Речовинний склад цементів

ВСТУП

Розвиток сучасних будівельних технологій у всіх технічно розвинених країнах спрямований на розроблення ефективних матеріалів, використання яких є економічно доцільним, дає змогу скоротити енергетичні затрати та витрату сировинних ресурсів. Так, щорічне виробництво бетонних та залізобетонних конструкцій, які вважаються визначальними будівельними матеріалами та займають одне з ключових місць відповідно до концепції сталого розвитку, постійно збільшується і досягло в світі 7...8 млрд. м³, а в країнах ЄС виробництво бетону становить близько 2000 кг на одного мешканця.

Основні принципи стратегії збалансованого розвитку в будівництві передбачають зниження витрат енергії та сировинних матеріалів; підвищення довговічності виробів і термінів експлуатації споруд; утилізацію вторинних матеріалів та будівельних елементів; всебічну охорону довкілля та використання всіх можливостей для заощадження територій у процесі будівництва. На цемент, найдорожчий та найенергоємніший компонент бетону, випуск якого в світі сягає понад 2 млрд. тонн, припадає, як правило, 50–70 % енергоємності бетону.

До найважливіших проблем, з якими зіткнулось людство на початку ХХІ століття, належить забруднення довкілля, особливо виділення техногенного вуглекислого газу та аерозолів і пов`язане з цим явище “парникового ефекту”. Виробництво портландцементу потребує не тільки витрати значної кількості сировинних та енергетичних ресурсів, але й є одним із основних чинників забруднення атмосфери парниковими газами. Тому проблема заміни традиційного портландцементу в’яжучими речовинами нового покоління, які мають меншу енергоємність, але водночас відповідають вимогам сучасної будіндустрії та забезпечують, разом з технічними та економічними перевагами, й екологічні – зниження емісії СО<sub>2</sub> у атмосферу – це одне з головних завдань цементної промисловості. Другим, або таким самим за важливістю є питання необхідності скорочення матеріальних і енергетичних ресурсів у промисловості в зв`язку із зниженням запасів палива і корисних копалин, що відповідає ідеям концепції сталого розвитку і Кіотського протоколу. Цементна промисловість є однією з найбільших споживачів як природної сировини, так і енергії. Зазначимо, що при виробництві цементу утворюються пил і газ, які у великій кількості викидаються в атмосферу. В зв`язку з введенням все жорсткішого законодавства з охорони навколишнього середовища зменшення енергетичних і матеріальних витрат у цементній промисловості в період наростання кліматичних змін і економічної кризи розглядають як істотний внесок в справу захисту довкілля.

Заміна частини клінкеру в цементі відходами виробництва (доменним гранульованим шлаком та золою винесення) з метою виготовлення композиційних цементів з підвищеним вмістом активних мінеральних добавок забезпечує позитивний внесок у збереження невідновлюваних природних ресурсів та зменшує викиди шкідливих речовин в атмосферу. Так, кожна тонна портландцементного клінкеру вимагає при мокрому способі виробництва близько 7500 МДж загальної енергії для виробництва, тоді як доменний гранульований шлак – тільки 700–1000 МДж. Отже, кожна тонна зекономленого цементу заощаджуватиме щонайменше 6000 МДж енергії. Разом з тим, з однієї тонни цементу викидається в атмосферу 1,0-1,2 тонни СО₂, тому зменшення виробництва клінкеру на кожну одну тонну призводить до еквівалентного зменшення викидів СО₂. У зв’язку з цим, у урахуванням підвищення вимог до охорони навколишнього середовища виробництво цементів з підвищеним вмістом мінеральних добавок – промислових відходів з кожним роком поступово зростає, а чисто клінкерні цементи повинні розглядатися як цементи спеціального призначення.

Враховуючи зазначене, розроблення принципово нових технологій одержання ефективних будівельних матеріалів та виробів з максимальним використанням потенційних властивостей паливних зол та шлаків як сировини і компонентів портландцементу є важливою актуальною проблемою та має велике економічне, екологічне та народно-господарське значення, особливо для України, оскільки витрата умовного палива в середньому по всіх заводах досягла в 2003 р. 223,0 кг на 1 т клінкеру, тоді як на сучасних зарубіжних заводах вона становить 100–110 кг. З метою заощадження паливно-енергетичних ресурсів у розвинутих країнах постійно збільшується частка багатокомпонентних цементів. Так, середній вміст мінеральних добавок у цементі в 1983 р. становив 17 %, в 1990 р. – 23 %, в 2000 році – 30 %. До 2020 року частка багатокомпонентних цементів у світі сягатиме 75–85 % від загального обсягу виробництва. Використання багатокомпонентних портландцементів дає можливість не тільки економити паливо та енергію (на 30–40 %) під час виробництва цементу, але й збільшити випуск бетону на цьому в’яжучому.

Відповідно до сучасних світових тенденцій все більшого значення набувають композиційні цементи, які розглядаються як альтернатива традиційному портландцементу. В державному стандарті на цементи загальнобудівельного призначення ДСТУ Б В.2.7-46-96 та в європейському стандарті EN 197 виділені як окремий тип композиційні цементи, які згідно з вимогами повинні містити не менше від двох видів мінеральних добавок різної природи активності (гідравлічної та пуцоланічної дії). Зазначимо, що введення до складу композиційного цементу разом з доменним гранульованим шлаком традиційних пуцоланових добавок (опока, трепел) призводить до зростання водопотреби в’яжучого, сповільнення набору його міцності в ранній період тверднення та погіршення експлуатаційних властивостей. У зв’язку з цим під час виготовлення композиційних цементів значний практичний інтерес викликає використання добавок пуцоланової групи з особливими властивостями, багатотоннажних відходів промисловості – золи та шлаків ТЕС, загальний вихід яких у світі щорічно становить 700 млн тонн. Відходи енергетичного комплексу, яких в Україні щорічно утворюється до 10 млн. т, а в відвалах ще є понад 50 млн. т, можна розглядати не тільки як фактор забруднення навколишнього середовища, але й як джерело додаткових ресурсів для отримання широкої гами будівельних матеріалів. Такі відходи не потребують енергоємної переробки, мають низьку вартість, крім цього, теплові електростанції достатньо рівномірно розподілені по всіх регіонах України.

Виробництво композиційних в’яжучих дає можливість не тільки економити енергію, але й збільшувати кількість одержуваного цементу і вихід бетону на їх основі. Використання як мінеральних добавок багатотоннажних промислових відходів дає змогу вирішувати проблеми охорони довкілля і компенсувати дефіцит кондиційної сировини для виробництва цементу.

На підставі детального і всебічного аналізу літературних і патентних матеріалів, які стосуються композиційних в’яжучих (П.В. Кривенко, О.О. Пащенко, О.В. Ушеров-Маршак, Дворкін Л.Й., Р.Ф. Рунова, К.К. Пушкарьова, В.І. Гоц, А.Й. Здоров, О.О. М’ясникова, В.А. Свідерський, В.П. Сербін, В.В. Чистяков, Т.В. Кузнєцова, Г.И. Овчаренко, З. Гергічни, Я. Малолепши, Х. Тейлор, Й. Штарк) обгрунтовано новий напрям у хімії і технології цементів, який ґрунтується на різних способах модифікування цементуючих систем “портландцементний клінкер – активні мінеральні добавки – наповнювач – регулятор термінів тужавіння – лугомісткий активатор тверднення – пластифікатор” із застосуванням добавок нової генерації для одержання ефективних будівельних матеріалів і виробів, що передбачає створення концепції щодо розроблення наукових основ отримання композиційних цементів з покращеними експлуатаційними властивостями за рахунок фізико-хімічної оцінки відходів паливної енергетики та комплексного впливу на підвищення їх структуроутворювальної здатності з максимальним об’ємом використання як сировини паливних зол та шлаків для одержання високоефективних будівельних матеріалів і виробів, які за своїми властивостями не поступаються традиційним, але є ефективнішими з економічного та екологічного погляду.

Реалізація широкомасштабного випуску ефективних композиційних цементів з комплексними модифікаторами дасть змогу на основі останніх досягнень науки і техніки одержати нові ефективні матеріали з залученням вторинних продуктів і техногенної сировини, зокрема відходів енергетики, та створити прогресивні моделі раціонального використання природної сировини, палива, електричної енергії з утилізацією вторинних матеріалів за мінімальних викидів парникових газів, що має істотне значення для подальшого розвитку ресурсо- та енергоощадних технологій у цементній промисловості.

РЕЧОВИННИЙ СКЛАД ЦЕМЕНТІВ

Композиційні цементи - це продукт сумісного тонкого розмелення у кульових млинах портландцементного клінкеру, природного гіпсу та активних мінеральних добавок різної природи активності (рис. 1.1). При цьому вміст портландцементного клінкеру в таких цементах змінюється в межах від 64 до 20 мас.%.

Рис. 1.1. Технологічна схема помелу композиційного цементу

Портландцементний клінкер – продукт випалу до спікання (Т=1450⁰С) сировинної суміші певного складу, яка забезпечує присутність в ньому силікатів кальцію - три кальцієвого силікату (3 СаО×SiO₂, Ca₃SiO₅, C₃S), двокальцієвого силікату (2 CaO×SiO₂, Ca₂SiO₄, C₂S), а також алюмінатів (3CaO×Al₂O₃, Ca₃Al₂O₆, C₃A) та алюмоферитів кальцію (4СаO×Al₂O₃×Fe₂O₃) Клінкер складається з чотирьох основних мінералів, які визначають властивості цементу: трикальцієвий силікат (аліт) – 3СаО×SiO₂ (C₃S), двокальцієвий силікат (беліт) – 2СаО×SiO₂ (C₂S), трикальцієвий алюмінат – 3СаО×Al₂O₃ (C₃A) і чотирикальцієвий алюмоферит – 4СаО×Al₂O₃×Fe₂O₃ (C₄AF). Класифікація клінкерів залежно від від вмісту основних мінералів наведена в табл. 1.1.

Таблиця 1.1

Дата добавления: 2015-09-06