Портландцемент является наиболее распространенным типом цемента общего назначения во всем мире в качестве основного ингредиента бетона , раствора , штукатурки и неспециализированного раствора . Он был разработан из 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 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), является серым, но доступен также белый портландцемент. Его название происходит от его сходства с портландским камнем , который добывается на острове Портленд в Дорсете , Англия. Свое название он 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. [1]
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.
_near_Melarkey_Street_and_Nevada_State_Route_289_(Winnemucca_Boulevard)_in_Winnemucca,_Nevada.JPG/1280px-thumbnail.jpg)
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. [2]
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, [3] теперь 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 был в значительной степени заменен портландцементом в 1850-х годах. [3] В 1811 году Джеймс Фрост изготовил цемент, который он назвал британским цементом. [4] Сообщается, что Джеймс Фрост построил мануфактуру для производства искусственного цемента в 1826 году. [5] В 1811 году Эдгар Доббс из Саутуорка запатентовал цемент, изобретенный 7 годами позже французским инженером Луи Вика . Цемент Вика представляет собой искусственную гидравлическую известь и считается «главным предшественником» [3] портландцемента.
Название портландцемент зафиксировано 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 был похож на современный портландцемент, но был первым шагом в развитии современного портландцемента и был назван «протопортландцементом». [3]
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. [6] Уильям Аспдин сделал то, что можно было бы назвать «мезопортландцементом» (смесь портландцемента и гидравлической извести). [7] Исаак Чарльз Джонсон еще больше усовершенствовал производство «мезопортландцемента» (средняя стадия развития) и заявил, что является настоящим отцом портландцемента. [8]
В 1859 году Джон Грант из Metropolitan Board of Works изложил требования к цементу, который будет 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. [3] «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. [9] Ассоциация немецких производителей цемента выпустила стандарт на портландцемент в 1878 году. [10]
Портландцемент импортировался в Соединенные Штаты из Германии и Англии , и в 1870-х и 1880-х годах он производился на заводе Eagle Portland Cement недалеко от 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 . [11] К началу 20-го века американский портландцемент вытеснил большую часть импортного портландцемента.
ASTM C150 [12] определяет портландцемент как:
гидравлический цемент (цемент, который не только затвердевает при реакции с водой, но и образует водостойкий продукт), получаемый путем измельчения клинкеров , которые в основном состоят 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 не менее чем на две трети по массе из силикатов кальция ( 3 CaO·SiO 2 и 2 CaO·SiO 2 ) , а остаток должен состоять из фаз клинкера, содержащих алюминий и железо, и других соединений. 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 , 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 это допускается 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 ) . [14]
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 в цементном клинкере являются алит, белит, трикальцийалюминат и тетракальцийалюмоферрит. Оксиды алюминия, железа и магния присутствуют в качестве флюса, что позволяет силикатам кальция образовываться при более низкой температуре [15] и вносят небольшой вклад в прочность. Для специальных цементов, таких как низкотемпературные (LH) и сульфатостойкие (SR) типы, необходимо ограничить количество образующегося трикальцийалюмината (3 CaO·Al 2 O 3 ).
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.
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 образования 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 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 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.
Цемент застывает при смешивании с водой посредством сложной серии химических реакций, которые до сих пор изучены лишь частично. [ необходима цитата ] Различные компоненты медленно кристаллизуются, и сцепление их кристаллов придает цементу прочность. Углекислый газ 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.
Наиболее распространенное применение портландцемента — производство бетона. [17] 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, [18] 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.
Существует пять типов портландцемента, с вариациями первых трех в соответствии с ASTM C150. [12] [19]
Портландцемент типа I известен как обычный или универсальный цемент. Обычно предполагается, если не указан другой тип. Он обычно используется для общего строительства, особенно при изготовлении сборного и предварительно напряженного бетона, который не должен контактировать с почвой или грунтовыми водами. Типичные составы соединений этого типа:
55% (C 3 S), 19% (C 2 S), 10% (C 3 A), 7% (C 4 AF), 2,8% MgO, 2,9% (SO 3 ), 1,0% потери при прокаливании и 1,0% свободного CaO (используя обозначения химиков-цементовщиков ).
Ограничением по составу является то, что содержание (C 3 A) не должно 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% (C 3 S), 24% (C 2 S), 6% (C 3 A), 11% (C 4 AF), 2,9% MgO, 2,5% (SO 3 ), потери при прокаливании 0,8% и 1,0% свободного CaO.
Ограничением по составу является то, что (C 3 A) 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% (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 CaO.
Этот цемент похож на тип I, но более тонкомолотый. Некоторые производители делают отдельный клинкер с более высоким содержанием C 3 S и/или C 3 A, 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.
Портландцемент типа IV обычно известен своей низкой теплотой гидратации. Его типичный состав соединения:
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% потери при прокаливании и 0,8% свободного CaO.
Процентное содержание (C 2 S) и (C 4 AF) относительно высокое, а (C 3 S) и (C 3 A) относительно низкое. Ограничением для этого типа является то, что максимальный процент (C 3 A) составляет семь, а максимальный процент (C 3 S) 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% (C 3 S), 43% (C 2 S), 4% (C 3 A), 9% (C 4 AF), 1,9% MgO, 1,8% (SO 3 ), 0,9% потери при прокаливании и 0,8% свободного CaO.
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. Другое ограничение заключается в том, что состав (C 4 AF) + 2(C 3 A) не может превышать 20%. Этот тип используется в бетоне, который подвергается воздействию щелочных почв и сульфатов грунтовых вод , которые реагируют с (C 3 A), 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 [ необходимо разъяснение ] к воздухововлекающему агенту, который повышает 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 остротой.
Европейский стандарт EN 197-1 определяет пять классов обычного цемента, в состав которого в качестве основного компонента входит портландцемент. Эти классы отличаются от классов ASTM.
* В состав портландцемента разрешены искусственные пуццоланы (доменный шлак (фактически латентное гидравлическое вяжущее), микрокремнезем и летучая зола) или природные пуццоланы (кремнистые или кремнисто-алюминиевые материалы, такие как вулканические пепловые стекла, кальцинированные глины и сланцы).
Канадские стандарты описывают шесть основных классов цемента, четыре из которых могут также поставляться в виде смеси, содержащей молотый известняк (где в названии класса присутствует суффикс L).
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 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. Основное требование - иметь низкое содержание железа, которое должно быть менее 0,5 мас.%, выраженного как 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 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.
На мешках с цементом обычно печатаются предупреждения о вреде для здоровья и безопасности, 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. [20] [21] Реакция цементной пыли с влагой в пазухах и легких также может вызвать химический ожог, а также головные боли, усталость [22] и рак легких. [23]
Производство цементов с относительно низкой щелочностью (pH<11) является областью текущих исследований. [24]
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 воздействия ( допустимый предел 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/м 3 общего воздействия и 5 мг/м 3 респираторного воздействия в течение 8-часового рабочего дня. При уровнях 5000 мг/м 3 портландцемент становится непосредственно опасным для жизни и здоровья . [25]
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 машин и взрывных работах в карьерах; потребление большого количества топлива в процессе производства; выбросы CO
2из сырья во время производства и ущерб сельской местности от карьеров. Оборудование для снижения выбросов пыли во время карьеров и производства цемента широко используется, а оборудование для улавливания и разделения выхлопных газов все чаще используется. Защита окружающей среды также включает в себя реинтеграцию карьеров в сельскую местность после их закрытия путем возвращения их природе или их рекультивации.
Портландцемент едкий , поэтому он может вызывать химические ожоги. [12] 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, и связанным с этим загрязнением воздуха, включая выбросы парниковых газов , диоксида углерода , [ необходима ссылка ] NO x , SO 2 и твердых частиц . Производство портландцемента составляет около 10% мировых выбросов углекислого газа . [26] Международное энергетическое агентство подсчитало, что производство цемента увеличится на 12–23% к 2050 году, чтобы удовлетворить потребности растущего населения мира. [27] В настоящее время проводится несколько исследований, направленных на подходящую замену портландцемента дополнительными цементными материалами. [28]
В эпидемиологических заметках и отчетах о воздействии диоксида серы на заводах по производству портландцемента , подготовленных Центрами по контролю и профилактике заболеваний , говорится:
Работники предприятий по производству портландцемента, особенно тех, 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. [29]
Независимые исследования компании AEA Technology, направленные на выявление критических проблем для цементной промышленности на сегодняшний день, пришли к выводу, что наиболее важными проблемами в области 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 твердые частицы), несчастные случаи и воздействие пыли на рабочих. [30] [ необходим лучший источник ]
СО
2связанный с производством портландцемента, поступает в основном из четырех источников:
В целом, при наличии ядерной или гидроэлектроэнергии, а также эффективного производства, выбросы CO
2Выбросы можно сократить до 0,7 кг (1,5 фунта) на кг цемента, но их можно увеличить вдвое. [ необходимо разъяснение ] Основная цель инноваций в будущем — сократить источники 1 и 2 путем изменения химии цемента, использования отходов и внедрения более эффективных процессов. [ необходима цитата ] Хотя производство цемента, несомненно, является очень большим источником выбросов CO
2Источник, бетон (в котором цемент составляет около 15%), в этом отношении весьма выгодно отличается от других современных строительных систем. [ требуется ссылка ] . Традиционные материалы, такие как известковые растворы, а также методы строительства на основе древесины и земли выделяют значительно меньше CO2 . [ 31]
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: [32]
Производство портландцемента также имеет потенциал извлечь выгоду из использования промышленных побочных продуктов из потока отходов. [33] К ним относятся, в частности:
{{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 целом, вероятно, 50% всех побочных продуктов промышленности имеют потенциал в качестве сырья для производства портландцемента.
