Технология производства цемента

Технология производства цемента

В строительных работах цемент потребляется как самостоятельное сырье, так и в качестве компонента в составе (бетон или железобетон). Процесс изготовления трудозатратный и дорогой. Используемые производителями технологии напрямую влияют на качество сырья и его окончательную стоимость.

Базовый состав цемента одинаковый для всех видов. Цемент делают из глиняной породы, из которой изготавливается клинкер. От типа обработки зависят технические характеристики. Около 15% состава занимают минеральные добавки (только в точном соотношении с установленными государственными стандартами). Если процентное соотношение добавок будет нарушено, то свойства цементного раствора будут изменены. У раствора есть название — пуццолановый цемент.

На качество материала оказывает непосредственное влияние технология его производства:

• зернистость помола влияет на степень застывания бетона и его прочность. Чем меньший размер имеет помол, тем прочнее раствор;
• чтобы увеличить пластичность цементной смеси, в нее добавляют пластифицирующие компоненты органического и неорганического происхождения;
• на уровень тепловыделения также влияют используемые добавки. Специальные вещества способны оказывать воздействие на количество и скорость выделения тепла.

Сегодня производители предлагают потребителю огромное количество видов цемента, которые следует использовать в зависимости от условий труда и особенностей строения. Но технологии производства остаются стандартными.

Сырье для производства цемента

В качестве сырья для производства цемента используются минералы природного происхождения. Часть идет на формирование клинкерной основы. Другая нужна для корректировки тех или иных характеристик конечного продукта.

Базовый набор минералов

Основой для изготовления цемента является клинкер. Это обожженная смесь из глины и пород карбонатного происхождения. К первым относится три материала:

1. Глина содержит минералы, при смачивании массы которые придают ей эластичность и объем. Если в составе присутствуют песок и пыль, то материал называют суглинком.
2. Глинистый сланец отличается твердостью и повышенной плотностью. В природе сырье встречается в виде тонких пластин с низким водопоглощением.
3. Лесс — это хрупкий композит, основой которого является кварц, полевой шпат. Материал имеет пористую структуру и обладает малой пластичностью. С содержанием глины выделяют также лессовидный суглинок.

Карбонаты включают известняк, доломиты, мел и мергель. Вторая пара компонентов имеет аморфную структуру. Это положительно сказывается на взаимодействии составных частей во время обжига.

Мел относится к группе известняков с мажущей способностью. Осадочная порода легко поддается обработке. Мергель со схожей природой обладает также свойствами глины. Это объяснимо ее содержанием в твердом или рыхлом материале с различной влажностью.

Добавки

Дополнительные материалы (содержание не более 15 % от общей массы) позволяют придавать конечному продукту усиленные свойства. Это могут быть стойкость к влаге или механической нагрузке, повышение плотности или создание ячеистой структуры. Например, в смесь молотого клинкера добавляют небольшое количество гипса (до 5 %) для ускорения затвердевания раствора.

Также первичное или вторичное сырье применяется для изготовления отдельных видов цементного вяжущего:

• белый с высокими показателями прочности актуален для создания декоративных растворов;
• гидрофобный обладает минимальным водопоглощением и стойкостью к морозам;
• глиноземистый быстро набирает прочность (до 50 % в первые сутки);
• пуццолановый при высыхании практически не выделяет тепло, что снижает риск неравномерной осадки монолита;
• расширяющийся по мере высыхания увеличивается в объеме.

Самый востребованный вид — портландцемент. На 80 % материал представлен силикатом кальция. Глиноземистый характеризуется быстрым схватыванием. Основой магнезиального цемента является оксид магния. Этот продукт проявляет слабую устойчивость к ржавчине, но обладает хорошей адгезией к дереву. Кислотоупорный вид вяжущего изготавливают с гидросульфитом натрия.

Технологии производства клинкерного кирпича

Процесс создания клинкерного кирпича включает в себя такие этапы:

1. Соединение воды и глины;
2. Замес раствора;
3. Формовка смеси в цилиндрические формы;
4. Разрезание форм на части;
5. Обжиг в печи под высокими температурами;
6. Укладка готового материала для последующего хранения или транспортировки.

Начальным этапом является подбор сырья, в роли которого выступает специальная глина. Она должна отвечать ряду требований:

• Иметь высокую тугоплавкость и пластичность;
• Быть тщательно очищенной от посторонних примесей;
• Содержать минимальное количество солей и известняка.

Подготовленная глина помещается в экструдер, где происходит формирование кирпича. Масса под прессом выходит в виде пластины, которая в дальнейшем разрезается на кирпичи и раскладывается по специальным вагонеткам.

Этот этап может быть заменен на полусухое прессование . Сам процесс занимает меньшее количество времени и энергии, но при этом позволяет получать такой же крепкий кирпич, как и при экструзии.

Готовые формы укладывают по вагонеткам и направляют в печь для последующего обжига. Температура при этом удерживается в пределах 1100-1200 градусов. Нахождение в печи может занимать до двух суток, включая в себя не только обжиг, но и постепенное охлаждение и подсушивание.

Теперь, когда вы знаете про производство клинкера сухим и иными способами, погорим и о популярных заводах.

О технологии производства клинкерного кирпича рассказывает данное видео:

Определение и описание шлакопортландцемента

Американское общество по испытанию материалов (ASTM C125) определяет доменный шлак как «неметаллический продукт, состоящий в основном из силикатов и алюминатов кальция, полученный вместе с чугуном в доменной печи в виде расплава».

При производстве чугуна в доменную печь загружают железную руду, флюсовый камень (известняк и/или доломит) и кокс. Получаемая на выходе из печи продукция — расплавленный чугун и шлак. Шлак состоит в основном из кварца и оксидов алюминия (от железной руды) и оксидов кальция и магния (от флюсового камня). Из печи шлак выходит в расплавленном состоянии, причем температура расплава может превышать 1480?C (2700?F). Существует четыре основных способа обработки расплавленного шлака: охлаждение воздухом, быстрое охлаждение холодной водой (вспучивание шлака), дробление и помол. При каждом из данных методов обработки получается уникальный шлаковый материал, обладающий отличительными свойствами.

Химические свойства шлакопортландцемента

Основные составляющие доменного шлака — кварц, оксиды алюминия, кальция и магния, на которые приходится 95% всего состава шлака. Остальные 15% — марганец, соединения железа и серы и следовое количество других элементов. Однако, следует отметить, что основные оксиды, входящие в состав шлака не встречаются в свободной форме. В доменном шлаке, охлажденном воздухом, оксиды объединяются в различные силикаты и алюмосиликатные минералы, такие как мелилит, мервинит, волластонит и др., которые также существуют в виде природных пород. В дробленом и молотом шлаках, данные элементы присутствуют в виде стекла. Химический состав шлаков варьируется в очень узких пределах, поскольку все сырье, загружаемое в доменную печь, очень тщательно отбирается и смешивается.

* в основном в виде сульфида кальция

Физические свойства шлакопортландцемента

Физические характеристики шлака, такие как вес, размер частиц, структурные свойства и т.д. различаются в зависимости от метода обработки расплавленного шлака. Соответственно, конечное применение обработанного шлака также различается в зависимости от метода обработки.

В последнее время в России и других странах большое внимание уделяется проблеме использования вторичных ресурсов. Одним из наиболее перспективных направлений утилизации промышленных отходов является использование их в производстве строительных материалов.

Металлургия занимает одно из ведущих мест среди других отраслей промышленности. На основных технологических переделах производства черных и цветных металлов образуются побочные продукты – отходы, химико-минералогический состав и физико-механические свойства которых позволяют считать их ценным сырьем для производства строительных материалов. Основная масса отходов металлургических процессов образуется в виде шлаков.

Шлаки – продукты высокотемпературного взаимодействия компонентов исходных материалов – топлива, руды, плавней и газовой среды. Трудно, пожалуй, найти другое сырье, которое обладало бы таким множеством ценных качеств и при этом так долго пробивало бы путь к широкому применению в строительной промышленности, как шлак. Во многих районах страны из шлака построены многоэтажные дома, промышленные здания, возведены мосты и плотины, проложены ленты автострад. Из обременительного отхода он становится признанным сырьем строительной промышленности.

Самая ранняя попытка использования доменного шлака относится к 1589 г., когда в Германии из него отливали пушечные ядра. В строительстве шлак стали применять только в 18 веке. В Нижнем Тагиле из шлаковых расплавов начали отливать плиты для ступеней, брусчатку для дорог. В Швеции литые шлаковые камни применялись вместо кирпича для кладки верхней части шахт доменных печей. В России и других странах отвальный шлак использовали в качестве щебня при постройке дорог. В последующие годы ценные свойства шлаков еще больше привлекают внимание ученых и практиков во всем мире к проблеме применения шлаков в строительстве.

Для решения вопросов организации переработки шлаков, использования их, координации научных исследований и опытных работ, в Москве в 1933 г. была создана Всесоюзная контора по шлакопереработке. Во многих странах созданы специальные институты и организации, занимающиеся вопросами использования шлака в строительстве, иногда на базе металлургических заводов: в США – Национальная шлаковая ассоциация, во Франции – Техническая ассоциация по изучению и использованию доменных шлаков, в Канаде — Национальная шлаковая ассоциация, В Англии – Британская ассоциация шлака. Организация переработки шлаков в разных странах неодинакова, что объясняется специфическими условиями каждой страны. В Англии и Германии шлаковую продукцию, получают непосредственно на металлургических заводах, в других странах шлак в жидком состоянии или частично обработанный передают компаниям и специальным фирмам по производству строительных материалов. Необходимо отметить весьма результативные действия Национальной шлаковой ассоциации США, к заслугам которой относится создание шлакоперерабатывающей индустрии. Шлак признан минеральным сырьевым материалом. Переработка шлака в основном осуществляется фирмами, независимыми от металлургов, и только в немногих случаях металлургические компании перерабатывают шлак для своих нужд и продают его [3]. В США, Англии, Германии, Франции воздушно охлаждаемые металлургические шлаки в основном перерабатываются на щебень, применяемый в качестве балласта при строительстве железных дорог, а также используют как заполнитель при сооружении аэродромных покрытий и автомобильных дорог. Асфальтобетонные покрытия с применением шлакового заполнителя характеризуется высокой прочностью, устойчивостью к истиранию, большим коэффициентом сцепления, отсутствием сдвиговых деформаций. Вся продукция шлакопереработки экономически выгодна. Например, шлаковый щебень в 1,5-2 раза дешевле природного и требует в 4,5 раза меньше удельных капитальных вложений. Шлаковая пемза в 3 раза дешевле керамзита и требует в 1,5 раза меньше удельных капитальных вложений.

Основным видом промышленной продукции, производимой на основе металлургических шлаков, является шлакопортландцемент. Впервые гранулированный шлак был применен как добавка при производстве цемента в Германии в 1892 г.

Шлакопортландцемент – это гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе, получаемое совместным тонким измельчением портландцементного клинкера и гранулированного шлака. Содержание шлака в шлакопортландцементе по ГОСТ 10178-85 должно составлять не менее 21 и не более 60% массы цемента [5]. По американскому стандарту содержание шлака должно составлять от 25 до 65%, по английскому не больше 65%. В Германии стандартизованы два вида шлакопортландцемента: железопортландцемент, содержащий не более 35% шлака, и доменный цемент с содержанием шлака от 31 до 85%. Во Франции выпускаются 4 вида шлакопортландцемента: железопортландцемент с 20–30% шлака, смешанный металлургический цемент с 50% шлака, доменный цемент с 70% шлака и шлако-клинкерный цемент, содержащий не менее 80% шлака. Каждый из этих видов цемента делится на две марки по прочности. В Германии каждый вид шлакопортландцемента имеет три марки по прочности, а в Англии и США – только одну марку, как и обыкновенный портландцемент.

Шлакопортландцементы широко применяются в настоящее время во многих странах для общих строительных работ, для гидротехнических сооружений и для сборных железобетонных изделий (например, бетонные трубы). По прочности они не уступают портландцементу, но нуждаются в более тщательном уходе при повышенных и пониженных температурах.

Исторически сложилось так, что доменные гранулированные шлаки в России и некоторых европейских странах используются преимущественно для производства вяжущих материалов, особенно для производства шлакопортландцемента. В США и Японии они применяются в основном для производства заполнителя. Последнее направление позволяет вовлечь в строительный комплекс значительно большее количество шлака, чем в производство из него вяжущих веществ. Особенно эффективно производство шлакового щебня при использовании технологии придоменной переработки шлака. При этом используется та тепловая энергия, которая была аккумулирована шлаковым расплавом в процессе производства чугуна. Такая технология позволяет достичь значительную экономию топливно-энергетических ресурсов.

В последние годы наблюдается рост шлаковых отвалов вокруг металлургических заводов России. Одной из причин уменьшения использования доменных гранулированных шлаков цементной промышленностью является падение спроса на шлакопортландцемент. В этой связи приобретает большое значение расширение масштабов производства шлакового заполнителя, в том числе шлаковой пемзы, которая является заменителем керамзита, а также литого шлакового щебня для тяжелых бетонов.

Необходимо подчеркнуть, что бетоны с заполнителем из доменных гранулированных шлаков отличаются рядом преимуществ перед традиционными бетонами. Как было установлено в работах доменный шлак в составе портландцементного бетона выполняет функцию активного заполнителя, т.е. его поверхностный слой реагирует с гидроксидом кальция, выделяющимся при гидролизе алита. При этом образуется дополнительное количество гидросиликатов кальция, которые создают чрезвычайно прочную связь заполнителя с цементной матрицей, полностью исчезают капиллярные каналы, которые в результате усадки цементного камня образуются между ним и поверхностью заполнителя. Это приводит к значительному повышению коррозионной стойкости бетона с активным заполнителем по сравнению с традиционными составами в большинстве агрессивных сред, в том числе даже против такого грозного вида химической агрессии, как кислотная. Кроме того, благодаря специфической структуре и отсутствию микрозазоров на границе раздела вяжущего и заполнителя, такие бетоны обладают отличительными физико-механическими характеристиками. Именно этим обусловлено широкое применение бетонов на шлаковом заполнителе в США, Японии и других странах.

В России шлаковый заполнитель используется сравнительно редко, поэтому имеются огромные резервы расширения производства бетонов на шлаковом заполнителе, что позволит приостановить рост шлаковых отвалов в районах расположения металлургических заводов России.

Необходимое оборудование

Пример пластиковой формы для фасадной плитки

Какое потребуется оборудование для производства фасадной плитки? Для создания качественного покрытия необходимо приобрести следующее оснащение:

• Бетономешалка – если объем работы небольшой, для смешения компонентов сырья можно воспользоваться и обыкновенным строительным миксером. Но в случае применения такого оборудования, на перемешивание компонентов раствора должно уйти не менее получала;
• Вибростол – вибрирующая поверхность стола в процессе формовки позволяет утрамбовывать растворы, что влияет на плотность будущего покрытия. При необходимости его можно собрать самостоятельно, прикрепив к металлическому столу строительный вибратор;
• Формы – непосредственно в формах и будет застывать сырье. Чтобы изготовить такие конструкции, достаточно собрать деревянный каркас необходимой формы, скрепив детали металлическими уголками.

Конечно, приобретая профессиональное оборудование для изготовления фасадной плитки, можно добиться значительно лучших результатов. В частности, это касается форм. При необходимости создания плитки, имитирующей натуральный камень или кирпич, потребуются матрицы с рифленой поверхностью.

Керамические облицовочные плитки для стен и полов

Для наружной отделки фасадов используют большие облицовочные плиты, пустотелые камни, терракоту, лицевой (в частности цветной) кирпич, кирпич с гофрированными вертикальными или рельефными поверхностями, реже — мелкие облицовочные глазурованные плитки или кирпичики. Керамическая облицовка фасадов гораздо долговечнее, а зачастую красивее, чем штукатурка.

Матовые плиты из белых и цветных светлых глин (кремовых, палевых, розовых, желтых, серых и др.), не покрытые глазурью, называются терракотовыми. Поверхность плит может быть гладкой, шероховатой и рельефной. Глазурованные облицовочные изделия называются майоликой.

Огромное количество керамических облицовочных материалов применено на строительстве новых зданий.

Здесь использованы облицовочные пустотелые камни светложелтого цвета различной формы. Керамикой оформляют и оконные проемы.

Для внутренней отделки зданий широко применяются:

1. керамические облицовочные плитки для стен и перегородок,
2. керамические плитки для полов

Облицовочные плитки прессуют из огнеупорных, в частности из белых фаянсовых или тугоплавких глин с добавкой отощающих веществ и плавней. Плитки сушат, обжигают, покрывают с лицевой стороны легкоплавкой глазурью или эмалью, после чего вторично обжигают, чтобы расплавился глазурный слой. При остывании глазурь затвердевает и образует блестящий водонепроницаемый слой. Возможен также способ производства плиток с однократным обжигом.
Глазурь прозрачна и стекловидна, она может быть и цветной. Эмаль («глухая глазурь») отличается от глазури тем, что она непрозрачна.

Облицовочные плитки применяют главным образом для отделки ванных комнат, кухонь, туалетовх, бань, больничных помещений и т. п. По форме плитки бывают рядовые квадратные (плоские) размером обычно 150х150 мм и 100х100 мм и фасонные различных видов (угловые, карнизные и др.). Поверхность, противоположная лицевой стороне имеет бороздки глубиной 1,5— 2 мм для лучшего сцепления с цементным раствором при облицовке стен. Толщина плиток: глиняных 12 мм, фаянсовых 4—6 мм. Лицевая сторона их, покрытая глазурью, должна быть ровной, глянцевой, без трещин и пузырей. Глазурью покрывается также поверхность изразцов, применяемых для облицовки поверхностей комнатных печей.

Применение плиток

Плитки для полов (устаревшее название «метлахские») широко применяются для настилки полов в нежилых помещениях (машинные залы, лаборатории, бани, кухни, ванные, вестибюли, коридоры и т. п.). Укладывают их на цементном растворе, малыми или большими квадратами, с фризами по краям, создавая одноцветный или многоцветный рисунок пола.
Такие плитки легко моются и мало впитывают влаги (водопоглощение их меньше 2% по весу); характеризуются малой истираемостью и достаточным сопротивлением удару. Недостаток плиток — большая теплопроводность, не позволяющая применять их в жилых зданиях (получается холодный пол) без покрытия коврами, матами и т. п. Покрывать ими тротуары нельзя, так как зимой они слишком скользки.