещины появляются вдоль зерен заполнителя, т. е. по контактной зоне. В случае образцов с микрокремнеземом формируется очень плотная контактная зона, простирающаяся как вдоль исходных негидратированных частиц, так и гидратированных фаз, что, видимо, является причиной высокой прочности бетона. Соответственно, пористость образцов очень низкая.

Таблица №2: Прочность бетонов при твердении в нормальных условиях и после нагревания.

Исследование образцов после их нагрева до 1200 °С показали значительно более высокуюостаточную прочность бетона со смесью шамота и микрокремнезема. Образцы имели высокую термостойкость — 30 циклов попеременного высушивания и увлажнения.

Таким образом, применение высокоглиноземистого цемента в сочетании с заполнителем, состоящим из шамота и микрокремнезема, весьма эффективно. Указанные высокоглиноземистый цемент и бетон на его основе рекомендуются для футеровки различных тепловых агрегатов.

Для изготовления раствора при постройке фундамента или кирпичной кладки используется связующее вещество, которое называется цемент. Рассмотрим из чего делают цемент, для каких целей он нужен, а также процесс и технология производства. Разберём каким образом может изменяться состав цемента в зависимости от его назначения и для каких погодных и географических условий применяются его виды. Также ознакомимся с сырьём для изготовления и какими аналогами его можно заменять.

Виды цемента и что это такое

Под цементом чаще всего подразумевают связывающее вещество, которым скрепляют газоблок, кирпич, шлакоблок и другие элементы для создания строений. Также цемент используется для создания фундамента, так как с его помощью можно связать между собой арматуру или щебень, которые служат укрепляющим основанием и сам бетон, из которого получается искусственный камень.

Бетоном является жидкая масса, которая чаще всего состоит из песка и цемента, смешанного с водой в определённых пропорциях. Из-за своего химического состава порошкообразное вещество смешиваясь с водой меняет свои свойства.

Вначале цемент становится жидким или вязким, в зависимости от количества жидкости. После этого под действием температуры вода испаряется, а вся масса начинает густеть. Когда все высохнет, цемент станет твёрдым, а его плотность будет разной, что зависит от состава самого порошка, а также от правильности рецепта бетона. Для быстрого перехода от состояния пасты до вида кирпича, цементу нужен тёплый и влажный воздух.

В древние времена цемент делали из подручных материалов, которые могли найти в природе, так как технологии искусственного создания большинства химических составляющих тогда ещё не было. Даже сейчас у каждого вида цемента есть свои пропорции и состав, так как все они отличаются сферой использования.

Например, для мостов, опоры которых монтируются в воду, подводных сооружений, стройках под землёй или для конструкций, которые должны выдерживать агрессивные погодные условия, применяется сульфатостойкий цемент. Его особенность в том, что он медленно застывает, но в его составе меньше содержание алюминатов кальция, что даёт ему возможность выдерживать низкие температуры.

Аналогами сульфатостойкого цемента являются пуццолановые и глинозёмные составы. Их также применяют для создания конструкций в среде с повышенным содержанием влаги или сильными морозами. Отличительной чертой глинозёмного является то, что химический состав цемента разбавляется глинозёмным шлаком или гипсом. Эти вещества дают возможность делать конструкции, которые не подвержены коррозии и быстро твердеют.

Один из самых популярных видов связывающего вещества является портландцемент. Его белую разновидность применяют для создания декора, наливных потолков или прочих элементов внешнего вида. В состав цемента добавлено больше гипса, что меняет его цвет на белый. Если добавить к составу порошка пигменты, которые изменяют окрас вещества, то можно подобрать цвет готового цемента под требуемый декор.

Также одной из разновидностей «портланда» является шлаковая, которая применяется для очень больших и тяжёлых конструкций. В её составе находиться до 25 % шлаковых гранул, которые сильно повышают прочность готового бетона.

Для того, чтобы ускорить производство, цемент должен быстро затвердевать, поэтому есть разновидность, в состав которой входят минеральные добавки, ускоряющие затвердевание бетона. Чаще всего такой цемент применяют для создания железобетонных конструкций или постройках, для которых сильно ограниченны временные сроки.

Для специализированных предприятий по добыче и переработке газа или нефти применяется тампонажный цемент. Исходя из названия можно понять, что он применяется для закрытия отверстий. Чаще всего с его помощью герметизируют скважины, так как он начинает твердеть и набирать прочность в начале процесса сушки.

Чтобы сделать конструкции загнутой формы или изгибающиеся под определённым углом требуется пластифицированный цемент. Эта разновидность укрепляющего вещества содержит добавки, которые делают замешанный цемент мягким, гибким и пластичным.

Для среды с повышенной кислотностью используется вид цемента, который содержит в составе камнефтористый натрий и кварцевый песок. Эти вещества увеличивают защиту бетона от внешнего воздействия. Из-за особенностей использования и состава кислотоупорного цемента, его требуется разбавлять не водой, как остальные виды, а жидким кварцевым стеклом.

Бетон, в раствор которого входит цемент, является крепким только, если состав укрепляющего вещества подобран правильно. Следует знать, как и из чего делают цемент, так как при использовании неправильной смеси, конструкция будет подвержена разрушению. Агрессивная внешняя среда быстро разрушает связи между веществом, что сильно уменьшает прочность.

Пример изделия из цемента, которое начало разваливаться под воздействием внешней среды Источник promportal.su

Состав цемента

Разберём из чего состоит цемент на примере самого распространённого варианта – «портланда». Состав изменяется не только от места использования, но и от самого производителя, так как у разных фирм рецепт отличается. Чаще всего в цемент входит:

от 59 % известняка;
от 18 % диоксида кремния (кислота или кварц);
от 4-5 % алюминия или глинозёма;
от 8 % оксида магния или железа, а также гипса.

В зависимости от марки или производителя к этим составляющим может добавляться другое вещество, например, шлак или красители.

Видео описание

В этом видео показан химический состав цемента

Сырье и основные компоненты

Основной составляющей цемента, которая определяет его свойства и прочность является клинкер. Его производят из глины (75 % состава) и известняка (25 % от общей массы). Чаще всего в качестве извести используется мел, так как он легко перетирается до состояния пыли, а также сильно распространён.

Его аналогом является мергель, который относят к переходному сырью, так как в его составе находится глина. Он отличается большим содержанием влаги и массой, которая приходится на его объем. Мергель считается природным клинкером, но из-за того, что его запасы сильно ограничены, то для больших промышленных предприятий его используют редко, чаще всего заменяя на искусственно сделанный клинкер.

В качестве замены известняка применяются ракушечник и осадочные ископаемые, так как в их составе содержится карбонат, а также их легко крошить до состояния порошка.

Вторым элементом клинкера является глинозём или глина. Чаще всего для создания цемента применяют породу, в состав которой входят минеральные вещества. Они увеличиваются в объёме после попадания на них воды. Так как делают цемент чаще всего из веществ, которые находятся недалеко от места производства, то в его состав могут входить даже отходы из других промышленных предприятий.

В качестве глины применяются суглинки, которые содержат пыль и песок. Они используются, как и мергель в качестве переходного вещества. Также для создания гранул клинкера применяются сланцы, которые расходятся на слои при сильном измельчении. Они содержат мало влаги, что позволяет быстрее их сушить и перемалывать.

Для включения в состав клинкера силиката или кварца применяются непластичные горные породы, которые имеют рыхлую структуру. Они отличаются тем, что имеют высокую пористость, а при крошении рассыпаются на мелкие зерна.

После обработки и очистки всех составляющих, её обжигают с помощью печи при температуре до 1,5 тыс. °C. Во время обжига печь вращается, что даёт возможность сплавить состав в гранулы, размер которых изменяется от 1 до 6 см. Клинкер при расплавке образует массу из кремнезёма и диоксида кальция, наличие которых влияет на прочность цемента. После остывания гранул их дробят до состояния порошка и обжигают в печи.

Скорость затвердевания бетона зависит от того, из чего делается цемент. Чаще всего скорость дегидратации вещества (высыхания) зависит от количества гипса, который входит в состав цемента. Для этого используются вещества с содержанием сульфат кальция. Данные добавки не влияют на то, как быстро смесь будет поглощать влагу или время использования раствора. От них зависит только длительность удержания влаги внутри состава.

Для улучшения характеристик цемента используются минеральные добавки. Они могут увеличить срок эксплуатации бетона, защиту от агрессивной внешней среды, а также увеличить прочность или пластичность состава. Для этого используются шлаки, сланцы, пуццолан или перетёртая известь.

Также в процессе производства можно определить, как и из чего делают цемент, состав добавок, а также дополнительные вещества, которые добавляют новые свойства к составу. Например, пластификаторы или примеси, которые делают цемент огнеупорным, влагостойким или защищённым от кислоты. Такие добавки могут улучшить адгезию (прилипание, связывание) раствора с армирующими деталями, что позволит укрепить конструкцию.

Видео описание

В этом видео показано, как и из чего делают цемент

Как делают цемент

Рассмотрим из чего сделан цемент, в каком порядке это добавляется и каким образом обрабатывается. Существуют несколько технологических разновидностей процесса изготовления цемента. Они отличаются тем, каким образом подготавливается сырье.

Одной из разновидностей такого процесса является мокрая обработка. В процессе изготовления клинкера в его состав вместо извести добавляют мел. Во время смешивания ингредиентов с помощью барабана, к порошку добавляется вода. Она нужна для образования шихта, в котором будет до 50 % влаги. После обжига это вещество превращается в клинкер шарообразной формы. После остывания шарики крошатся до состояния порошка.

Для уменьшения затрат на производство и себестоимости готового цемента применяется сухая методика изготовления. Для этого используется механизм, который объединяет в себе устройство по измельчению и печь для сушки. Во время дробления, к составу добавляются все нужные ингредиенты, которые обрабатываются в одном резервуаре.

Комбинированный способ изготовления цемента – это объединение методик сухого и мокрого производства. На предприятиях, использующих данный вид создания готового продукта используются технологии, которые отличаются чаще всего последовательностью обработки.

Например, некоторые производители сначала делают сухую смесь, которую в конце искусственно увлажняют до 13-15 % содержания влаги. Также можно создавать полусухой готовый продукт с содержанием влаги от 17 до 19 %, если перед помолом шихты с помощью мокрой технологии её немного высушить.

При любом из комбинированных методов требуется тщательно перемалывать все ингредиенты и смешивать их до полной однородности. На производстве используются специализированные силосные башни, в которых цемент искусственно насыщается воздухом, что позволяет ему храниться длительное время и не слёживаться.

Видео описание

В этом видео показан процесс изготовления цемента

Коротко о главном

Цемент – это связующее вещество, которое при застывании становиться крепким и может заменить собой камень. Чаще всего его используют для создания фундамента, соединения кирпичей или блоков, а также изготовления плитки или облицовочных материалов.

В зависимости от вида цемента отличается его состав. Поэтому следует знать какие есть разновидности этого вещества, так как некоторые их них используются только в узконаправленных предприятиях. Например, тампонажный цемент применяется только при герметизации газовых или нефтяных скважин, а сульфатостойкий – при сложных географических и погодных условиях.

Читайте также: