Технологическая линия по производству тампонажного портландцемента

метки: Цемент, Тампонажный, Портландцемент, Клинкер, Состав, Прочность, Камень, Твердение

тампонажный портландцемент вяжущее сырьевой

Портландцементом называется гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением портландцементного клинкера с гипсом, а иногда и со специальными добавками.

Клинкер получают обжигом до спекания тонкодисперсной однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины и некоторых других материалов (мергеля, доменного шлака и пр.).

При этом обеспечивается преимущественное содержание в нем высокоосновных силикатов кальция (70—80 %).

Гипс в портландцемент добавляют для регулирования скорости схватывания и некоторых других свойств. Клинкерный порошок без гипса при смешивании с водой быстро схватывается и затвердевает в цементный камень, который характеризуется пониженными техническими свойствами.

По составу различают портландцемент без добавок, портландцемент с минеральными добавками, шлакопортландцемент, пуццелановый цемент и композиционный цемент.

Свойства портландцемента определяются прежде всего качеством клинкера. Вводимые в него добавки предназначены для их регулирования.

Портландцемент и его разновидности

Гигантские темпы строительства обусловливают рост производства цемента. Неуклонно улучшается качество цемента, повышаются его прочностные показатели, расширяется ассортимент, выпускаются специальные виды цемента для различных областей строительства.

тампонажный портландцемент вяжущее сырьевой

1. Теоретический раздел

1.1 Вещественный, химический и минералогический состав тампонажного портландцемента

Цементы следует изготовлять в соответствии с требованиями настоящего стандарта по технологическому регламенту, утвержденному в установленном порядке.

По вещественному составу тампонажные цементы подразделяют на виды:

• I — тампонажный портландцемент бездобавочный
• I-G — тампонажный портландцемент бездобавочный с нормированными требованиями при водоцементном отношении, равном 0,44
• I-H — тампонажный портландцемент бездобавочный с нормированными требованиями при водоцементном отношении, равном 0,38
• II — тампонажный портландцемент с минеральными добавками
• III — тампонажный портландцемент со специальными добавками, регулирующими плотность цементного теста

По плотности цементного теста цемент типа III подразделяют на:

• облегченный (Об);
• утяжеленный (Ут).

По температуре применения цементы типов I, II и III подразделяют на цементы, предназначенные для:

Производство цемента

... месте добычи сырьевых материалов для производства цемента. В России же производство портландцемента было расширено лишь в конце ... 30. Наиболее широко используются железистые добавки. Бокситы также являются корректирующей добавкой при получении портландцементного клинкера. Боксит ... данного вида транспорта :высокая производительность, надежность работы в любых условиях, низкий расход электроэнергии, ...

• низких и нормальных температур (15-50) °С;
• умеренных температур (51-100) °С;
• повышенных температур (101-150) °С.

По сульфатостойкости цементы подразделяют на:

а) типы I, II, III

• обычный (требования по сульфатостойкости не предъявляют);
• сульфатостойкий (СС);

б) типы I-G и I-H

• высокой сульфатостойкости (СС-1);
• умеренной сульфатостойкости (СС-2).

Условное обозначение цемента должно состоять из:

• буквенных обозначений цемента: ПЦТ — портландцемент тампонажный;
• обозначения типа цемента;
• обозначения сульфатостойкости цемента -;
• обозначения средней плотности для цемента типа III;
• обозначения максимальной температуры применения цемента;
• обозначения гидрофобизации или пластификации цемента — ГФ или ПЛ;
• обозначения настоящего стандарта.

Примеры

1. Портландцемент тампонажный с минеральными добавками сульфатостойкий для низких или нормальных температур

ПЦТ II-СС-50 ГОСТ 1581-96

Вещественный состав цементов всех типов должен соответствовать значениям, указанным в таблице 1

Таблица 1

В процентах

Тип цемента	Содержание клинкера	Содержание добавки
		Минеральная добавка	Специальная добавка — облегчающая (в том числе природная пуццолановая) или утяжеляющая
I	100
I-G		Не допускается
I-H
II	80-94	6-20*	—
III	30-89	—	11-70
* Добавок осадочного происхождения не должно быть более 10% массы цемента.

Вещественный состав характеризуют содержанием портландцементного клинкера и добавок без учета гипсового камня, вводимого сверх 100 % массы цемента.

Портландцементный клинкер по химическому составу должен соответствовать технологическому регламенту. Массовая доля оксида магния MgO в клинкере не должна быть более 5,0%.

Требования к химическим параметрам цементов приведены в таблице 2.

В процентах

Наименование показателя	Значение для цемента типа
	I	II	Ill	I-G и I-H
Потери при прокаливании, не более	5,0	—	3,0
Массовая доля нерастворимого остатка, не более	5,00	—	0,75

не менее	1,5	—
не более	3,5	3,0

0,10
Массовая доля суммы щелочных оксидов в пересчете на , не более	—	0,75

Ориентировочно химический состав портландцемента выглядит следующим образом:

CaO 63-66% MgО 0,5-5%

SiО2 21-24% SO3 0,3-1%

Аl2O3 4-8% Na2O и K2O 0,4-1%

Fe2O3 2-4% ТiО2 и Сг2O3 0,2-0,5%

P2O5 0,1-0,3%

Минералогический состав клинкера для сульфатостойких тампонажных цементов должен соответствовать значениям, указанным в таблице 3.

Таблица 3

В процентах

Наименование показателя	Значение для клинкера цемента типа и сульфатостойкости
	I, II, III	I-G и I-H
	СС	CC-I	СС-2
Содержание трехкальциевого силиката C 3 S:
не менее	—	48	48
не более	—	65	58
Содержание трехкальциевого алюмината C 3 A, не более	5	3	8
Сумма трехкальциевого алюмината C 3 A и четырехкальциевого алюмоферрита C4 AF, не более	22	24*	—
* Сумма четырехкальциевого алюмоферрита и удвоенного содержания трехкальциевого алюмината

Алит- главный минерал цементного клинкера- активен в реакции с водой, определяет прочность цемента в 28-суточном (марочном) возрасте и в целом обуславливает возможность достижения его высокой прочности. С увеличением содержания алита в клинкере (от 10-70%) прочностные показатели цемента возрастают в линейной зависимости.

Трехкальциевый алюминат, Четырехкальциевый алюмоферрит C

Содержание добавок, вводимых в цемент при помоле, не должно быть больше значений, указанных в таблице 4.

Таблица 4

В процентах массы цемента

Тип цемента	Значение для добавок (в пересчете на сухое вещество добавки)
	ускорителей твердения	замедлителей загустевания	пластифици- рующих	гидрофоби- зирующих	водоудер- живающих	интенсификаторов помола, в том числе органических*
I, II, III	0,5	0,3	0,5	0,5	1,5	1,00
* Органических добавок не должно быть более 0,15%.

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

Превращение цементного теста в камневидное тело обусловлено сложными химическими и физико-химическими процессами взаимодействия клинкерных минералов с водой, в результате которых образуются новые гидратные соединения, практически нерастворимые в воде.

При смешении цемента с водой на начальных стадиях твердения в реакцию гидратации интенсивно вступают алюминаты и алюмоферриты кальция, благодаря более высокой константе скорости растворения по сравнению с алитом к белитом. Раствор становится пересыщенным по отношению к конечному продукту и из него на поверхности зерен клинкера и в объеме раствора образуются иглообразные кристаллы гидроалюминатов и гидроферритов кальция различного состава. В общем, виде их состав можно обозначить

xCaO*yAI2O3*mН2О и xСаО*yFe2O3*mН2O.

Значения коэффициентов x, y, m изменяются в различных соотношениях и зависят, главным образом, от термодинамических условий процессов гидратации.

Через некоторое время (3-6 часов) в системе накапливается достаточно много кристаллогидратов и образуются «стесненные» условия, приводящие к образованию коагуляционной структуры, которая по мере накапления гидроалюминатов переходит в кристаллизационную. Через 6 — 10 часов весь объем между постепенно уменьшающимися зернами цемента заполняется скелетом иглообразных кристаллов — продуктов гидратации алюминатных составляющих клинкера. Эта структура иногда называется алюминатной Цементный раствор, бывший до этого пластичным, начинает терять подвижность и набирать прочность.

В оставшемся объеме одновременно с алюминатной, но со значительно меньшей скорость, возникают продукты гидратации силикатных клинкерных минералов алита и белита.

Последние образуют чрезвычайно тонкопористый ворс из очень малых кристаллов, так называемую силикатную структуру. Влияние этой структуры на прочность твердеющего цементного камня со временем все более увеличивается. Она уже является собственно носителем прочности цементного камня и приблизительно через 1 сутки начинает преобладать над алюминатной. К месячному сроку в цементном камне обнаруживается практически только силикатная структура. К этому времени процесс гидратации не заканчивается и в ряде случаев может продолжаться годами за счет неиспользованного клинкерного фонда цемента.

Процесс формирования цементного камня является сложным и многообразным. Чтобы получить более полное представление о взаимодействии портландцемента с водой целесообразно рассмотреть реакции взаимодействия отдельных клинкерных компонентов.

По химическому составу тампонажный портландцемент практически не отличается от общестроительного портландцемента а, в следствие чего минералогический состав клинкера тампонажного цемента на разных заводах колеблится в довольно значительных пределах.

Для холодных скважин:

а) повышенное содержание трехкальцевого алюмината (до 12-13%) при содержании алита около 50%, что обеспечивает повышенную прочность цемента в ранние сроки схватывания и повышает прочность цемента в ранние сроки твердения.

б) повышенным содержанием трехкальциевого силиката (57-60%) при пониженном содержании С ₃ А трехкальцевого алюмината(4-7%).

При тонком клинкере, если он достаточно измельчен так же обеспечивается требуемая скорость схватывания и высокая активность цемента в ранние сроки твердения.

Для горячих скважин:

Для горячих скважин, чтобы замедлить сроки схватывания и сохранить требуемую текучесть цементного раствора, применяют цементы с низким содержанием С ₃ А.

При производстве тампонажного портландцемента применяют те же сырьевые компоненты, что и для производства обычного портландцемента. Процессы твердения и гидратации тампонажного цемента ускоряются с повышением температуры в скважине. Одновременно прочность цемента повышается, а время схватывания сокращается.

Регулирование процесса твердения тампонажных растворов

Рассмотрение кинетики процесса гидратации цемента позволяет разделить его на отдельные этапы:

• растворение твердой фазы и образование пересыщенного раствора;
• образование из пересыщенного раствора зародышей новой фазы кристаллогидратов;
• образование коагуляционной и кристаллизационной структуры.

Наиболее медленной стадией всего суммарного процесса твердения цемента является первая — растворение твердой фазы, и именно эта стадии определяет суммарную скорость процесса твердения. Скорость растворения клинкерных минералов, а, следовательно, и скорость процесса твердения зависят от следующих факторов:

• удельной поверхности цемента (S);
• фазового состава цементного клинкера;
• водоцементного отношения (В/Ц);
• температуры гидратации (Т);
• вида и количества добавок.

Наибольшее влияние на скорость твердения цементных растворов оказывает температура твердения. При повышении или понижении температуры резко изменяется константа скорости растворения К, что в свою очередь, изменяет скорость растворения вяжущего, и, следовательно, скорость твердения раствора.

При креплении глубоких скважин большинство рассмотренных выше факторов являются фиксированными, т. е. независимыми от исполнителей. Температура в скважине определяется геологическими особенностями разреза, удельная поверхность и фазовый состав вяжущего — технологией изготовления. Таким образом, наиболее приемлемый путь оптимизации свойств, цементного раствора — это ввод добавок регуляторов твердения.

При креплении высоко — или низкотемпературных скважин практически всегда возникает вопрос о замедлении или соответственно ускорении процессов структурообразования и твердения растворов с целью обеспечения нормального процесса цементирования. Наиболее широкое применение для этой цели находят добавк.

Температурные условия твердения вяжущего

Для «холодных» скважин: начало схватывания не ранее 2 час, конец не позднее 10 часов. Температура твердения 22±2 ^о С, R_сж не ниже 2,7 МПа через двое суток твердения.

Для «горячих» скважин: начало схватывания не ранее 1ч 45мин, конец схватывания не позднее 4ч 30мин.

Температура твердения — 75±3 ^о С. R_сж не ниже 6,2МПа.

1.3 Условие разрушения (коррозия) композита на рассматриваемом продукте (вяжущем).

Область применения продукта, Коррозия тампонажного камня

коррозии тампонажного камня

коррозии тампонажного камня

коррозии тампонажного камня

коррозии тампонажного камня

коррозии тампонажного камня

коррозии тампонажного камня

коррозии тампонажного камня

коррозии тампонажного камня

коррозию тампонажного камня

коррозии тампонажного камня

Область применения тампонажногопортландцемента.

При разведочном и эксплуатационном бурении нефтяных и газовых скважин, а также при капитальном их ремонте применяют тампонажные цементы, представляющие собой в основном разновидности портландцемента. Тампонажные цементы используют для цементирования нефтяных скважин, цель которого — изолировать продуктивные нефтеносные слои от водоносных, а также отделить нефтеносные слои друг от друга при многопластовых залежах нефти. Цементирование (тампонирование) — весьма ответственная стадия сложного процесса бурения; качество цементирования часто определяет эффективность эксплуатации скважины, а при разведочном бурении — возможность правильной оценки запасов продуктивных нефтеносных слоев в исследуемом месторождении.

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

Содержание СзА и С4АF в клинкере рассчитывают по формулам:

• СзА = 2,65 Al2O3 — 1,69Fe2O3; (1)

С4АF = 3,04Fe2О3 (2)

Тампонажный цемент изготовляют совместным тонким измельчением клинкера и гипса.

При нагревании извести и глины или других материалов сходного валового состава и достаточной активности до температуры 1450°С, происходит частичное плавление, и образуются гранулы клинкера. Для получения цемента клинкер перемешивают с несколькими процентами гипса и тонко перемалывают. Гипс управляет скоростью схватывания; его можно частично заменить другими формами сульфата кальция. Некоторые технические условия разрешают добавлять другие материалы при помоле. Типичный клинкер имеет примерный состав 67 % СаО, 22 % SiO ₂ , 5 % Аl₂ О₃ , 3 % Fе₂ O₃ и 3 % других компонентов.

Четыре главные фазы клинкера:

Алит

Является наиболее важной составляющей всех обычных цементных клинкеров; содержание его составляет 50-70 %. Это трехкальциевый силикат, 3СаOSiО ₂ (сокращенно обозначают C₃ S), состав и структура которого модифицированы за счет размещения в решетке инородных ионов, особенно Mg²⁺ , Аl³⁺ и Fе³⁺ . Алит относительно быстро реагирует с водой и в нормальных цементах из всех фаз играет наиболее важную роль в развитии прочности; для 28-суточной прочности вклад этой фазы особенно важен.

Белит

Содержание белита для нормальных цементных клинкеров составляет 15-30 %. Это двукальциевый силикат 2СаOSiО ₂ (C₂ S), модифицированный введением в структуру инородных ионов и обычно полностью или большей частью присутствующий в виде в-модификации. Белит медленно реагирует с водой, таким образом слабо влияя на прочность в течение первых 28 суток, но существенно увеличивает прочность в более поздние сроки. Через год прочности чистого алита и чистого белита в сравнимых условиях примерно одинаковы.

Алюминатная фаза

Содержание алюминатной фазы составляет 5-10 % для большинства нормальных цементных клинкеров. Это трехкальциевый алюминат Са ₃ Аl₂ O₆ , существенно измененный по составу, а иногда и по структуре, за счет инородных ионов, особенно Si⁴⁺ , Fe³⁺ , Nа⁺ и К⁺ . Алюминатная фаза быстро реагирует с водой и может вызвать нежелательно быстрое схватывание, если не добавлен контролирующий схватывание реагент, обычно гипс.

Ферритная фаза

Ферритная фаза (CaAlFe) составляет 5-15 % обычного цементного клинкера. Это — четырехкальциевый алюмоферрит 4CaOAl ₂ O₃ Fe₂ O/_3/ , состав которого значительно меняется при изменении отношения Al/Fe и размещении в структуре инородных ионов. Скорость, с которой ферритная фаза реагирует с водой, может несколько варьировать из-за различий в составе или других характеристиках, но, как правило, она высока в начальный период и является промежуточной между скоростями для алита и белита в более поздние сроки.

В клинкере обычно присутствуют в небольших количествах и несколько других фаз, таких как щелочные сульфаты и оксид кальция.

Качество цементного клинкера

Характеристика клинкера по численным значениям модулей дается на основании сведений о процентном содержании главных оксидов в составе клинкера. Значения модулей оказываются численно одинаковыми как для клинкера, так и для сырьевой смеси

Гипсовый камень 4 сорта.

Технические требования:

Гипсовый камень, используемый для производства вяжущих материалов должен соответствовать требованиям ГОСТ 4013-82. Добыча и переработка камня производиться по техническому регламенту, утвержденному в установленном порядке.

Гипсовый камень по содержанию гипса и гипсоангидритовый камень по суммарному содержанию гипса и ангидрита в пересчете на гипс подразделяют на сорта, указанные в таблице.

Содержание гипса в гипсовом камне определяют по кристаллизационной воде, а в гипсоангидритовом камне — по серному ангидриту (SO3 )

Сорт	Содержание в гипсовом камне %
	Гипс ( Са2SO4*H2O)	Воды
1	95	19.88
2	90	18.83
3	80	16.74
4	70	14.64

Для производства цемента должны использовать гипсовый и гипсоангидритовый камень. В гипсоангидритовом камне должно быть не менее 30 % гипса (CaSO4*2H2O).

Гипсовый и гипсоангидритовый камень применяют в зависимости от размера фракции.: 0 — 60 мм — гипсоангидритовый и гипсовый камень для производства цемента.

Фракции размером 0 — 60 мм не должны содержать камня размером 0 — 5 мм более 30 %.

В отдельных случаях по согласованию с потребителем доля содержания фракции размером 0 — 5 мм допускается более 30 %, но не должна превышать 40 %.

Приемка камня

• Камень должен быть принят техническим контролем предприятия изготовителя.
• Приемку и поставку камня осуществляют партиями. В состав партии включают камень одного вида, сорта и фракции.
• При отгрузке камня железнодорожным и водным видами транспорта. Размер партии устанавливают в зависимости от годовой мощности карьера:

1000т — при годовой мощности до 1000000т.

2000т — свыше 1000000т.

Допускается отгружать партии камня меньшей массы.

• При отгрузке камня автомобильным транспортом партией считают количество камня одного сорта, одной фракции, отгружаемого одному потребителю в течение суток.
• Количество поставляемого камня определяют по массе.

Камень отгруженный в вагонах или автомобилях, взвешивают на железнодорожных или автомобильных весах. Массу камня отгруженного в судах, определяют по осадке судна.

• Изготовитель должен определять фракционный состав камня не менее одного раза в квартал, также при замене технологического оборудования или при переходе от одного забоя в другой при разработке пласта гипсового камня.

— Потребитель имеет право контрольную проверку соответствия камня требованием стандарта, применяя при этом порядок подбора и метода испытания. Потребитель приобретает пробы после загрузки транспортных средств, изготовитель — перед и во время погрузки.

• Пробы отбирают не менее чем из 10 мест равными частями на различной глубине, при отгрузке ж/д и водным транспортом, а при отгрузке автомобильным не менее чем 5 машин.
• Минимальную массу общей пробы определяют в зависимости от максимального размера фракции:

50 кг — при максимальном размере фракции 60 мм.

300 кг — при максимальном размере фракции 300 мм

— Если при испытании пробы получены неудовлетворительные результаты, проводят повторные испытания, пробы камня, отобранные из той же партии. При неудовлетворительном результате повторных испытаний, партия приемке не подлежит.

Требования к транспортированию и хранению.

• Гипсовый и гипсоангидритовый камень поставляют навалом всеми видами транспортных средств.
• Камень транспортируют железнодорожным транспортом в соответствии с Правилами перевозок грузов и Техническими условиями погрузки и крепления грузов, утвержденными Министерством путей сообщения.
• Предприятие-изготовитель должно сопровождать каждую отгружаемую партию документом о качестве установленной формы, в котором указывают:
• наименование и адрес предприятия-изготовителя;
• наименование камня;
• номер партии, дату отправки и объем партии;
• сорт, размер фракции;
• обозначение настоящего стандарта.

— Гипсовый камень, предназначенный для производства гипсовых вяжущих, применяемых в фарфорофаянсовой, керамической к медицинской промышленности, а также белого, декоративного и гипсоглиноземистого расширяющегося цемента, должен храниться у потребителя в закрытых складах.

• При транспортировании и хранении камень должен быть защищен от загрязнения посторонними примесями.

Облегчающие добавки

Облегчающие добавки (к тампонажному портландцементу):

• бентониты,
• глины и глинопорошки (или гельцементный раствор) в количествах до 5—12,5% (по массе сухих компонентов),
• диатомит (до 20—50%),
• пемза,
• перлит (до 20%),
• каменный уголь,
• графит,
• промышленные отходы (топливные золы).

Утяжеляющие добавки

Утяжеляющие добавки к тампонажному портландцементу:

• барит,
• магнетит (соотношение с цементом по массе до 1: 1),
• различные металлургические шлаки.

1.5 Показатели качества продукта

Требования к физико-механическим показателям, характеризующим тампонажно-технические свойства цемента типов I-III, приведены в таблицах 5, а цемента типов I-G и I-H — в таблице 6

Таблица 5

Наименование показателя	Значение для цемента при температурах применения
	низких и нормальных	умеренных и повышенных
	тип I, II	тип III-Об	тип I, II	тип III-Об	тип III-Ут
1. Прочность при изгибе, МПа, не менее, в возрасте:
1 сут	—	—	3,5	—	—
2 сут	2,7	0,7	—	1,0	2,0
2. Тонкость помола*:
— остаток на сите с сеткой N 008 по ГОСТ 6613, %, не более	12,0	10,0	15,0	12,0	12,0

270	—	250	—	230
3. Водоотделение, мл, не более	8,7	7,5	8,7	7,5	10,0
4. Растекаемость цементного теста, мм, не менее для цемента:
— непластифицированного	200	—	200	—	—
— пластифицированного	220	—	220	—	—
5. Время загустевания до консистенции 30 Bс**, мин, не менее			90
* Допускается определять тонкость помола для цемента типа I только по удельной поверхности, а для цемента типов II и III-Ут — только по остатку на сите. ** Единицы консистенции Бердена.

Таблица 6

Наименование показателя	Значение для цемента типов I-G и I-H
	не менее	не более
Прочность на сжатие, МПа, через 8 ч твердения при температуре:
38 °С	2,1	—
60 °С	10,3	—
Водоотделение, мл	—	3,5
Консистенция цементного теста через 15-30 мин режима испытания, Вс	—	30
Время загустевания до консистенции 100 Вс, мин	90	120

Показатели качества: сроки схватывания, тонкость помола, подвижность цементно-песчаного раствора, растекаемость цементного теста, гидрофобность, водонепроницаемость, сульфатостойкость, морозостойкость, огнеупорность, коррозиестойкость, содержание в клинкере свободного оксида кальция, щелочных оксидов и нерастворимого остатка, потери массы при прокаливании являются рекомендуемыми.

Основными характеристиками цемента являются:

• Тонкость помола.

Тонкостью помола называется отношение массы остатка при просеивании на сите с ячейками размером на свету 0,2 мм к массе всей навески, выраженное в процентах. По тонкости помола вещества делятся на:

Классы	Индекс	Остаток на сите 0,2 мм, %
Грубый помол	I	23
Средний помол	II	14
Тонкий помол	III	2

• Нормальная густота (водопотребность).

Водопотребность цемента определяется количеством воды (в % от массы цемента), которое необходимо для получения цементного теста нормальной густоты. Нормальной густотой цементного теста считаю такую его подвижность, при которой цилиндр-пестик прибора Вика, погруженный в кольцо, заполненное тестом, не доходит на 5-7 мм до пластинки, на которой установлено кольцо.

• Сроки схватывания.

Для «холодных» скважин: начало схватывания не ранее 2 час, конец не позднее 10 часов. Температура твердения 22±2 ^о С, R_сж не ниже 2,7 МПа через двое суток твердения.

Для «горячих» скважин: начало схватывания не ранее 1ч 45мин, конец схватывания не позднее 4ч 30мин.

Температура твердения — 75±3 ^о С. R_сж не ниже 6,2МПа.

• Активность и марка портландцемента.

Активность и марку определяют испытанием стандартных образцов-балочек размером 4х4х16 см, изготовленных из цементно-песчаной растворной смеси состава 1:3 (по массе) и В/Ц = 0,4 при консистенции раствора по расплыву конуса 106 — 115 мм. Через 28 сут твердения (первые сутки образцы твердеют в формах во влажном воздухе, а затем 27 сут — в воде комнатной температуры), образцы-балочки сначала испытывают на изгиб, затем получившиеся половинки балочек — на сжатие.

Предложены методы определения активности цемента ускоренными методами с пропариванием образцов. Такие методы дают возможность судить о марке цемента уже через 16—38 ч после изготовления.

• Равномерность изменения объема

Вяжущие вещества, в том числе и цементы, при твердении должны характеризоваться равномерностью изменения объема. Цементы с неравномерным изменения объема приводят не только к снижению прочности бетонов при их твердении, но даже к их разрушению. Неравномерность изменения объема цементов может быть вызвана: гидратацией СаОсвоб при содержании его в клинкере более 1,5—2%; гидратацией MgOсвоб., присутствующего в клинкере в виде высокотемпературной медленно гасящейся формы — периклаза; образованием в твердеющем цементе трехсульфатной формы гидросульфоалюмината кальция при повышенном содержании в клинкере С3А и при избыточном введении гипса в портландцемент при его помоле.

Вспомогательными характеристиками цемента являются:

• Плотность и объемная масса.

Плотность портландцемента обычно колеблется в пределах 3,0—3,2 г/см3. Она зависит от минералогического состава клинкера и вида гидравлической добавки.

Плотность играет, важную роль в цементе, применяемом для тампонирования нефтяных и газовых скважин, возведения защитных устройств от радиоактивного излучения. Для её повышения в составе клинкера должно быть больше алюмоферритов (плотность C4AF — 3,77, а плотность С2S — 3,28 г/см3).

Иногда для таких цементов изготовляют специальные клинкера с добавкой ВаО, который реагирует с кремнеземом, образуя 2ВаО*SiO2 (плотность — 5,4 г/см3), обладающий гидравлическими свойствами.

Истинная плотность ПЦ (без минеральных добавок) колеблется в пределах 3,05-3,15 г/см3. Плотность в рыхло насыпном состоянии 1100 кг/м3, а в уплотненном — 1600 кг/м3.

• Тепловыделение.

Гидратация цемента сопровождается определенным тепловым эффектом, величина которого зависит от структуры, минералогического состава цемента, тонкости помола, содержания гипса, активных и инертных добавок. Установлено, что наибольшее количество теплоты выделяется при гидратации С3А, наименьшее — при гидратации C2S.

• Усадка и набухание цементного камня.

В первый период после затворения объем цементного камня несколько уменьшается вследствие испарения воды и седиментации. Затем он набухает. В дальнейшем объемные деформации цементного камня определяются относительной влажностью среды, в которой происходит твердение. Цементный камень набухает при хранении в воде, причем линейные деформации составляют 0,1 — 0,3 мм/м. Через несколько лет набухание стабилизируется. Если же образец высушивают, то он дает усадку. Усадка обратно пропорционально зависит от влажности окружающей среды. Однако, как правило, усадку определяют при относительной влажности 50 — 60 %.

• Трещиностойкость.

С усадкой цементного камня тесно связана и с его трещиностойкость при высыхании. Появление трещин зависит не только от величины усадки, но и от других факторов: предельной растяжимости материала, модуля упругости, величины и формы изделия или образца. Как, правило, цементы с пониженной скоростью твердения обладают большей трещиностойкостью, хотя величина их усадки может быть значительной. Введение в цемент большого количества добавок осадочного происхождении, повышение тонкости помола, увеличение содержания А12О3 и МgO в клинкере снижает его трещиностойкость. Доменные гранулированные шлаки, наоборот, увеличиваю ее.

• Ползучесть.

Ползучестью называется свойство цементного камня или бетона необратимо деформироваться под влиянием длительно действующих в них напряжений, возникающих вследствие внешних нагрузок. В первые 3 — 4 месяца происходит наиболее интенсивный рост деформаций ползучести. Затухает ползучесть через 1 — 2 года. По абсолютной величине деформации ползучести значительно больше усадочных деформаций.

• Водонепроницаемость.

Затвердевший цемент обладает высокой водонепроницаемостью. Водонепроницаемость цементного камня с В/Ц = 0,4 примерно равна водонепроницаемости мрамора, хотя пористость цементного камня составляет около 50 %, а мрамора — около 2 %. При одинаковой степени гидратации и одинаковом В/Ц водонепроницаемость цементного камня не зависит от тонкости помола цемента. С ростом В/Ц водонепроницаемость падает. Особенно резкий спад ее наблюдается при В/Ц > 0,5.

Высокая водонепроницаемость объясняется тонким капиллярным строением и заполнением пор цементным гелем. Высушивание цемента ведет к резкому уменьшению водонепроницаемости, что связано с нарушением тонкой структуры цементного камня.

• Морозостойкость.

Морозостойкость цементного камня — важное свойство, имеющее первостепенное значение при использовании цементных бетонов в гидротехническом, дорожном, водохозяйственном строительстве. При замерзании вода увеличивается в объеме примерно на 9 %. Однако не вся вода, содержащаяся в цементном камне, замерзает одновременно. Сначала при температуре немного ниже 0 °С замерзает вода, находящаяся в пустотах и макропорах цементного камня, так называемая «свободная» вода. Потом замерзает вода в капиллярах, в наиболее тонких из них при — 25 °С. Вода в гелевых порах замерзает при еще более низкой температуре. По данным некоторых исследователей, часть ее не замерзает даже при — 78 °С. Под давлением льда на стенки пор и капилляров цементный камень значительно увеличивается в объеме. Максимальное увеличение объема наблюдается в области температур от — 5 — 20 °С и достигает примерно 1 — 2 мм/м. При попеременном замораживании и оттаивании в цементном камне возникают необратимые линейные деформации.

Методы контроля , Физико-механические

Химический анализ клинкера и цементов — по ГОСТ 5382.

Удельную эффективную активность естественных радионуклидов в цементах определяют по ГОСТ 30108.

1.6 Анализ существующих технологических схем производства продукта

Процесс производства портландцемента складывается из следующих основных технологических операций:

• добыча сырьевых материалов и доставка их на завод;
• дробление и помол сырьевых материалов;
• приготовление и корректирование сырьевой смеси;
• обжиг смеси (получение клинкера);
• помол клинкера с добавками (получение цемента).

Существует несколько способов производства портландцемента:

• сухой
• мокрый
• полусухой
• комбинированный

Выбор способа производства зависит от особенностей приготовления сырьевой смеси. Два основных способа производства портландцемента — мокрый и сухой; они различаются по характеру переработки сырьевых материалов, а так же по физическим свойствам сырьевой смеси, поступающей на обжиг.

Мокрый способ.

При производстве портландцемента мокрым способом применяют следующую технологическую схему. Поступающий из карьера твердый известняк с размерами кусков до 1 м подвергается двух- или трехстадийному дроблению в дробилках с доведением кусков до 8-10 мм. Поступающую из карьера глину с размерами кусков до 500 мм измельчают в вальцовых дробилках до кусков размером 0-100 мм, а затем отмучивают в болтушках. Получаемый глиняный шлам с влажностью 60-70 % подают в сырьевую мельницу где он размалывается совместно с раздробленным известняком. При использовании мягкого известкового компонента (мел, известковый туф и др.) технологическая схема меняется. Мел, раздробленный в вальцовых дробилках вместе с глиной, отмучивается в болтушках, а затем подвергается размолу в мельнице.

Полученный шлам, влажность которого находится в пределах 32-40%, центробежными насосами транспортируется в вертикальные шламовые бассейны, где он корректируется. Это необходимо для того, чтобы обеспечить постоянство заданного заводской лабораторией химического состава шлама. Откорректированный шлам поступает из вертикальных бассейнов в горизонтальные, где и хранится до подачи в печь для обжига. В вертикальных бассейнах шлам перемешивается сжатым воздухом, а в горизонтальных — механическим путем и сжатым воздухом. Перемешивание предотвращает возможность осаждения шлама и позволяет достичь полной его гомогенизации. При использовании сырьевых компонентов, имеющих постоянный химический состав корректирование шлама производят не в вертикальных, а непосредственно в горизонтальных бассейнах большой емкости. Обжиг шлама на клинкер осуществляется во вращающихся печах. Полученный клинкер охлаждается в холодильниках, дробится и подается транспортерами в бункеры цементных мельниц для помола или же направляется на хранение механизированных в механизированный шихтовальный двор. Здесь складируются также гидравлические добавки и гипс, которые по мере надобности подаются в бункеры цементных мельниц для совместного помола с клинкером. Твердое топливо для обжига шлама поступает с шихтовальню двора в дробилку, затем в сепараторные мельницы для одновременной сушки и помола. Приготовленный угольный порошок поступает для сжигания в печь при использовании газообразного или жидкого топлива схема упрощается, так как в этом случае сооружение топливоподготовительного отделения не требуется.

Полученный портландцемент транспортируется из мельниц пневматическим путем в силосы для хранения. После определения качества цемента часть его поступает в упаковочную машину. Здесь он автоматически насыпается в бумажные мешки, которые затем отгружаются с завода железнодорожным, автомобильным или водным транспортом. Остальную часть цемента отправляют навалом в специальных железнодорожных вагонах или в контейнерах цементовозах.

Сухой способ

При производстве портландцемента сухим способом применят следующую технологическую схему. Поступающие из карьера известняк и глину с низкой влажностью после дробления направляются в сырьевую сепараторную мельницу для одновременного помола и сушки. Полученная сухая сырьевая смесь транспортируется пневматическими установками к смесительным силосам, в которых перемешиваются сжатым воздухом и корректируются. При использовании пластичного глинистого компонента сырьевая мука из силосов направляется в смесительные шнеки, где увлажняется 8-10% воды. Затем эта масса поступает на грануляторы, куда одновременно подается добавочная вода. Здесь происходит образование прочных гранул с влажностью 12-14%, поступающих затем в печь на обжиг. При непластичном глинистом компоненте сырьевая мука транспортируется в питательные дозаторы печи непосредственно из смесительных силосов.

Сырьевая смесь может обжигаться в коротких вращающихся печах с запеченными установками различных конструкций или в длинных вращающихся печах. При обжиге в автоматических шахтных печах, на спекательных решетках и во вращающихся печах конвеерными кальцинаторами сырьевая смесь должна подаваться только в виде прочных гранул. Дальнейшие этапы технологической схемы такие же как и при получении цемента по мокрому способу.

При мокром способе легче получить однородную (гомогенизированную) сырьевую смесь. Поэтому при значительных колебаниях химического состава известнякового и глинистого компонента он чаще применяется. Этот способ используют и тогда, когда сырьевые материалы имеют высокую влажность, мягкую структуру и легко диспергируются водой. Наличие в глине посторонних примесей, для удаления которых необходимо отмучивание, также предопределяет выбор мокрого способа. Размол сырья в присутствии воды облегчается, и на измельчение расходуется меньше энергии. Недостаток мокрого способа — значительно больший расход топлива.

Сухой способ производства целесообразен при сырье с относительно меньшей влажностью и более однородным составом. Он же практикуется в случае, если в сырьевую смесь вместо глины вводят гранулированный доменный шлак. Его же применяют при использовании натуральных мергелей и тощих сортов каменного угля с малым содержанием летучих, сжигаемых в шахтных печах. Расход топлива при сухом способе во вращающихся печах гораздо меньше, чем при мокром. Поэтому доля сухого способа производства все возрастает и она должна в ближайшее время значительно увеличиться.

При изготовлении сырьевой смеси по любому способу необходимо стремится к наиболее тонкому помолу, теснейшему смещению сырьевых материалов и к возможно большей однородности сырьевой смеси. Все это гарантирует однородность выпускаемого продукта и является одним из необходимых условий нормальной эксплуатации завода. Резкие колебания химического состава сырьевой смеси нарушают ход производственного процесса. Высокая тонкость помола и совершенное смешение необходимы для того, чтобы химическое взаимодействие между отдельными составными частями сырьевой смеси прошло до конца и возможно в более короткий срок.

1.7 Технологические факторы, влияющие на качество продукта

Качество цемента существенно зависит от химического состава сырьевой смеси, поступающего на обжиг. Однако из-за не однородности сырья химический состав может изменяться. Поэтому необходимо постоянно следить за химическим составом шихты и корректировать его в процессе работы.

Наличие в известковом компоненте большого количества включений кварца или кремниевых прослоек осложняет и удорожает подготовку сырьевой смеси, а так же неблагоприятно отражается на процессе обжига и качества цемента. Известняки с крупными кремниевыми включениями требуют предварительного обогащения.

Сырьевые материалы с высоким содержанием гипса или пирита для производства портландцемента не применяются, так как серного ангидрида в сырьевой смеси должно быть не больше 2%, с тем чтобы его содержание в клинкере не превышало 3%. Превышение этого предела может привести к получению цемента с неравномерным изменением объема в процессе его твердения.

К наиболее реакционноспособным горным породам и минералам относятся опал, халцедон, андезит, риолит, тридимит, а так же кристобалит, кварцевое стекло и некоторые филлиты. При использовании подобных заполнителей суммарное содержание щелочей в цементе ( в пересчете на Na O) не должно превышать 0.6%.

Повышенное содержание щелочей в сырье нарушает нормальное ведение технологического процесса, в особенности при сухом способе производства.

1.8 Правила приемки, маркировки, транспортировки и хранения продукта. Гарантии производителя

Правила приемки, Приемку цемента осуществляют в соответствии с ГОСТ 22236

Приемку цемента производят партиями. Каждая партия должна состоять из цемента одного наименования и марки, изготовленного одним предприятием и оформленного одним документом о качестве.

Объем партии, за исключением отгрузки в судах, не должен превышать вместимости одного силоса, но не более 4000 т. При отгрузке цемента в судах размер партии может превышать вместимость силоса и устанавливается по согласованию изготовителя с потребителем.

Отбор и подготовку проб для проведения приемки цемента изготовителем и проверки его качества потребителем осуществляют по СТ СЭВ 3477.

Приемку цемента техническим контролем предприятия-изготовителя, а, в случае введения на нем Государственной приемки продукции, также Госприемкой производят на основании данных производственного контроля и приемо-сдаточных испытаний.

Производственный контроль включает в себя периодические испытания сырья, полуфабрикатов и цемента, проводимые в объемах и в сроки, установленные действующей на предприятии технологической документацией, в том числе для цементов общестроительного назначения — определение прочности цементов на изгиб и сжатие в 3-суточном возрасте.

По данным производственного контроля назначают вид и марку партии цемента, гарантируемую изготовителем.

Приемо-сдаточные испытания включают испытания цемента каждой партии по всем показателям качества, предусмотренным нормативно-технической документацией (НТД) на цемент.

Партия цемента принимается и может быть отгружена, если результаты приемо-сдаточных испытаний по:

• виду и количеству введенных добавок;
• равномерности изменения объема;
• срокам схватывания;
• тонкости помола;
• содержанию ангидрида серной кислоты (SO ₃ );

• пластичности пластифицированных цементов и гидрофобности гидрофобных цементов;
• содержанию щелочных оксидов в цементах, для которых это требование установлено, удовлетворяют требованиям НТД на цемент конкретного вида.

Перечень приемо-сдаточных испытаний, необходимых для приемки партии, может быть изменен или дополнен в соответствии с требованиями НТД на цемент конкретного вида.

При получении неудовлетворительных результатов приемо-сдаточных испытаний по какому-либо показателю из указанных, проводят по этому показателю повторные испытания цемента удвоенного количества проб.

При получении неудовлетворительных результатов испытаний хотя бы одной из повторных проб, служба технического контроля бракует всю партию цемента.

Цемента, поставляемые на экспорт, повторным испытаниям не подлежат.

Для проверки правильности назначения гарантированной марки цемента предприятие-изготовитель определяет прочность каждой партии цемента в сроки, установленные НТД.

Гарантированную марку цемента по прочности считают подтвержденной, если нижняя доверительная граница предела прочности при сжатии и изгибе в конечные сроки испытания, рассчитанная по результатам испытаний партий данного вида и марки цемента, отгруженных за квартал, при 95%-ной доверительной вероятности, а для цементов марок 500 и выше (за исключением случаев поставки на экспорт) при 90%-ной доверительной вероятности, равна или превышает соответственно значение предела прочности при сжатии и изгибе, установленное НТД на цемент данного вида и марки.

Примечание. Допускается не рассчитывать нижнюю доверительную границу предела прочности при изгибе, если в течение квартала не имелось партий с показателями ниже норматива стандарта.

Результаты расчета среднего квадратического отклонения, нижней доверительной границы и коэффициента вариации цемента каждого вида и марки предприятие-изготовитель фиксирует в журнале приемосдаточных испытаний.

Каждая партия цемента или ее часть, поставляемая в один адрес, должна сопровождаться документом о качестве, в котором должно быть указано:

• наименование предприятия-изготовителя и (или) его товарный знак и адрес;