Технологическая линия по производству быстротвердеющих общестроительных портландцементов

Федеральное агентство  по образованию

Государственное образовательное  учреждение

Высшего профессионального  образования

Пермский национальный исследовательский  политехнический университет

Строительный факультет

Кафедра строительный инжиниринг и материаловедение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине «Вяжущие вещества»

 

НА ТЕМУ:  Технологическая линия по производству быстротвердеющих общестроительных портландцементов.

 

 

 

 

 

 

                                                          Выполнил студент группы ПСКз-10-2

                   Симонян С.С.                                                   

             Проверила

                     Сарайкина К.А.

 

 

 

 

 

ПЕРМЬ 2013

 

Содержание:

1. Теоретический раздел                                                                                                      1.1. Вещественный, химический и минералогический состав вяжущего…………..... 3

1.2. Физико-химические  процессы, проходящие при твердении  вяжущего.      Температура  условия твердения………………………………………..……...……….. 6

1.3. Условия разрушения (коррозии)   композита   на   рассматриваемом вяжущем. Области применения продукта…………………………………………………………...9

1.4. Сырьевые  материалы для   производства  вяжущего: вещественный,          химический и минералогический состав вяжущего. Показатели качества            сырьевых материалов. Правила приемки, маркировки, транспортирования и           хранения сырьевых материалов………………………………………………………. 13

1.5. Показатели качества  вяжущего:

- Основные

- Вспомогательные

и методы их определения……………………………………………………………… 23

1.6. Анализ существующих  технологических схем производства  продукта…....….. 29

1.7. Технологические факторы,  влияющие на качество продукта………...…….…... 32

1.8. Правила приемки,  маркировки, транспортирования и  хранения продукта. Гарантии производителя……..……………………………………………………....  35

 

2. Расчетно-проектный  раздел

2.1. Расчетная функциональная технологическая  схема  производства продукта….40

2.2. Расчет производственных шихт……………………………………………………41

2.3. Расчет производственной программы технологической линии…………...…..... 44

2.4. Подбор основного механического оборудования………………..…………….... 45

2.5. Расчет  удельных энергетических нагрузок   и оценка эффективности          подобранного механического   и теплотехнического оборудования по энергозатратам…………………………………………………………………………...48

Список литературы…………………...………………………………………………….49

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Теоретический раздел

 

1. Вещественный, химический и минералогический состав продукта.

 

    Общестроительный цемент - цемент, основным требованием к которому является обеспечение прочности и долговечности бетонов или растворов.  

   Портландцемент – это гидравлическое вяжущее, получаемое совместным тонким измельчением портландцементного клинкера с гипсом, а иногда и с добавками.

   Клинкер получают обжигом до спекания сырьевой смеси определенного состава, обеспечивающего преобладание высокоосновных силикатов кальция.

   Гипс в портландцемент вводят для регулирования сроков схватывания и повышения прочности. Клинкерный порошок без гипса при смешивании с водой быстро схватывается и затвердевает в цементный камень, который характеризуется пониженными техническими свойствами.

  По вещественному составу (ГОСТ 31108-2003), приведенному в Таблице 1, цементы подразделяют на пять типов:

- ЦЕМ I - портландцемент;

- ЦЕМ II - портландцемент  с минеральными добавками;

- ЦЕМ III - шлакопортландцемент;

- ЦЕМ IV - пуццолановый  цемент;

- ЦЕМ V - композиционный  цемент.

 

Таблица 1

 

Тип цемента	Наименование цемента	Сокращенное обозначение  цемента	Вещественный состав цемента, % массы*
			Основные компоненты												Вспомогательные компоненты
			Портландцементный клинкер	Доменный или электротермофосфорный  гранулированный шлак	Пуццолан		Зола- уноса		Глиеж или обожженный сланец		Микро-кремнезем		Известняк
			Кл	Ш	П		З		Г		МК		И
ЦЕМ I	Портландцемент	ЦЕМ1	95-100	—	—		—		—		—		—		0-5
ЦЕМ II	Портландцемент с минеральными добавками**:
	шлаком	ЦЕМ II/А-Ш	80-94	6-20	—		—		—		—		—		0-5
		ЦЕМ II/В-Ш	65-79	21-35	—		—		—		—		—		0-5
	пуццоланом	ЦЕМ II/А-П	80-94	—	6-20		—		—		—		—		0-5
	золой - уноса	ЦЕМ II/А-З	80-94	—	—		6-20		—		—		—		0-5
	глиежем или обожженным сланцем	ЦЕМ II/А-Г	80-94	—	—		—		6-20		—		—		0-5
	микрокремнеземом	ЦЕМ II/А-МК	90-94	—	—		—		—		6-10		—		0-5
	известняком	ЦЕМ II/А-И	80-94	—	—		—		—		—		6-20		0-5
	композиционный портландцемент***	ЦЕМ II/А-К	80-94	6-20											0-5
ЦЕМ III	Шлакопортландцемент	ЦЕМ III/A	35-64	36-65		—		—		—		—		—	0-5
ЦЕМ IV	Пуццолановый цемент***	ЦЕМ TV/A	65-79	—		21-35								—	0-5
ЦЕМ V	Композиционный цемент***	ЦЕМ V/A	40-78	11-30		11-30				—		—		—	0-5

 

* Значения относятся  к сумме основных и вспомогательных компонентов цемента, кроме гипса, принятой за 100 %.

** В наименовании цементов  типа ЦЕМ II (кроме композиционного портландцемента) вместо слов «с минеральными добавками» указывают наименование минеральных добавок — основных компонентов.

*** Обозначение вида  минеральных добавок — основных  компонентов должно быть указано  в наименовании цемента.

  · По содержанию ПЦ клинкера и добавок цементы типов ЦЕМ II-ЦЕМ V  подразделяются на подтипы А и В.

  · По прочности на сжатие в возрасте 28 сут. цементы подразделяют на классы: 22,5; 32,5; 42,5; 52,5.

  · По прочности при сжатии в 28-суточном возрасте цемент подразделяют на марки:

- портландцемент - 400, 500, 550 и 600;

- шлакопортландцемент  - 300, 400 и 500;

- портландцемент  быстротвердеющий - 400 и 500;

- шлакопортландцемент  быстротвердеющий - 400.

  · По прочности на сжатие  в возрасте 2 (7) сут. (скорости твердения)  каждый класс цементов, кроме  класса 22,5, подразделяют на два  подкласса: Н (нормальнотвердеющий)  и Б (быстротвердеющий).

      Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) - цемент на основе портландцементного клинкера, обеспечивающий получение (в нормальных условиях твердения) нормативных значений прочности образцов в ранние сроки (2-3 суток), наряду с прочностью в возрасте 28 суток.

   БТЦ получают  совместным тонким измельчением  специального портландцементного  клинкера и гипса. По ГОСТ 10178-85 при помоле допускается введение  не более 10 %  активных минеральных  добавок осадочного происхождения  и не более   20 % доменных  гранулированных и электротермофосфорных шлаков, глиежей. Суммарное содержание трехкальциевого и двухкальциевого силикатов ( ) в клинкере по ГОСТ 31108-2003 (данный стандарт гармонизирован с EN 197-1 и действует параллельно с ГОСТ 10178-85)  должно быть не менее 67 % от массы клинкера и ограниченное (до 0,5 %) количество CaO_своб, а массовое отношение оксида кальция к оксиду кремния ( ) - не менее 2,0. Содержание оксида магния MgO в клинкере не должно быть более 5,0 % от массы клинкера. Допускается содержание оксида магния MgO до 6,0 % от массы клинкера при условии положительных результатов испытаний цемента из данного клинкера на равномерность изменения объема в автоклаве по ГОСТ 310.3. Гипс в БТЦ вводят в обычной дозировке: в пересчете на SO₃  не более 4,5 % в зависимости от минерального состава клинкера (содержания C₃A) и от тонкости помола цемента. 

Гранулированный доменный шлак получают путем быстрого охлаждения шлакового расплава соответствующего состава, который образуется в доменной печи при плавке чугуна. Он содержит по меньшей мере две трети по массе остеклованного шлака и при определенных условиях проявляет гидравлические свойства.

Применяемый гранулированный доменный шлак по меньшей мере на две трети  по массе состоит из оксида кальция  СаО, оксида магния MgO и диоксида кремния SiO₂. Остаток содержит оксид алюминия Аl₂О₃ и небольшое количество других соединений. Массовое отношение (СаО + MgO)/SiO₂ составляет более 1,0.

Быстротвердеющие цементы отличаются от обычного портландцемента более  интенсивным нарастанием прочности в начальный период твердения. В клинкере этих цементов преобладают наиболее активные клинкерные минералы: трехкальциевый силикат (до 55%), трехкальциевого алюмината содержится 5—10%. При получении таких цементов должны соблюдаться определенные условия технологического процесса: равномерный обжиг сырья, обеспечивающий надлежащее образование клинкерных минералов и отсутствие свободной СаО, быстрое охлаждение клинкера, начиная примерно с температуры 1200°С, высокая степень измельчения клинкера и т. д. При этом особо быстротвердеющий цемент не должен содержать никаких добавок, кроме гипса. Повышение прочности бетона на быстротвердеющем цементе на начальном этапе твердения, в значительной мере обусловлено не только минеральным составом, но и тонкостью измельчения цемента. Быстротвердеющий цемент размалывают до удельной поверхности 3500-4000 см2/г против 2800-3000 см2/г для обычного портландцемента. БТЦ применяют для приготовления высокопрочного сборного и монолитного железобетона.

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Физико-химические процессы, происходящие при твердении вяжущего. Температурные условия твердения вяжущего.

 

   Твердение портландцемента,  как и других вяжущих, является  сложным комплексом взаимосвязанных  химических, физико-химических и  физических процессов. С химической точки зрения твердение – это переход безводных клинкерных минералов в гидраты в результате реакций гидролиза и гидратации, с физической – постепенное загустевание цементного теста и возникновение единого конгломерата из гидратированных и негидратированных частичек.

   Взаимодействие портландцемента  с водой приводит к образованию  новых гидратных веществ, обусловливающих  схватывание и твердение теста,  растворной или бетонной смеси.  Состав новообразований зависит  от химического и минерального составов цементов, а также от ряда других факторов и в первую очередь от температуры, при которой взаимодействуют компоненты.

   Цементное тесто, приготовленное  путем смешивания цемента с  водой, имеет три периода твердения.  Вначале, в течение 1 – 3 ч. после затворения цемента водой, оно пластично и легко формуется. Потом наступает схватывание, заканчивающееся через 5 – 10 ч. после затворения; в это время цементное тесто загустевает, утрачивая подвижность, но его механическая прочность еще не велика. Переход загустевшего цементного теста в твердое состояние означает конец схватывания и начало твердения, которое характерно заметным возрастанием прочности. Твердение бетона при благоприятных условиях длится годами – вплоть до полной гидратации цемента.

   Сразу после затворения  цемента водой начинаются химические реакции. Уже в начальной стадии процесса гидратации цемента происходит быстрое взаимодействие алита с водой с образованием гидросиликата кальция и гидроксида:

2(3CaO_*SiO₂) + 6H₂O = 3CaO_*2SiO_2*3H₂O + 3Ca(OH)₂.

   После затворения  гидроксид кальция образуется  из алита, так как белит гидратируется  медленнее алита и при его  взаимодействии с водой выделяется  меньше Ca(OH)₂, что видно из уравнения химической реакции:

2(2CaO_*SiO₂) + 4H₂O = 3Ca_*2SiO_2*3H₂O + Ca(OH)₂.

   Взаимодействие  трехкальциевого алюмината с  водой приводит к образованию  гидроалюмината кальция:

3CaO_*Al₂O₃ + 6H₂O = 3CaO_*Al₂O_3*6H₂O.

   Для замедления  схватывания при помоле клинкера  добавляют небольшое количество  природного гипса (3 – 5 % от массы цемента). Сульфат кальция играет роль химически активной составляющей его в гидросульфоалюминат кальция (минерал эттрингит) в начале гидратации портландцемента:

3CaO_*Al₂O₃ + 3(CaSO_4*2H₂O) + 26H₂O = 3CaO_*Al₂O_3*3CaSO_4*32H₂O.

   В насыщенном  растворе Ca(OH)₂ эттрингит сначала выделяется в коллоидном тонкодисперсном состоянии, осаждаясь на поверхности частиц 3Ca_*Al₂O₃, замедляет их гидратацию и затягивает начало схватывания цемента. Кристаллизация Ca(OH)₂ из пересыщенного раствора понижает концентрацию гидроксида кальция в растворе, и эттрингит уже образуется в виде длинных иглоподобных кристаллов. Кристаллы эттрингита и обуславливают раннюю прочность затвердевшего цемента. Эттрингит, содержащий 31 – 32 молекулы кристаллизационной воды, занимает примерно вдвое больший объем по сравнению с суммой объемов реагирующих веществ (C₃A и сульфат кальция). Заполняя поры цементного камня, эттрингит повышает его механическую прочность и стойкость. Структура затвердевшего цемента улучшается еще и потому, что предотвращается образование в нем слабых мест в виде рыхлых гидроалюминатов кальция.

   Четырехкальциевый  алюмоферрит при взаимодействии  с водой расщепляется на  гидроалюминат  и гидроферрит:

4CaO_*Al₂O_3*Fe₂O₃ + m_*H₂O = 3CaO_*Al₂O_3*6H₂O + CaO_*Fe₂O_3*nH₂O.

   Гидроалюминат связывается добавкой природного гипса, как указано выше, а гидроферрит входит в состав цементного геля.

  

   Температура оказывает  очень большое влияние на твердение  портландцемента. При температурах  от 0 до 8 ^оС происходит значительное (в 2 – 3 раза) по сравнению с твердением при обычных температурах замедление этих процессов, а ниже 0 ^оС они почти полностью прекращаются. Повышение же температуры твердеющих растворов и бетонов сопровождается большим ускорением роста прочности. Оно становится достаточно заметным уже при температуре бетонных смесей 30 – 40 ^оС при их твердении в теплые периоды года. В больших же массивах эти температуры могут держаться и в холодное время (Рис.1).