портландцемент

Портландцемент — наиболее распространенный тип цемента, широко используемый во всем мире в качестве основного ингредиента бетона, строительного раствора, штукатурки и неспециализированных растворов. Он был разработан Джозефом Аспдином на основе других видов гидравлической извести в Англии в начале 19 века и обычно изготавливается из известняка. Это мелкий порошок, получаемый путем нагревания известняка и глинистых минералов в печи с образованием клинкера, а затем измельчения клинкера с добавлением нескольких процентов (часто около 5%) гипса. Доступны несколько типов портландцемента. Самый распространенный, исторически называемый обычным портландцементом (ОПЦ), серый, но доступен также белый портландцемент. Его название происходит от его сходства с портлендским камнем, который добывают на острове Портленд в Дорсете, Англия. Он был назван Джозефом Аспдином, который получил на него патент в 1824 году. Его сын Уильям Аспдин считается изобретателем «современного» портландцемента благодаря его разработкам в 1840-х годах.

Низкая стоимость и широкая доступность известняка, сланца и других природных материалов, используемых в портландцементе, делают его относительно дешевым строительным материалом. Чаще всего его используют в производстве бетона, композитного материала, состоящего из заполнителя (гравия и песка), цемента и воды.

История

Портландцемент был разработан на основе природного цемента, производимого в Великобритании в середине 18 века. Его название происходит от его сходства с портлендским камнем, типом строительного камня, добываемого на острове Портленд в Дорсете, Англия.

Разработка современного портландцемента (иногда называемого обычным или нормальным портландцементом) началась в 1756 году, когда Джон Смитон экспериментировал с комбинациями различных известняков и добавок, включая трассс и пуццоланы, предназначенных для строительства маяка, ныне известного как Башня Смитона. В конце 18 века римский цемент был разработан и запатентован в 1796 году Джеймсом Паркером. Римский цемент быстро стал популярным, но в 1850-х годах его в значительной степени заменил портландцемент. В 1811 году Джеймс Фрост произвел цемент, который он назвал британским цементом. Сообщается, что Джеймс Фрост построил мануфактуру по производству искусственного цемента в 1826 году. В 1811 году Эдгар Доббс из Саутварка запатентовал цемент, изобретенный 7 годами позже французским инженером Луи Вика. Цемент Вика представляет собой искусственную гидравлическую известь и считается «главным предшественником» портландцемента.

Название портландцемент записано в справочнике, опубликованном в 1823 году, и связано с Уильямом Локвудом и, возможно, другими. В своем патенте на цемент 1824 года Джозеф Аспдин назвал свое изобретение «портландцементом» из-за его сходства с портландским камнем. Цемент Аспдина не имел ничего общего с современным портландцементом, а был первым шагом в разработке современного портландцемента и был назван «прото-портландцементом».

Уильям Аспдин покинул компанию своего отца, чтобы основать собственную цементную фабрику. В 1840-х годах Уильям Аспдин, по-видимому, случайно, произвел силикаты кальция, которые являются средним этапом в развитии портландцемента. В 1848 году Уильям Аспдин еще больше усовершенствовал свой цемент. Затем, в 1853 году, он переехал в Германию, где занялся производством цемента. Уильям Аспдин сделал то, что можно было бы назвать «мезопортландцементом» (смесь портландцемента и гидравлической извести). Айзек Чарльз Джонсон еще больше усовершенствовал производство «мезопортландцемента» (средний этап развития) и заявил, что является настоящим отцом портландцемента.

В 1859 году Джон Грант из Столичного совета работ изложил требования к цементу, который будет использоваться в проекте канализации Лондона. Это стало спецификацией портландцемента. Следующим достижением в производстве портландцемента стало внедрение вращающейся печи, запатентованной Фредериком Рэнсомом в 1885 (Великобритания) и 1886 (США); что позволило получить более прочную и однородную смесь и обеспечить непрерывный производственный процесс. «Бесконечная» печь Хоффмана, которая, как говорили, обеспечивала «идеальный контроль над горением», была испытана в 1860 году и показала, что производит цемент высочайшего качества. Этот цемент был изготовлен на заводе Portland Cementfabrik Stern в Штеттине, который первым использовал печь Хоффмана. Ассоциация немецких производителей цемента выпустила стандарт на портландцемент в 1878 году.

Портландцемент был импортирован в Соединенные Штаты из Германии и Англии, и в 1870-х и 1880-х годах он производился компанией Eagle Portland цемент недалеко от Каламазу, штат Мичиган. В 1875 году первый портландцемент был произведен в компании Coplay Cement Company Kilns под руководством Дэвида О. Сэйлора в Коплее, штат Пенсильвания. К началу 20 века портландцемент американского производства вытеснил большую часть импортного портландцемента.

Состав

ASTM C150 определяет портландцемент как:

гидравлический цемент (цемент, который не только затвердевает в результате реакции с водой, но и образует водостойкий продукт), получаемый путем измельчения клинкера, который состоит в основном из гидравлических силикатов кальция, обычно содержащих одну или несколько форм сульфата кальция в качестве межмолотой добавки.

Европейский стандарт EN 197-1 использует следующее определение:

Портландцементный клинкер представляет собой гидравлический материал, который должен состоять как минимум на две трети по массе из силикатов кальция (3 CaO·SiO2 и 2 CaO·SiO2), остальная часть состоит из алюминий- и железосодержащих фаз клинкера и других соединений. . Отношение CaO к SiO2 должно быть не менее 2,0. Содержание оксида магния (MgO) не должно превышать 5,0% по массе.

(Последние два требования уже были изложены в немецком стандарте, изданном в 1909 году).

Клинкеры составляют более 90 % цемента вместе с ограниченным количеством сульфата кальция (CaSO₄, который контролирует время схватывания) и до 5 % второстепенных компонентов (наполнителей), как это разрешено различные стандарты. Клинкеры представляют собой узелки (диаметром 0,2–1,0 дюйма [5,1–25,4 миллиметра]) спеченного материала, которые образуются при нагревании сырьевой смеси заданного состава до высокой температуры. Ключевая химическая реакция, отличающая портландцемент от других гидравлических извести, происходит при таких высоких температурах (>1300 °C (2370 °F)), когда белит (Ca₂SiO₄) объединяется с оксидом кальция (CaO) с образованием алита (Ca₃SiO₅).

Производство

Портландцементный клинкер изготавливается путем нагревания в цементной печи смеси сырьевых материалов до температуры обжига выше 600 °C (1112 °F), а затем до температуры плавления, которая составляет около 1450 °C (2640 °F) для современные цементы для спекания материалов в клинкер.

Материалами цементного клинкера являются алит, белит, трикальцийалюминат и тетракальцийалюмоферрит. Оксиды алюминия, железа и магния присутствуют в виде флюса, позволяющего силикатам кальция образовываться при более низкой температуре и мало влияющих на прочность. Для специальных цементов, таких как низкотермостойкие (LH) и сульфатостойкие (SR), необходимо ограничивать количество трикальцийалюмината (3 CaO·Al₂O₃) образовались.

Основным сырьем для изготовления клинкера обычно является известняк (CaCO3), смешанный со вторым материалом, содержащим глину в качестве источника алюмосиликата. Обычно используется нечистый известняк, содержащий глину или SiO₂. Содержание CaCO₃ в этих известняках может достигать 80%. Вторичное сырье (материалы в сырьевой смеси, кроме известняка) зависят от чистоты известняка. Некоторые из используемых материалов: глина, сланец, песок, железная руда, бокситы, летучая зола и шлак. Когда цементная печь топится углем, зола угля выступает в качестве вторичного сырья.

Шлифование цемента

Для достижения желаемых качеств схватывания готового продукта в клинкер добавляют некоторое количество (2–8%, но обычно 5%) сульфата кальция (обычно гипс или ангидрит) и смесь тонко измельчают с образованием готового цемента. пудра. Это достигается на цементной мельнице. Процесс измельчения контролируют для получения порошка с широким диапазоном размеров частиц, в котором обычно 15% по массе составляют частицы диаметром менее 5 мкм и 5% — частицы диаметром более 45 мкм. Обычно используемой мерой крупности является «удельная площадь поверхности», которая представляет собой общую площадь поверхности частиц единицы массы цемента. Скорость начальной реакции (до 24 часов) цемента на добавление воды прямо пропорциональна удельной площади поверхности. Типичные значения составляют 320–380 м2·кг-1 для цементов общего назначения и 450–650 м2·кг-1 для «быстротвердеющих» цементов. Цемент транспортируется ленточным или порошковым насосом в силос для хранения. Цементные заводы обычно имеют достаточно места в силосах для производства от одной до 20 недель, в зависимости от местных циклов спроса. Цемент доставляется конечным потребителям либо в мешках, либо в виде порошка, выдуваемого из автомобиля под давлением в силос клиента. В промышленно развитых странах 80% и более цемента поставляется навалом.

Установка и закалка

Цемент схватывается при смешивании с водой в результате сложной серии химических реакций, которые до сих пор изучены лишь частично. Различные компоненты медленно кристаллизуются, и переплетение их кристаллов придает цементу прочность. Углекислый газ медленно поглощается, превращая портландит (Ca(OH)₂) в нерастворимый карбонат кальция. После первоначального схватывания погружение в теплую воду ускорит схватывание. Гипс добавляется в качестве ингибитора для предотвращения мгновенного (или быстрого) схватывания.

Использовать

Наиболее распространенным применением портландцемента является производство бетона. Бетон – это композитный материал, состоящий из заполнителя (гравия и песка), цемента и воды. В качестве строительного материала бетону можно придать практически любую желаемую форму, и после затвердевания он может стать конструкционным (несущим) элементом. Бетон можно использовать при строительстве структурных элементов, таких как панели, балки и уличная мебель, или его можно заливать на месте для надстроек, таких как дороги и плотины. Они могут поставляться с бетоном, приготовленным на месте, или с готовым бетоном, приготовленным на постоянных площадках для смешивания. Портландцемент также используется в растворах (только с песком и водой), для штукатурок и стяжек, а также в растворах (смеси цемента и воды, задавливаемые в зазоры для укрепления фундаментов, дорожных полотен и т. д.).

Когда вода смешивается с портландцементом, продукт схватывается за несколько часов и затвердевает в течение нескольких недель. Эти процессы могут сильно различаться в зависимости от используемой смеси и условий отверждения продукта, но типичный бетон схватывается примерно через 6 часов и развивает прочность на сжатие 8 МПа за 24 часа. Прочность повышается до 15 МПа через 3 дня, 23 МПа через 1 неделю, 35 МПа через 4 недели и 41 МПа через 3 месяца. В принципе, прочность продолжает медленно расти, пока доступна вода для продолжения гидратации, но бетону обычно дают высохнуть через несколько недель, и это приводит к остановке роста прочности.

Типы

Общий

ASTM C150

Существует пять типов портландцементов, с вариациями первых трех согласно ASTM C150.

Тип I Портландцемент известен как обычный цемент или цемент общего назначения. Обычно так и предполагается, если не указан другой тип. Он обычно используется для общего строительства, особенно при изготовлении сборных железобетонных изделий и предварительно напряженного железобетона, который не должен контактировать с почвой или грунтовыми водами. Типичными составными составами этого типа являются:

55% (C₃S), 19% (C₂S), 10% (C₃A), 7% (C< sub>4AF), 2,8 % MgO, 2,9 % (SO₃), 1,0 % потерь при прокаливании и 1,0 % свободного CaO (в обозначениях химика-цементиста).

Ограничением состава является то, что (C₃A) не должно превышать 15%.

Тип II обеспечивает умеренную устойчивость к сульфатам и выделяет меньше тепла во время гидратации. Этот тип цемента стоит примерно так же, как и тип I. Его типичный состав:

51% (C₃S), 24% (C₂S), 6% (C₃A), 11% (C₄AF), 2,9% MgO, 2,5% (SO₃), 0,8% потерь при прокаливании и 1,0% свободного CaO.

Ограничением состава является то, что содержание (C₃A) не должно превышать 8%, что снижает его уязвимость к сульфатам. Этот тип предназначен для общего строительства, подвергающегося умеренному воздействию сульфатов, и предназначен для использования, когда бетон находится в контакте с почвой и грунтовыми водами, особенно на западе США из-за высокого содержания серы в почвах. Из-за того, что цена типа I аналогична цене типа I, тип II широко используется в качестве цемента общего назначения, и большая часть портландцемента, продаваемого в Северной Америке, соответствует этой спецификации.

Примечание: Цемент, отвечающий (помимо прочего) спецификациям типов I и II, стал общедоступным на мировом рынке.

Тип III имеет относительно высокую раннюю силу. Его типичный составной состав:

57% (C₃S), 19% (C₂S), 10% (C₃A), 7% (C< sub>4AF), 3,0% MgO, 3,1% (SO₃), 0,9% потерь при прокаливании и 1,3% свободного CaO.

Этот цемент аналогичен типу I, но более мелкого помола. Некоторые производители изготавливают отдельный клинкер с более высоким содержанием C₃S и/или C₃A, но это происходит все реже, и обычно используется клинкер общего назначения, измельченный до удельная площадь поверхности обычно на 50–80% выше. Уровень гипса также можно немного увеличить. Это придает бетону с использованием этого типа цемента трехдневную прочность на сжатие, равную семидневной прочности на сжатие типов I и II. Его семидневная прочность на сжатие практически равна 28-дневной прочности на сжатие I и II типов. Единственным недостатком является то, что шестимесячная прочность типа III такая же или немного меньше, чем у типов I и II. Таким образом, долгосрочная сила приносится в жертву. Обычно его используют при производстве сборных железобетонных изделий, где высокая однодневная прочность позволяет быстро менять формы. Может также использоваться при аварийном строительстве и ремонте, строительстве машинных баз и воротных установок.

Тип IV Портландцемент обычно известен своей низкой теплотой гидратации. Его типичный состав соединения:

28% (C₃S), 49% (C₂S), 4% (C₃A), 12% (C< sub>4AF), 1,8 % MgO, 1,9 % (SO₃), 0,9 % потерь при прокаливании и 0,8 % свободного CaO.

Проценты (C₂S) и (C₄AF) относительно высоки, а (C₃S) и (C ₃А) относительно низкие. Ограничением этого типа является то, что максимальный процент (C₃A) равен семи, а максимальный процент (C₃S) равен тридцати пяти. Это приводит к тому, что тепло, выделяемое в результате реакции гидратации, выделяется медленнее. Следовательно, прочность бетона нарастает медленно. Через один-два года после полного отверждения прочность выше, чем у других типов. Этот цемент используется для очень больших бетонных конструкций, таких как плотины, которые имеют низкое соотношение поверхности к объему. Производители обычно не имеют в наличии этот тип цемента, но некоторые могут рассмотреть возможность заказа крупного специального заказа. Этот тип цемента не производится уже много лет, поскольку портланд-пуццолановый цемент и добавка молотого гранулированного доменного шлака представляют собой более дешевую и надежную альтернативу.

Тип V используется там, где важна устойчивость к сульфатам. Его типичный составной состав:

38% (C₃S), 43% (C₂S), 4% (C₃A), 9% (C< sub>4AF), 1,9 % MgO, 1,8 % (SO₃), 0,9 % потерь при прокаливании и 0,8 % свободного CaO.

Этот цемент имеет очень низкий состав (C₃A), что объясняет его высокую сульфатостойкость. Максимально допустимое содержание (C₃A) составляет 5% для портландцемента типа V. Другое ограничение состоит в том, что состав (C₄AF) + 2(C₃A) не может превышать 20%. Этот тип используется в бетоне, который подвергается воздействию сульфатов щелочной почвы и грунтовых вод, которые реагируют с (C₃A), вызывая разрушительное расширение. Он недоступен во многих местах, хотя его использование распространено на западе США и в Канаде. Как и тип IV, портландцемент типа V в основном был вытеснен использованием обычного цемента с добавлением измельченного гранулированного доменного шлака или третичных цементных смесей, содержащих шлак и летучую золу.

Типы Ia, IIa и IIIa имеют тот же состав, что и типы I, II и III. Разница лишь в том, что в Ia, IIa и IIIa в смесь втирается воздухововлекающий агент. Воздухововлечение должно соответствовать минимальным и максимальным дополнительным спецификациям, указанным в руководстве ASTM. Эти типы доступны только в восточной части США и Канаде, но в ограниченном количестве. Это плохой подход [необходимы пояснения] к воздухововлечению, которое повышает устойчивость к замерзанию при низких температурах.

Типы II(MH) и II(MH)a имеют состав, аналогичный типам II и IIa, но с умеренным нагревом.

Норма EN 197

Европейский стандарт EN 197-1 определяет пять классов обычного цемента, включающих портландцемент в качестве основного компонента. Эти классы отличаются от классов ASTM.

*Компонентами, разрешенными в составе портланд-композитных цементов, являются искусственные пуццоланы (доменный шлак (фактически скрытое гидравлическое вяжущее вещество), микрокремнезем и летучая зола) или природные пуццоланы (кремнистые или кремнеземистые глиноземистые материалы, такие как вулканический пепел). стекла, обожженные глины и сланцы).

CSA А3000-08

Канадские стандарты описывают шесть основных классов цемента, четыре из которых также могут поставляться в виде смеси, содержащей молотый известняк (где в названиях классов присутствует суффикс L).

Белый портландцемент

Белый портландцемент или белый обычный портландцемент (WOPC) во всех отношениях похож на обычный, серый портландцемент, за исключением его высокой степени белизны. Получение этого цвета требует высокочистого сырья (низкое содержание Fe₂O₃) и некоторых изменений в способе производства, среди прочего, более высокой температуры печи, необходимой для спекания клинкера в отсутствие оксидов железа, действующих как флюс в обычном клинкере. Поскольку Fe₂O₃ способствует снижению температуры плавления клинкера (обычно 1450 °C), белый цемент требует более высокой температуры спекания (около 1600 °C). Из-за этого он несколько дороже серого продукта. Главное требование — низкое содержание железа, которое должно быть менее 0,5 мас.% в пересчете на Fe₂O₃ для белого цемента и менее 0,9 мас.% для не совсем белого цемента. Также полезно иметь оксид железа в виде оксида железа (FeO), который получается в слегка восстановительных условиях в печи, т. е. при работе с нулевым избытком кислорода на выходе из печи. Это придает клинкеру и цементу зеленый оттенок. Другие оксиды металлов, такие как Cr₂O₃ (зеленый), MnO (розовый), TiO₂ (белый) и т. д., в следовых количествах также могут давать цветные оттенки, поэтому для данного проекта лучше всего использовать цемент из одной партии.

Вопросы безопасности

На мешках с цементом обычно печатаются предупреждения о здоровье и безопасности, поскольку цемент не только сильно щелочной, но и процесс схватывания также является экзотермическим. В результате влажный цемент очень едкий и может легко вызвать серьезные ожоги кожи, если его вовремя не смыть водой. Точно так же сухой цементный порошок при попадании на слизистые оболочки может вызвать серьезное раздражение глаз или дыхательных путей. Реакция цементной пыли с влагой в носовых пазухах и легких также может стать причиной химического ожога, а также головных болей, усталости и рака легких.

Производство цементов со сравнительно низкой щелочностью (pH<11) является областью текущих исследований.

В Скандинавии, Франции и Великобритании уровень хрома(VI), который считается токсичным и вызывает сильное раздражение кожи, не может превышать 2 частей на миллион (ppm).

В США Управление по охране труда (OSHA) установило юридический предел (допустимый предел воздействия) воздействия портландцемента на рабочем месте на уровне 50 mppcf (миллион частиц на кубический фут) в течение 8-часового рабочего дня. Национальный институт безопасности и гигиены труда (NIOSH) установил рекомендуемый предел воздействия (REL) в размере 10 мг/м3 общего воздействия и 5 мг/м3 воздействия на органы дыхания в течение 8-часового рабочего дня. При уровне 5000 мг/м3 портландцемент сразу опасен для жизни и здоровья.

Воздействие на окружающую среду

Производство портландцемента может оказывать воздействие на окружающую среду на всех этапах процесса. К ним относятся выбросы загрязнений воздуха в виде пыли; газы; шум и вибрация при работе техники и при проведении взрывных работ в карьерах; расход большого количества топлива при производстве; выпуск CO
₂ от сырья во время производства и ущерб сельской местности в результате добычи полезных ископаемых. Широко применяется оборудование для снижения выбросов пыли при добыче полезных ископаемых и производстве цемента, все шире применяется оборудование для улавливания и отделения выхлопных газов. Защита окружающей среды также включает в себя реинтеграцию карьеров в сельскую местность после их закрытия путем возвращения их в природу или их рекультивации.

Портландцемент едкий, поэтому может вызвать химические ожоги. Порошок может вызвать раздражение или, при сильном воздействии, рак легких и может содержать ряд опасных компонентов, включая кристаллический кремнезем и шестивалентный хром. Экологические проблемы заключаются в высоком потреблении энергии, необходимом для добычи, производства и транспортировки цемента, а также в связанном с этим загрязнении воздуха, включая выбросы углекислого газа, вызывающего парниковый эффект, диоксина. .mw-parser-output .template-chem2-su{display:inline-block;font-size:80%;line-height:1;vertical-align:-0.35em}.mw-parser-output .template-chem2 -su>span{display:block;text-align:left}.mw-parser-output sub.template-chem2-sub{font-size:80%;vertical-align:-0.35em}.mw-parser-output sup.template-chem2-sup{font-size:80%;vertical-align:0.65em

НЕТ_{x< /sub>}, SO₂ и частицы. Производство портландцемента составляет около 10% мировых выбросов углекислого газа. По оценкам Международного энергетического агентства, к 2050 году производство цемента увеличится на 12–23%, чтобы удовлетворить потребности растущего населения мира. В настоящее время проводится несколько исследований, направленных на подходящую замену портландцемента дополнительными вяжущими материалами.

В Эпидемиологических заметках и отчетах о воздействии диоксида серы на портландцементных заводах Центров по контролю заболеваний говорится:

Работники предприятий по производству портландцемента, особенно те, которые сжигают топливо, содержащее серу, должны знать об острых и хронических эффектах воздействия SO
₂ [диоксида серы], а также о пиковых и полносменных концентрациях SO
₂ следует периодически измерять.

Независимые исследовательские усилия AEA Technology по выявлению критических проблем для цементной промышленности сегодня пришли к выводу, что наиболее важными проблемами охраны окружающей среды, здоровья и безопасности, с которыми сталкивается цементная промышленность, являются выбросы в атмосферу (включая выбросы парниковых газов, диоксинов, НЕТ_x, SO
₂ и твердые частицы), несчастные случаи и воздействие пыли на работников.[требуется лучший источник]

CO
₂< /span>, связанный с производством портландцемента, поступает в основном из четырех источников:

В целом, благодаря атомной или гидроэлектроэнергетике и эффективному производству, CO
₂ можно сократить до 0,7 кг (1,5 фунта) на кг цемента, но может быть в два раза выше. [необходимы разъяснения] Целью инноваций на будущее является сокращение источников 1 и 2 путем изменения химического состава цемента, использования отходов и внедрения более эффективных процессов. Хотя производство цемента, очевидно, является очень крупным предприятием CO
₂эмиттер, бетон (в котором цемент составляет около 15%) весьма выгодно отличается в этом отношении от других современных строительных систем. Традиционные материалы, например, на основе извести строительные растворы, а также методы строительства из дерева и земли выделяют значительно меньше CO₂.

Цементные заводы, используемые для утилизации или переработки отходов

Из-за высоких температур внутри цементных печей в сочетании с окислительной (богатой кислородом) атмосферой и длительным временем пребывания цементные печи используются в качестве варианта обработки различных типов потоков отходов; действительно, они эффективно уничтожают многие опасные органические соединения. Потоки отходов также часто содержат горючие материалы, которые позволяют заменить часть ископаемого топлива, обычно используемого в процессе.

Отходы, используемые в цементных печах в качестве добавки к топливу:

Производство портландцемента также имеет потенциал извлечь выгоду из использования промышленных побочных продуктов из потока отходов. К ним относятся, в частности: