портландцемент

Портландцемент — наиболее распространенный тип цемента, который используется в общем по всему миру в качестве основного ингредиента бетона, раствора, штукатурки и неспециализированной затирки. Он был разработан из других типов гидравлической извести в Англии в начале 19 века Джозефом Аспдином и обычно производится из известняка. Это мелкий порошок, получаемый путем нагревания известняка и глинистых минералов в печи для образования клинкера, а затем измельчения клинкера с добавлением нескольких процентов (часто около 5%) гипса. Доступно несколько типов портландцемента. Наиболее распространенный, исторически называемый обычным портландцементом (OPC), — серый, но доступен также белый портландцемент. Его название происходит от его сходства с портландским камнем, который добывается на острове Портленд в Дорсете, Англия. Свое название портландцемент получил от Джозефа Аспдина, который получил на него патент в 1824 году. Его сын Уильям Аспдин считается изобретателем «современного» портландцемента благодаря своим разработкам в 1840-х годах.

Низкая стоимость и широкая доступность известняка, сланцев и других природных материалов, используемых в портландцементе, делают его относительно дешевым строительным материалом. Его наиболее распространенное применение — производство бетона, композитного материала, состоящего из заполнителя (гравия и песка), цемента и воды.

История

Портландцемент был разработан из природных цементов, производимых в Британии с середины XVIII века. Его название происходит от его сходства с портлендским камнем, типом строительного камня, добываемого на острове Портленд в Дорсете, Англия.

Развитие современного портландцемента (иногда называемого обычным или нормальным портландцементом) началось в 1756 году, когда Джон Смитон экспериментировал с комбинациями различных известняков и добавок, включая трасс 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 был в значительной степени заменен портландцементом в 1850-х годах. В 1811 году Джеймс Фрост изготовил цемент, который он назвал британским цементом. Сообщается, что Джеймс Фрост построил мануфактуру для производства искусственного цемента в 1826 году. В 1811 году Эдгар Доббс из Саутуарка запатентовал цемент, изобретенный 7 лет спустя французским инженером Луи Вика. Цемент Вика представляет собой искусственную гидравлическую известь и считается «главным предшественником» портландцемента.

Название портландцемент зафиксировано 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 был похож на современный портландцемент, но был первым шагом в развитии современного портландцемента и был назван «протопортландцементом».

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 Metropolitan Board of Works изложил требования к цементу, который должен был использоваться в проекте лондонской канализации. Это стало спецификацией для портландцемента. Следующим шагом в производстве портландцемента стало внедрение вращающейся печи, запатентованной Фредериком Рэнсомом в 1885 (Великобритания) и 1886 (США); что позволило получить более прочную, однородную смесь и непрерывный процесс производства. «Бесконечная» печь Хоффмана, которая, как говорили, давала «идеальный контроль над горением», была испытана в 1860 году и показала, что производит превосходный сорт цемента. Этот цемент был изготовлен на заводе Portland Cementfabrik Stern в Штеттине, который был первым, кто использовал печь Хоффмана. Ассоциация немецких производителей цемента выпустила стандарт на портландцемент в 1878 году.

Портландцемент импортировался в США из Германии и Англии, и в 1870-х и 1880-х годах его производила компания Eagle Portland Cement около Каламазу, штат Мичиган. В 1875 году первый портландцемент был произведен в печах компании Coplay Cement Company под руководством Дэвида О. Сэйлора в Коплее, штат Пенсильвания. К началу 20-го века американский портландцемент вытеснил большую часть импортного портландцемента.

Состав

ASTM C150 определяет портландцемент как:

гидравлический цемент (цемент, который не только затвердевает при взаимодействии с водой, но и образует водостойкий продукт), получаемый путем измельчения клинкеров, состоящих в основном из гидравлических силикатов кальция, обычно содержащих одну или несколько форм сульфата кальция в качестве внутримолотой добавки.

Европейский стандарт EN 197-1 использует следующее определение:

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

(Последние два требования уже были изложены в Немецком стандарте, выпущенном 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 разрешено различными стандартами. Клинкеры представляют собой узелки (диаметром 0,2–1,0 дюйма [5,1–25,4 миллиметра]) спеченного материала, который получается, когда сырьевая смесь заданного состава нагревается до высокой температуры. Ключевая химическая реакция, отличающая портландцемент от других гидравлических извести, происходит при этих высоких температурах (>1300 °C (2370 °F)), когда белит (Ca₂SiO₄) соединяется с оксидом кальция (CaO), образуя алит (Ca₃SiO₅).

Производство

Портландцементный клинкер изготавливается путем нагревания в цементной печи смеси сырьевых материалов до температуры прокалки выше 600 °C (1112 °F), а затем до температуры плавления, которая для современных цементов составляет около 1450 °C (2640 °F), 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 производства 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 быть всего 80%. Вторичное сырье (материалы в сырьевой смеси, отличные от известняка) зависит от чистоты известняка. Некоторые из используемых материалов — это глина, сланец, песок, железная руда, бокситы, летучая зола и шлак. Когда цементная печь топится углем, зола угля действует как вторичное сырье.

Помол цемента

Для достижения желаемых качеств схватывания в готовом продукте в клинкер добавляется определенное количество (2–8%, но обычно 5%) сульфата кальция (обычно гипса или ангидрида), и смесь тонко измельчается для получения готового цементного порошка. Это достигается в цементной мельнице. Процесс измельчения контролируется для получения порошка с широким диапазоном размеров частиц, в котором обычно 15% по массе состоит из частиц диаметром менее 5 мкм и 5% из частиц более 45 мкм. Мерой тонкости обычно является «удельная площадь поверхности», которая представляет собой общую площадь поверхности частиц единицы массы цемента. Скорость начальной реакции (до 24 часов) цемента при добавлении 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 силосе для производства в течение от одной до 20 недель, в зависимости от местных циклов спроса. Цемент доставляется конечным потребителям либо в мешках, либо в виде насыпного порошка, выдуваемого из напорного транспортного средства в силос клиента. В индустриальных странах 80% или более цемента поставляется насыпью.

Установка и затвердевание

Цемент застывает при смешивании с водой посредством сложной серии химических реакций, которые до сих пор изучены лишь частично. Различные компоненты медленно кристаллизуются, а сцепление их кристаллов придает цементу прочность. Диоксид углерода медленно поглощается, превращая портландит (Ca(OH)₂) в нерастворимый карбонат кальция. После начального застывания погружение в теплую воду ускорит застывание. Гипс добавляется в качестве ингибитора для предотвращения мгновенного (или быстрого) застывания.

Использовать

Наиболее распространенное применение портландцемента — производство бетона. Бетон — это композитный материал, состоящий из заполнителя (гравия и песка), цемента и воды. Как строительный материал, бетон может быть отлит практически в любой желаемой форме, а после затвердевания может стать структурным (несущим) элементом. Бетон может использоваться при строительстве структурных элементов, таких как панели, балки и уличная мебель, или может быть отлит на месте для надстроек, таких как дороги и плотины. Они могут поставляться с бетоном, смешанным на месте, или могут поставляться с «готовым» бетоном, изготовленным на постоянных площадках смешивания. Портландцемент также используется в растворах (только с песком и водой), для штукатурок и стяжек и в затирках (смеси цемента и воды, выдавливаемые в зазоры для укрепления фундаментов, дорожного полотна и т. д.).

При смешивании воды с портландцементом продукт схватывается в течение нескольких 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 за 6 часов и развивает прочность на сжатие 8 МПа за 24 часа. Прочность возрастает 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 или универсальный цемент. Обычно предполагается, если не указан другой тип. Он обычно используется для общего строительства, особенно при изготовлении сборного и сборно-напряженного бетона, который не должен контактировать с почвой или грунтовыми водами. Типичные составы соединений этого типа:

55% (C₃S), 19% (C₂S), 10% (C₃A), 7% (C₄AF), 2,8% MgO, 2,9% (SO₃), 1,0% потери при прокаливании и 1,0% свободного CaO (используя обозначения химиков-цементовщиков).

Ограничением по составу является то, что (C₃A) не должен превышать 15%.

Тип II обеспечивает умеренную сульфатостойкость и выделяет меньше тепла при гидратации. Этот тип цемента стоит примерно столько же, сколько и тип I. Его типичный состав соединения:

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 по составу является то, что (C₃A) не должен превышать 8%, что снижает его уязвимость к сульфатам. Этот тип предназначен для общего строительства, подверженного умеренному воздействию сульфатов, и предназначен для использования, когда бетон контактирует с почвой и грунтовыми водами, особенно на западе США из-за высокого содержания серы в почве. Из-за схожей цены с типом I, тип II широко используется как цемент 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 начальную прочность. Его типичный состав соединения:

57% (C₃S), 19% (C₂S), 10% (C₃A), 7% (C₄AF), 3,0% MgO, 3,1% (SO₃), 0,9% потерь при прокаливании и 1,3% свободного CaO.

Этот цемент похож на тип I, но более тонкомолотый. Некоторые производители делают отдельный клинкер с более высоким содержанием C₃S и/или C₃A, но это встречается все реже, и обычно используется клинкер общего назначения, измельченный до удельной площади поверхности, как правило, на 50–80% выше. Уровень гипса также может быть немного увеличен. 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 почти равна 28-дневной прочности на сжатие типов I и II. Единственным недостатком является то, что шестимесячная прочность типа III такая же или немного меньше, чем у типов I и II. Поэтому долговременная прочность приносится в жертву. Обычно он используется для производства сборного железобетона, где высокая однодневная прочность обеспечивает быструю оборачиваемость форм. Его также можно использовать при аварийном строительстве и ремонте, а также при строительстве оснований машин и воротных установок.

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

28% (C₃S), 49% (C₂S), 4% (C₃A), 12% (C₄AF), 1,8% MgO, 1,9% (SO₃), 0,9% потерь при прокаливании и 0,8% свободного CaO.

Процентное содержание (C₂S) и (C₄AF) относительно высокое, а (C₃S) и (C₃A) относительно низкое. Ограничением для этого типа является то, что максимальный процент (C₃A) составляет семь, а максимальный процент (C₃S) составляет тридцать пять. Это приводит к тому, что тепло, выделяемое реакцией гидратации, развивается медленнее. Следовательно, прочность бетона развивается медленно. Через один или два года прочность выше, чем у других типов после полного отверждения. Этот цемент используется для очень больших бетонных конструкций, таких как плотины, которые имеют низкое отношение поверхности к объему. Этот тип цемента, как правило, не хранится на складах производителей, но некоторые могут рассмотреть возможность большого специального заказа. Этот тип цемента не производился в течение многих лет, потому что портланд-пуццолановые цементы и добавление измельченного гранулированного доменного шлака предлагают более дешевую и надежную альтернативу.

Тип V используется там, где важна сульфатостойкость. Его типичный состав соединения:

38% (C₃S), 43% (C₂S), 4% (C₃A), 9% (C₄AF), 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 заключается в том, что состав (C₄AF) + 2(C₃A) не может превышать 20%. Этот тип используется в бетоне, который подвергается воздействию щелочных почв и сульфатов грунтовых вод, которые реагируют с (C₃A), вызывая разрушительное расширение. Он недоступен во многих местах, хотя его использование распространено на западе Соединенных Штатов и в Канаде. Как и в случае с типом IV, портландцемент типа V в основном был вытеснен использованием обычного цемента с добавлением измельченного гранулированного доменного шлака или третичных смешанных цементов, содержащих шлак и летучую золу.

Типы Ia, IIa и IIIa имеют тот же состав, что и типы I, II и III. Единственное отличие заключается 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, только на ограниченной основе. Они представляют собой плохой подход [требуется разъяснение] к воздухововлекающему агенту, который улучшает устойчивость к замерзанию при низких температурах.

Типы II(MH) и II(MH)a имеют аналогичный состав, что и типы II и IIa, но с умеренной теплотой.

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.

*В состав портландцементов разрешены искусственные пуццоланы (доменный шлак (фактически латентное гидравлическое вяжущее), микрокремнезем и летучая зола) или природные пуццоланы (кремнистые или кремнисто-глиноземистые материалы, такие как вулканические пепловые стекла, кальцинированные глины и сланцы).

КСА 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 обыкновенный портландцемент (WOPC) аналогичен обыкновенному серому портландцементу по всем параметрам, за исключением высокой степени белизны. Для получения этого цвета требуется сырье высокой чистоты (низкое содержание Fe₂O₃), а также некоторые изменения в методе производства, среди прочего, более высокая температура печи, необходимая для спекания клинкер при отсутствии 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. Основным требованием является низкое содержание железа, которое должно составлять менее 0,5 % масс., выраженное как Fe₂O₃ для белого цемента, и менее 0,9 % масс. для не совсем белого цемента. Также помогает наличие оксида 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. содержание, также может придавать цветовые оттенки, поэтому для данного проекта лучше всего использовать цемент из одной партии.

Вопросы безопасности

На мешках с цементом обычно печатаются предупреждения о безопасности и охране здоровья, поскольку цемент не только является сильнощелочным, но и процесс его застывания также является экзотермическим. В результате влажный цемент является сильно едким и может легко вызвать серьезные ожоги кожи, если его не смыть водой. Аналогичным образом, сухой цементный порошок при контакте со слизистыми оболочками может вызвать сильное раздражение глаз или дыхательных путей. Реакция цементной пыли с влагой в пазухах и легких также может вызвать химический ожог, а также головные боли, усталость и рак 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 сильным раздражителем кожи, не может превышать 2 частей на миллион (ppm).

В США Управление по охране труда и промышленной гигиене (OSHA) установило допустимый предел (допустимый предел воздействия) для воздействия портландцемента на рабочем месте в размере 50 mppcf (миллионов частиц на кубический фут) в течение 8-часового рабочего дня. Национальный институт охраны труда и промышленной гигиене (NIOSH) установил рекомендуемый предел воздействия (REL) в размере 10 мг/м3 общего воздействия и 5 мг/м3 респираторного воздействия в течение 8-часового рабочего дня. При уровнях 5000 мг/м3 портландцемент становится непосредственно опасным для жизни и здоровья.

Воздействие на окружающую среду

Производство портландцемента может оказывать воздействие на окружающую среду на всех этапах процесса. К ним относятся выбросы загрязняющих веществ в виде пыли; газов; шума и вибрации при работе оборудования и во время взрывных работ в карьерах; потребление большого количества топлива во время производства; выбросы CO
₂ из сырья во время производства, а также ущерб сельской местности от карьерных работ. Широко используется оборудование для снижения выбросов пыли во время карьерных работ и производства цемента, а также все более широко используется оборудование для улавливания и разделения 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 вызывать химические ожоги. Порошок может вызывать раздражение или, при сильном воздействии, рак легких, и может содержать ряд опасных компонентов, включая кристаллический кремний и шестивалентный хром. Экологические проблемы связаны с высоким потреблением энергии, необходимым для добычи, производства и транспортировки цемента, а также с соответствующим загрязнением воздуха, включая выбросы парниковых газов, диоксида углерода,

NO_x, SO₂ и твердые частицы. Производство портландцемента обеспечивает около 10% мировых выбросов углекислого газа. Международное энергетическое агентство подсчитало, что производство цемента увеличится на 12–23% к 2050 году, чтобы удовлетворить потребности растущего населения мира. В настоящее время проводится несколько исследований, направленных на подходящую замену портландцемента дополнительными цементными материалами.

В эпидемиологических заметках и отчетах о воздействии диоксида серы на заводах по производству портландцемента от Центров по контролю и профилактике 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, связанный с производством портландцемента, поступает в основном из четырех источников:

В целом, при использовании ядерной или гидроэлектроэнергии и эффективном производстве, образование CO
₂ может быть снижено до 0,7 кг (1,5 фунта) на кг цемента, но может быть и вдвое выше. [необходимо разъяснение] Основная цель инноваций в будущем — сократить источники 1 и 2 путем изменения химии цемента, использования отходов и внедрения более эффективных процессов. Хотя производство цемента, несомненно, является очень крупным источником выбросов CO2, бетон (в котором цемент составляет около 15%) в этом отношении весьма выгодно отличается от других современных строительных систем. Традиционные материалы, такие как известковые растворы, а также методы строительства из древесины 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 переработки для 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: