Вяжущие вещества. Завод по производству портландцемента ПЦ – 2 / БШ

Одесская  государственная  академия строительства и архитектуры

 

 

 

                                     Кафедра строительных материалов

 

 

 

 

 

 

 

 

    Пояснительная записка

                                                                                                                                                               

                           к курсовому проекту  «Вяжущие  вещества»                                                                                                                                     

 

 

              на тему    Завод  по  производству  портландцемента    ПЦ – 2 / БШ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                              Проектировал: студент  группы              

                                                                                 ПСК-340   Оводенко  С. 

 

Руководитель    к.т.н.,  доцент    

Шинкевич   Е. С.

 

 

 

                                                      Одесса 2008  
                                                      1. Введение

 

  Существует  значительное количество  разнообразных  вяжущих,  однако в строительстве  применяется  лишь  часть  из  них. Их называют   строительными вяжущими веществами и делят на две основные группы:  

   1. неорганические (минеральные) вяжущие вещества;

   2. органические вяжущие  вещества, из которых больше всего  используют продукты перегонки  нефти и каменного угля (битумы  и дегти), называемые часто «черными»  вяжущими.

   Строительными минеральными вяжущими веществами  называют порошковидные материалы, которые после смешения с водой (а в отдельных случаях с растворами некоторых солей) образуют массу, постепенно затвердевающую и переходящую в камневидное состояние.

   Почти все минеральные  вяжущие вещества получают путем грубого и тонкого измельчения исходных материалов и полупродуктов с последующей термической обработкой при разных температурах. В этих условиях протекают разнообразные физико-химические процессы, обеспечивающие получение продукта с требуемыми свойствами.

   Большинство минеральных  вяжущих твердеет в результате  возникновения гидратных новообразований  при взаимодействии вяжущего  вещества с водой. Лишь в  некоторых случаях, например у  гашеной воздушной извести, твердение  происходит в результате взаимодействия её с углекислотой воздуха и одновременной перекристаллизации гидрата окиси кальция.

   Минеральные вяжущие используются  в подавляющем большинстве случаев в смеси с водой и с так называемыми заполнителями, которые представляют собой минеральные ( а иногда и органические) материалы, состоящие из отдельных зерен, кусков, волокон разных размеров. Вяжущие в смеси с мелким заполнителем (песком) дают растворы, в смеси с мелким и крупным заполнителями (гравием, щебнем и т.п.)-бетоны. В отдельных случаях вяжущие используют только в виде  смесей с водой без заполнителей. Использование вяжущих в смеси с заполнителями обусловлено двумя основными причинами. Первая причина экономического характера - стоимость вяжущих относительно высока, поэтому для снижения  стоимости изделия, конструкции и т.п. их необходимо изготовлять с минимальным  расходом вяжущего. Для  каждого вида изделий и конструкций их расход определяется рядом требований, предусматривающих необходимую строительную прочность, надежность и долговечность того или иного сооружения. Вторая причина - технического характера. Дело в том. Что вяжущие вещества в виде теста без заполнителей обнаруживают повышенную склонность к усадке и набуханию как при твердении. Так и под влиянием тепловлажностных изменений. Это зачастую приводит к образованию трещин и ускоренному разрушению конструкций и сооружений.   

   Производство вяжущих веществ  представляет собой комплекс  химических и физико-механических  воздействий на исходные материалы,  осуществляемых в требуемой последовательности.

    Вяжущие вещества - основа современного строительства. Их широко применяют для изготовления штукатурных и кладочных растворов, а также разнообразных бетонов (тяжелых и легких). Из бетонов же изготовляют всевозможные строительные изделия и конструкции, в том числе и армирование  сталью (железобетонные, армосиликатные и др.). Бетоны на вяжущих веществах применяют также для возведения отдельных частей зданий и целых сооружений (мосты, плотины и т.п.).

  Значение вяжущих в современном  строительстве иллюстрируется следующими данными. При возведении жилых домов из кирпича или бетонных и железобетонных изделий на 1 м жилой площади в среднем расходуется до 300 кг вяжущих веществ (цемента, извести, гипса). Только на жилищное строительство ежегодно требуется до 35-40 млн. т вяжущих веществ, а на промышленное, гидротехническое, сельскохозяйственное и другие его виды – значительно больше. В частности, на возведение таких уникальных сооружений, как Волгоградская, Братская, Красноярская гидроэлектростанции, требуется 1,5-2 млн.т цемента.

   Изобретателем  современного портландцемента часто  считают англичанина Джозефа  Аспдина.  В 1824г. Он получил  патент на изготовление вяжущего  вещества из смеси извести  с глиной  обжигом её до полного  удаления угле-кислоты. Это вяжущее он назвал портландцементом, хотя по свойствам оно являлось разновидностью романцемента и, следовательно, не походило на современный портландцемент. Получаемый обжигом строго дозированных исходных сырьевых смесей до спекания.

Егор Челиев. Понимавший значение обжига смеси исходных компонентов «добела», описал уже применявшийся способ изготовления гидравлического вяжущего, который был более совершенным, чем способ  Джозефа Аспдина. Таким образом, основоположником производства портландцемента в нашей стране является Е Челиев.

    Все строительные  минеральные вяжущие вещества  в зависимости от их основного  свойства  твердеть и длительно  противостоять воздействию различных  факторов окружающей среды делят  на три основные группы: воздушные, гидравлические и кислостойкие.

   Исходными материалами  для производства вяжущих веществ  являются различные горные породы  и некоторые побочные продукты  ряда отраслей промышленности  (металлургической, энергетической, химической  и др.)

Все продукты по химическому составу зачастую близки к различным вяжущим веществам в том числе и к портландцементу) и обладают значительным запасом химической и тепловой энергии, полученной во время их тепло-вой обработки в основном производстве. Это предопределяет высокую технико-экономическую эффективность использования таких «полупродуктов» в промышленности вяжущих веществ.                                                                                     

2. Характеристика продукции

 

    Пуццолановый портландцемент - гидравлическое вяжущее вещество, продукт совместного размола портландцементного клинкера гипса и активной минеральной пуццолановой добавки или смешения тех же раздельно размолотых компонентов.

Высокая коррозионная стойкость  цементного камня на пуццолановом портландцементе к действию пресных и минерализованных вод, в том числе к сульфатной коррозии, явились основой для отнесения этого цемента к группе «сульфатостойких» - ГОСТ 22266. Содержание пуццолановой добавки в таком цементе находится в пределах 20-40%. При твердении пуццолановых портландцементов цементный камень характеризуется низким содержанием Са(ОН) 2 и пониженной основностью цементного геля.

Пуццолановые портландцементы  характеризуются несколько более  низкой, чем у портландцемента, плотностью (2,7-2,9 г/см3), повышенной нормальной густотой цементного теста (30% и более), замедленной скоростью твердения в начальные сроки, особенно при низких положительных температурах (< +10°С), низким тепловыделением при твердении, пониженной морозостойкостью, повышенными усадочными деформациями при высыхании.

Основные области применения пуццолановых портландцементов - подземные  и подводные конструкции, подвергающиеся действию пресных и минерализованных вод, в том числе сульфатных: плотины, шлюзы, каналы, туннели, фундаменты и подвалы промышленных и гражданских зданий. Ограничения использования такого цемента распространяются на сооружения, находящиеся в зоне переменного воздействия воды, и подвергающиеся попеременному увлажнению-высыханию и замораживанию-оттаиванию.

 

3. Технологическая часть

3.1. Выбор способа и технологической схемы производства

Технологическая схема  производства пуццолановых портландцементов обычная. Она заключается в сушке  активной минеральной добавки и  подаче ее в установленном количестве в цементные мельницы для совместного помола с клинкером при принятой дозировке гипса. Сушка материала при температурах, не превышающих 479—573 К, заметно не влияет на активность добавок. Однако наши исследования показали, что если в трепеле есть глинистые примеси, то сушка при 873—973 К несколько повышает его активность; рациональная температура сушки для добавок вулканического происхождения должна устанавливаться на основе экспериментальных исследований. 
         Твердение пуццолановых портландцементов происходит в результате совокупного влияния процессов гидратации клинкерной части (клинкерных фаз) и реакций химического взаимодействия гидратных новообразований с активными компонентами добавки. В первую очередь взаимодействуют добавки с гидроксидом кальция, присутствующим в жидкой фазе твердеющей системы. Этот процесс идет, как правило, медленно. Исследования показали, что при рациональном содержании, например 30% трепела в цементе, гидроксид кальция еще полностью не будет связан с кремнеземом трепела даже примерно через год. Реакция эта протекает при твердении цемента в воде либо в сильно влажной среде; противопоказано твердение в первоначальный период на воздухе, так как возможно высыхание цементного камня, что замедлит либо даже прервет эту реакцию. В твердеющем пуццолановом портландцементе концентрация извести в жидкой фазе вследствие ее связывания активной добавкой понижается. Это способствует формированию низкоосновных гидросиликатов кальция CSH(B), с отношением С : S до 0,8, ибо, как уже отмечалось, основность гидросиликата кальция (C:S) зависит от концентрации гидроксида кальция в жидкой фазе. 
           При низкой концентрации извести неустойчивыми оказываются высокоосновные гидроалюминаты кальция. В результате наблюдается их переход в низкоосиовные гидроалюминаты. Возможно также, преимущественно при тепловлажностной обработке, образование гидрогранатов кальция. При повышенном содержании реакционноспособного (растворимого) глинозема в добавке и низкой ее активности возможно образование дополнительного количества С3АН6 за счет взаимодействия с гидроксидом кальция. Высокое содержание растворимого глинозема обычно характерно для глиежа, глини-та и некоторых видов вулканических туфов, что может привести к образованию дополнительного количества гидросульфоалюмипата кальция и изменению сульфатостойкости и некоторых других свойств пуццолановых портландцементов.  
           Пуццолановый портландцемент во многом отличается от портландцемента. Плотность его несколько меньше и равна 2,7—2,9 г/см3, поэтому при одинаковой дозировке по массе он дает больший выход раствора или бетона. Мягкие рыхлые добавки — трепел и диатомит в составе цемента увеличивают нормальную густоту цементного теста до 35% вместо 24—26%; добавки вулканического происхождения и искусственные повышают нормальную густоту в меньшей степени. Это приводит к увеличению водопотребности бетонной смеси на пуццолановых портландцементах, что несколько замедляет нарастание прочности бетона. По срокам схватывания пуццолановые цементы не отличаются от портландцемента. Поскольку реакционная способность активных добавок вулканического происхождения, а также глиежа увеличивается с дисперсностью, тонкость помола пуццоланового портландцемента с этими добавками должна быть повышенной. При использовании рыхлых пород, например трепела, удельная поверхность цемента возрастает иногда в процессе измельчения за счет дисперсности добавки, а не клинкерной части, что следует учитывать при производстве этих цементов.  
          Пуццолановые портландцемента отличаются несколько замедленным твердением при нормальной температуре в первые сроки и при испытании в растворах пластичной консистенции не достигают показателей прочности на сжатие, характерных для исходных портландцементов к 28-ми суткам. При твердении во влажных условиях или в воде прочность пуццоланового портландцемента во времени повышается и превышает прочность исходного портландцемента не только на изгиб, но и на сжатие. Наши исследования показали, что при активном клинкере, рациональном содержании добавки и гипса и особенно при весьма топком помоле можно существенно повысить прочность цемента.  
        Для нормального роста прочности необходимо обеспечить высокую влажность среды в начальный период твердения цемента, после чего он может твердеть на воздухе, рост прочности при этом будет меньше. По воздухостоикости он уступает портландцементу. Падение температуры примерно ниже 283 К резко замедляет скорость его твердения, что вызывает необходимость в искусственном обогреве. Пропаривание ускоряет твердение бетонов на пуццолановых портландцементах, однако если в последующем бетон будет твердеть во влажных условиях или в воде, целесообразно применять тепловлажностную обработку. 
        Образующиеся в результате химического связывания гидроксида кальция набухшие гидросиликаты кальция заполняют микропоры в растворах и бетонах, что вызывает уплотнение их структуры и придает им водонепроницаемость. Тем самым в значительной степени устраняется возможность выщелачивания свободной извести под напором воды. 
         Пуццолановые портландцементы обладают повышенной связующей способностью, придают растворным и бетонным смесям большую пластичность и соответственно удобообрабатываемость, не отличаются от портландцемента по показателям сцепления с арматурой в железобетоне. Водоотделение в цементных растворах и бетонах заметно уменьшается при мягких добавках (трепеле и др.). При гидратации пуццолановых портландцементов наблюдается меньшее тепловыделение, чем у портландцемента; замена 30—40% клинкера добавкой вызывает уменьшение экзотермии, но непропорционально количеству добавки, так как при равномерном распределении ее частиц в цементе клинкерные зерна раздвигаются, что содействует более глубокой их гидратации.                  Тепловыделение зависит от химико-минералогического состава исходного клинкера, активности добавки и тонкости помола цемента. Поэтому количество тепла, выделяющегося при гидратации пуццолановых портландцементов, не поддается хотя бы примерному предварительному расчету и должно устанавливаться экспериментальным путем. Пуццолановые портландцементы отличаются повышенной усадкой, которая, так же как и тепловыделение, зависит от ряда факторов. Заметное увеличение усадки связано с повышением водопотребности при применении мягких рыхлых добавок — трепела и др. 
         Пуццолановые портландцементы характеризуются большей способностью к пластической деформации во влажных условиях при постоянной температуре, чем портландцемент, причем бетоны на этих цементах отличаются высокой трещиностойкостью, что особенно ценно для массивных бетонных гидротехнических сооружений. Пуццолановые портландцементы придают растворам и бетонам несколько пониженную морозостойкость, в особенности, когда многократным (более 100 циклов) попеременным замораживанием и оттаиванием испытывают еще недостаточно прочный оаствоп или бетон в ранние сроки твердения. При применении пуццолановых портландцементов, в которых содержатся активные минеральные добавки с плотной структурой, не увеличивающие водопотребность бетона, морозостойкость понижается менее заметно. Это происходит тогда, когда мороз воздействует на длительно твердевший бетон с уже повышенной плотностью и прочностью, например шестимесячного срока твердения. 
         Пуццолановый портландцемент выпускается марок 300, 400 и применяется главным образом в сооружениях, подвергающихся воздействию пресных вод: в подводных конструкциях при строительстве речных гидротехнических сооружений (порты, каналы, плотины, шлюзы и т. п.); в водопроводных сооружениях; при строительствве туннелей и других подземных сооружений, при проходке шахт и т. п.; при кладке фундаментов и подвалов гражданских и промышленных зданий. Поскольку пуццолановый портландцемент отличается пониженной воздухопроницаемостью, нецелесообразно применять его для надземных железобетонных сооружений в условиях воздушного твердения. Быстрое высыхание цемента может приостановить его твердение и вызвать сильные усадочные явления. Нельзя использовать пуццолановый портландцемент для частей сооружений, находящихся в зоне переменного действия воды и подвергающихся постоянному увлажнению и высыханию, замораживанию и оттаиванию.  
Одно из важных свойств пуццолановых портландцементов — повышенная сульфатостойкостъ из-за незначительного содержания несвязанного гидроксида кальция и повышенной водонепроницаемости.

 

Мокрый способ производства клинкера

     Добыча  и транспортирование известняка  и глины, приготовление сырьевой  смеси, площадку для строительства цементного завода выбирают, как правило, вблизи месторождений основных исходных материалов – карбонатного и глинистого компонентов. Это делается с целью уменьшения расходов на транспорт и доведения до минимума запасов, а следовательно, и ёмкости складов сырья на площадке завода.

   Добыча известняка. Известняковые породы обычно  залегают под слоем пустой  породы, толщина которого может иногда достигать значительной величины (3 – 5 м и более). Для её удаления  применяют  экскаваторы разных типов, бульдозеры, а также гидромеханический способ, посредством которого грунт размывают струёй воды, подаваемой гидромонитором под давлением 1,5 – 20 МПа. Высокой эффективностью отличаются разработка вскрышных пород с помощью роторных экскаваторов и удаление пород в отработанные части карьеров ленточными конвейерами.

    Взорванную  породу кусками размером до 1м,  а иногда до 1,5 – 2м  в поперечнике грузят с помощью экскаватора на транспортные средства и отправляют на завод. Более крупные  глыбы подвергают дроблению пневматическими перфораторами. В качестве транспортных  средств  используют самоопрокидывающиеся платформы  на 90 – 100т или автосамосвалы. При сильно пересеченной или застроенной  местности, отделяющей карьер от завода, применяют также и подвесные канатные дороги.   

   На заводах  известняк подвергается двухступенчатому  дроблению и далее помолу с  глинистым компонентом. Для рыхления скальных пород вместо взрывов начинают применять специальные рыхлители, навешиваемые на мощные  тягачи  или пневмоколёсные погрузчики горной породы. Последние весят в 6-8 раз меньше, чем экскаваторы при одинаковой  вместимости ковша. При большой их мобильности они способны быстро перемещать добытую горную массу к дробильным установкам, находящимся  в карьерах. Отказ при такой организации работ от  традиционно применяемых экскаваторов, автомобильного и железнодорожного транспорта для  перевозки  крупногабаритного материала на заводы обеспечивает значительное увеличение производительности труда и сокращение  стоимости  добычных работ на 15-20%.   

    Высокой экономической  эффективностью характеризуется  организация дробления известняка, а также переработка мела, мергелей и глин непосредственно на карьерах с подачей на завод известнякового щебня ленточными конвейерами (иногда длиной до 5-8км).

   Добычу  глины, мела и мягких мергелей ведут экскаваторами одноковшовыми или многоковшовыми. Транспортируют эти материалы так же, как и известняк, на заводы, где перерабатывают  в водные суспензии (шлам). Материалы после предварительного  измельчения в дробилках до кусков размером не более 20 см разбалтывают с водой, причём  образуется суспензия  с частицами материала  до 3-5мм. Крупные  куски и примеси (песок, галька и т.п.), оседающие на дно, периодически  удаляют. Полученный  шлам насосами   перекачивают  в запасные  бассейны, откуда он поступает на тонкое измельчение  в мельницы  совместно с другими компонентами сырьевой смеси.