Proiectare fabrică ciment Portland normal

1. Compozitia chimica si mineralogica a cimentului portland :

Traditional lianti anorganici reprezinta substante minerale in forme pulverulente cu sau fara adaosuri care amestecate cu apa sau alte lichide prezinta proprietatea de a se intarii, fie in mediu umed (lianti hidraulici), fie in medui aerian (lianti aerieni), fie in ambele conditii.

Lianti sunt sisteme disperse eterogene solid – lichid ai caror componenti intra in interactie fizico – chimica, formand o masa lucrabila, care in conditii determinate se transforma intr-un corp intarit, rezistent.

Cimentul este un liant hidraulic fin macinat, care amestecat cu apa, formeaza o pasta ce se intareste in timp datorita reactiilor si proceselor de hidratare ce au loc in sistem. Acest liant reprezinta unul dintre materialele indispensabile pentru realizarea constructiilor de orice tip : drumuri, poduri, aeroporturi, constructii civile.

Cimentul portland este liantul mineral cu cea mai larga intrebuintare datorita proprietatilor sale chimice si fizico-mecanice deosebite. Prin compozitia si prin caracteristicile sale, cimentul portland este de mai multe tipuri.

Cimentul portland unitar se obtine prin macinarea fina, cu adaos de ghips, a clincherului rezultat prin arderea pana la vitriificare a unui amestec artificial sau natural de calcar si argila sau alte materii prime de compozitie similara.

Clincherul de ciment portland reprezinta semifabricatul care se obtine prin arderea la temperatura putin mai superioara temperaturii de topire (~1450ºC ) a unui amestec de materii prime care aduc oxizi: CaO, Al2O3, Fe2O3, SiO2.

Amestecul contine calcar si agila sau marna precum si adaosuri de corectie, cenusa de pirita. Componentul mineralogic majoritar este CaO (>60%); SiO2 ; Al2O3 ; Fe2O3 ; proportii reduse de oxizi alcalini si MgO.

Din punct de vedere mineralogic clincherul contine 3 faze principale cristaline la care se adauga faza vitroasa si anumiti componenti minori.

Fazele principale au fost denumite la inceput ca :

- Alit

- Belit

- Celit.

Faza alitica reprezinta pana la 70% din compozitia clincherului. Compozitia

alitului contine C3S precum si solutii solide ale lui cu MgO, Al2O3 2-3%.

Este componentul valoros din clincherul si cimentul portland pentru ca C3S este foarte reactiv fata de apa si asigura dezvoltarea de rezistente mecanice bune atat initial cat si la perioade mari de timp.

C3S este caracterizat din punct de vedere structural printr-o structura insulara in care fractiunile tetraedrice [SiO4]4- nu sunt asociate, sunt izolate. Aceasta structura contribuie la o buna reactivitate fata de apa a C3S.

Din punct de vedere termic C3S este stabil la < 2150ºC :

1250ºC < C3S < 2150ºC

- la temperatura de 2150ºC se topesc prin descompunere;

- la temperaturi < 2150ºC se descompune cu formare de C2S si CaO.

Faza alitica se formeaza mai greu la temperaturi > 1350ºC in prezenta fazei lichide.

Faza belitica reprezinta in clincherul portland ~ 15 - 30% si aduce ca principal compus C2S.

C2S prezinta o strucura insulara izolata, insa spre deosebire de C3S, structura C2S este compacta si lipsita de cavitatii. Acesta reactioneaza foarte lent cu apa, poate contribui doar la rezistente mecanice la termene de intarire a cimentului portland.

C2S prezinta mai multe forme polimorfe stabile la diferite temperaturi :

Stabilitatea la temperatura normala a β – C2S se face prin :

o racirea rapida a clincherului astfel incat sa se evite temperaturi sub 500ºC cand are loc transformarea β → γ .

o prin aceasta se poate stabili β – C2S si α – C2S.

o transformarea β → γ fenomenul de pulverizare, marire de volum.

o introducerea in amestecul de materii prime a unor substante care sa aduca ioni capabili sa formeze grupari tetraedrice [ MO4]x- cu volumul mai < decat volumul [SiO4]4-.

Din punct de vedere mineralogic se prezinta sub forma de cristale rotunjite care pot avea striatii pe suprafata lor.

Dupa aspect, belitul prezinta trei forme:

• belit I – sub forma de cristale rotunde cu striatii in doua directii si contine α’H si α – C2S, rezultate la racirea brusca de la temperaturi ridicate.

• belit II – prezinta cristale cu striatii dupa o singura directie si contine α’L si α –C2S.

• belit III – prezinta cristale lipsite de striatii, cuprine forma polimorfa β – C2S.

Faza celitica din punct de vedere compozitional este o faza ferit aluminatica reprezentand solide C6A2F -------- C2F. Poate contine C4AF, C6AF2 – componenti intermediari.

Faza celitica impreuna cu faza vitroasa umple spatiile dintre alit si belit. Poate imbraca partial cristalele fata de apa a acestora.

Se poate considera urmatoarea serie :

C6A2F > C4AF > C6AF2 > C2F

Pe langa aceste faze, clincherul contine faza vitroasa si o serie de componenti minori : C3A, C12A7; CaO liber; compusi cu alcali.

1. C3A – apare ca un compus bine definit, cristalizand in sistem cubic si ortorombic. Reactioneaza violent cu apa si nu da rezistente mecanice foarte bune.

2. C12A7 – apare in clincherele slab bazice frecvent in cele mineralizate cu CaF. In atmosfera ele absorb usor apa si ca urmare exista intr-o varianta partial hidratata.

3. CaO liber – reprezinta calcea care nu reactioneaza cu SiO2, Al2O3, Fe2O3 in procesele de ardere ale clincherului. El se caracterizeaza printr-o reactivitate mica datorita unui grad de supraardere la 1450ºC. CaO reactiv → 900 - 1100ºC.

Calcea libera se hidrateaza lent, intarziat dupa ce cimentul care-l contine nu se mai intareste. Hidratarea provoaca tensiunii interne care afecteaza durabilitatea. CaO liber se limiteaza la 2% sau 1% in clincherele speciale (cimentul cu rezistente suplimentare, clincherele albe).

4. Faza vitroasa – rezulta in clinchere in timpul racirii bruste prin solidificarea topiturii formate. Proportia de faza vitroasa este influentata de caracteristica compozitionala a clincherului si a vitezei de racire. Reprezinta cca. 20 -22%.

5. Compusi cu alcalii ( R2O ) – pot fi de natura diferita functie de proportia de oxizi alcalini si continut de SO3 din amestecul de materii prime.

2. Compozitia oxidica a clincherului de ciment portland :

Compozitia oxidica a clincherului de ciment portland variaza intre urmatoarele limite :

Oxizi Compzitii oxidice

CaCO3 75 – 90%

SiO2 20 – 25%

Al2O3 4 – 7%

Fe2O3 2 – 6%

MgO 4 – 5%

Clincherul de ciment portland poate fi incadrat esential in sistemul cuaternar CaO – Al2O3 – Fe2O3 – SiO2. Sunt definite doua subsisteme de echilibru fazal care cuprind :

a. C3S – C2S – C3A – C4AF – cuprinde clinchere portland normale (MAl > 0.64).

b. C3S – C2S – C4AF – C2F – cuprinde clinchere fero- portland care contin C2F (MAl<0.64).

Se aleg compozitiile oxidice ale cimentului Portland conform tabelului urmator :