Портландцемент — наиболее распространенный тип цемента , широко используемый во всем мире в качестве основного ингредиента бетона , строительного раствора , штукатурки и неспециализированного раствора . Он был разработан на основе других типов гидравлической извести в Англии в начале 19 века Джозефом Аспдином и обычно изготавливается из известняка . Это мелкий порошок , получаемый путем нагревания известняка и глинистых минералов в печи с образованием клинкера , измельчения клинкера и добавления 2–3 процентов гипса . Доступны несколько видов портландцемента. Самый распространенный портландцемент, называемый обычным портландцементом (ОПЦ), имеет серый цвет, но доступен также белый портландцемент. Его название происходит от его сходства с портлендским камнем , который был добыт 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. [1] Термин «портленд» в этом контексте относится к материалу или процессу, а не к имени собственному, такому как место или человек, и не должен писаться с заглавной буквы.
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.
_near_Melarkey_Street_and_Nevada_State_Route_289_(Winnemucca_Boulevard)_in_Winnemucca,_Nevada.JPG/1280px-thumbnail.jpg)
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. [2]
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, [3] ныне известного как Башня Смитона . В конце 18 века римский цемент был разработан и запатентован в 1796 году Джеймсом Паркером . [4] Римский цемент быстро стал популярным, но в 1850-х годах его в значительной степени заменил портландцемент. [3] В 1811 году Джеймс Фрост произвел цемент, который он назвал британским цементом. [4] Сообщается, что Джеймс Фрост построил мануфактуру по производству искусственного цемента в 1826 году. [5] В 1811 году Эдгар Доббс из Саутварка запатентовал цемент, изобретенный 7 лет спустя французским инженером Луи Вика . Цемент Вика представляет собой искусственную гидравлическую известь и считается «главным предшественником» [3] портландцемента.
Название портландцемента записано в справочнике, опубликованном в 1823 году, и связано с Уильямом Локвудом и, возможно, другими. [6] В своем патенте на цемент 1824 года Джозеф Аспдин назвал свое изобретение «портландцементом» из-за его сходства с портландским камнем . [2] Цемент Аспдина не имел ничего общего с современным портландцементом, а был первым шагом в развитии современного портландцемента и был назван «прото-портландцементом». [3]
Уильям Аспдин покинул компанию своего отца, чтобы основать собственный цементный завод. В 1840-х годах Уильям Аспдин, по-видимому, случайно, произвел силикаты кальция , которые являются промежуточным этапом в разработке портландцемента. В 1848 году Уильям Аспдин еще больше усовершенствовал свой цемент. Затем, в 1853 году, он переехал в Германию, где занимался производством цемента. [6] Уильям Аспдин изготовил то, что можно было бы назвать «мезопортландцементом» (смесь портландцемента и гидравлической извести). [7] Исаак Чарльз Джонсон усовершенствовал производство «мезопортландцемента» (средняя стадия разработки) и заявил, что является настоящим отцом портландцемента. [8]
В 1859 году Джон Грант из Столичного управления 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. [3] «Бесконечная» печь Хоффмана, которая, как говорили, обеспечивала «идеальный контроль над горением», была испытана в 1860 году и показала, что она производит цемент высшего качества. Этот цемент был изготовлен на заводе Portland Cementfabrik Stern в Штеттине , который первым использовал печь Гофмана. [9] Ассоциация немецких производителей цемента выпустила стандарт на портландцемент в 1878 году. [10]
Портландцемент был импортирован в Соединенные Штаты из Германии и Англии, а 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 . [11] К началу 20 века портландцемент американского производства вытеснил большую часть импортного портландцемента.
ASTM C150 [12] 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. [13]
Европейский стандарт EN 197-1 использует следующее определение:
Портландцементный клинкер представляет собой гидравлический материал, который должен состоять по меньшей мере на две трети по массе из силикатов кальция ( 3 CaO·SiO 2 и 2 CaO·SiO 2 ) , остальная часть состоит из алюминий- и железосодержащих фаз клинкера и другие соединения. Отношение CaO к SiO 2 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, а также ограниченное количество сульфата кальция (CaSO 4 , контролирующего время схватывания) и до 5% второстепенных составляющих (наполнителей), разрешенных различными стандартами. 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 (Ca 2 SiO 4 ) соединяется с оксидом кальция (CaO) с образованием алита (Ca 3 SiO 5 ) . ). [14]
Портландцементный клинкер изготавливается путем нагревания в цементной печи смеси сырья 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 [15] и мало вносят вклад в прочность. Для специальных цементов, таких как низкотемпературные (LH) и сульфатостойкие (SR), необходимо ограничивать количество образующегося трикальцийалюмината (3 CaO·Al 2 O 3 ).
Основным сырьем для изготовления клинкера обычно является известняк (CaCO 3 ), смешанный со вторым материалом, содержащим глину в качестве источника алюмосиликата. Обычно используется нечистый известняк, содержащий глину или SiO 2 . Содержание CaCO 3 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.
Чтобы добиться желаемых качеств схватывания готового продукта, к клинкеру 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% частиц 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 м 2 ·кг -1 для цементов общего назначения и 450–650 м 2 ·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.
Цемент схватывается при смешивании с водой в результате сложной серии химических реакций, которые до сих пор изучены лишь частично. [ нужна цитация ] 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.
Наиболее распространенным применением портландцемента является производство бетона. [17] 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 таких структурных элементов, 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 « готовой » бетонной смесью, приготовленной на постоянных площадках для смешивания. Портландцемент также используется в строительных растворах (только с песком и водой), для штукатурок и стяжек , а также в растворах (смеси цемента и воды, вдавливаемые 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 широко варьироваться 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 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.
Существует пять типов портландцементов, с вариациями первых трех согласно ASTM C150. [12] [18]
Портландцемент типа I 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% (C4AF ) , 2,8% MgO, 2,9% (SO3 ) , 1,0% потери при прокаливании и 1,0. % свободного CaO (в обозначениях химика-цементиста ).
Ограничением состава является то, что (C 3 A) 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 ) , потери при прокаливании 0,8% и 1,0. % свободного СаО.
Ограничением состава является то, что содержание (C 3 A) 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 (среди прочих) спецификациям типов I и II, стал широко доступен на мировом рынке.
Тип III имеет относительно высокую раннюю прочность. Его типичный составной состав:
57 % (C 3 S), 19 % (C 2 S), 10 % (C 3 A), 7 % (C 4 AF), 3,0 % MgO, 3,1 % (SO 3 ), потери при прокаливании 0,9 % и 1,3 %. % свободного СаО.
Этот цемент аналогичен типу I, но более мелкого помола. Некоторые производители изготавливают отдельный клинкер с более высоким содержанием C 3 S и/или C 3 A, но это происходит все реже, и обычно используется клинкер общего назначения, измельченный до определенной площади 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.
Портландцемент типа IV обычно известен своей низкой теплотой гидратации. Его типичный составной состав:
28 % (C 3 S), 49 % (C 2 S), 4 % (C 3 A), 12 % (C 4 AF), 1,8 % MgO, 1,9 % (SO 3 ), 0,9 % потерь при прокаливании и 0,8 %. % свободного СаО.
Проценты (C 2 S) и (C 4 AF) относительно высоки, а (C 3 S) и (C 3 A) относительно низки. Ограничением этого типа является то, что максимальный процент (C 3 A) равен семи, а максимальный процент (C 3 S) 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 % (C 3 S), 43 % (C 2 S), 4 % (C 3 A), 9 % (C 4 AF), 1,9 % MgO, 1,8 % (SO 3 ), 0,9 % потерь при прокаливании и 0,8 %. % свободного СаО.
Этот цемент имеет очень низкий состав (C 3 A), что объясняет его высокую сульфатостойкость. Максимально допустимое содержание (C 3 A) составляет 5 % для портландцемента типа V. Еще одним ограничением является то, что состав (C 4 AF) + 2(C 3 A) не может превышать 20%. Этот тип используется в бетоне, который подвергается воздействию сульфатов щелочной почвы и грунтовых вод , которые реагируют с (C 3 A), 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 сходный состав с типами II и IIa, но с умеренной теплотой.
Европейский стандарт EN 197-1 определяет пять классов обычного цемента, в которых портландцемент является основным компонентом. Эти классы отличаются от классов ASTM.
* Компонентами, разрешенными в портланд-композитных цементах, являются искусственные пуццоланы (доменный шлак (фактически скрытое гидравлическое вяжущее), микрокремнезем и летучая зола) или природные пуццоланы (кремнеземистые или кремнеземистые глиноземистые материалы, такие как стекла из вулканического пепла, прокаленные глины и сланцы).
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 или белый обыкновенный портландцемент (WOPC) аналогичен обыкновенному серому портландцементу во всех отношениях, за исключением высокой степени белизны. Получение этого цвета требует сырья высокой чистоты (низкое содержание Fe 2 O 3 ) и некоторой модификации метода производства, среди прочего, более высокой температуры печи, необходимой для спекания клинкера, в отсутствие оксидов железа, действующих как флюс в обычном клинкере. . Поскольку Fe 2 O 3 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 мас.% в пересчете на Fe 2 O 3 для белого цемента и менее 0,9 мас.% 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 Cr 2 O 3 (зеленый), MnO (розовый), TiO 2 (белый) и т. д., в следовых количествах также могут придавать цветовые оттенки, поэтому для данного проекта лучше всего использовать цемент из одна партия.
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. [19] [20] Реакция цементной пыли с влагой в носовых пазухах и легких может также вызвать химический ожог, а также головные боли, усталость, [21] и рак легких. [22]
Производство сравнительно низкощелочных цементов (рН<11) является областью продолжающихся исследований. [23]
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 в размере 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) на уровне 10 мг/м 3 общего воздействия и 5 мг/м 3 воздействия на органы дыхания в течение 8-часового рабочего дня. При уровне 5000 мг/м 3 портландцемент сразу опасен для жизни и здоровья . [24]
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; выброс CO
2от 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. [12] Порошок может вызвать раздражение или, при сильном воздействии, рак легких и может содержать ряд опасных компонентов, включая кристаллический кремнезем и шестивалентный хром . Экологические проблемы связаны с высоким потреблением энергии , необходимым для добычи, производства и транспортировки цемента, и связанным с этим загрязнением воздуха, включая выбросы парниковых газов , углекислого газа , диоксина , NO x , SO 2 и твердых частиц . Производство портландцемента обеспечивает около 10% мировых выбросов углекислого газа . [25] По оценкам Международного энергетического агентства , к 2050 году производство цемента увеличится на 12–23%, чтобы удовлетворить потребности растущего населения мира. [26] В настоящее время проводится несколько исследований, направленных на подходящую замену портландцемента дополнительными вяжущими материалами. [27]
Эпидемиологические заметки и отчеты Центров по контролю за заболеваниями о воздействии диоксида серы на заводах по производству портландцемента гласят:
Рабочие предприятий портландцемента, особенно те, которые сжигают топливо, содержащее серу, должны знать об острых и хронических последствиях воздействия SO.
2[диоксид серы], а также пиковые и полносменные концентрации SO
2следует периодически измерять. [28]
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, NO x , SO
2, и твердых частиц), несчастные случаи и воздействие пыли на работников. [29] [ нужен лучший источник ]
Совместно _
2связанное с производством портландцемента, поступает в основном из четырех источников:
В целом, при наличии атомной или гидроэлектроэнергии и эффективном производстве CO
2Производство может быть снижено до 0,7 кг (1,5 фунта) на кг цемента, но может быть вдвое больше. [ необходимы разъяснения ] Целью инноваций на будущее является сокращение источников 1 и 2 путем изменения химического состава цемента, использования отходов и внедрения более эффективных процессов. [ нужна цитация ] Хотя производство цемента, очевидно, является очень крупным источником выбросов CO.
2излучателя, бетон (в котором цемент составляет около 15%) весьма выгодно отличается в этом отношении от других современных строительных систем. [ нужна цитата ] . Традиционные материалы, такие как растворы на основе извести, а также методы строительства из древесины и земли, выделяют значительно меньше CO 2 . [30]
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: [31]
Производство портландцемента также может извлечь выгоду из использования промышленных побочных продуктов из потока отходов. [32] К ним, в частности, относятся:
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite web}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link){{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)В общих чертах, вероятно, 50% всех побочных продуктов промышленности потенциально могут служить сырьем для производства портландцемента.
