Цемент - сообщение доклад по химии 9 класс

Содержание

Слайд 1

Иванова Виктория. 9а.
Слайд 2

Цемент известен с 1822 года. Егор Челиев, русcкий строитель, методом смешивания глины и извести получил материал с вяжущими свойствами. По происшествии нескольких лет он выпустил книгу, в которой описал процесс приготовления цементных материалов и бетона, а также все преимущества использования их при кладке кирпичей в строительстве набережных и зданий.
Слайд 3

Англичанин Д. Аспинд в 1824 году получил на изготовление цемента патент. Он предложил изготавливать цемент следующим образом: нужно смешать глину и известковую пыль и эту смесь подвергнуть обработке при высокой температуре. Получился серый материал (клинкер). Его необходимо было измельчить до мелкого помола и смешать с водой. При высыхании получался материал высокой прочности. Этот материал назвали портландцемент. В городе Портланд добывали камень, похожий по своей прочности и цветом на цемент, который был получен Аспиндом.
Слайд 4

Романцемент — преобладание белита, в настоящее время не производится;
Портландцемент — преобладание алита, наиболее широко распространён в строительстве;
Глинозёмистый цемент — преобладание алюминатной фазы;
Магнезиальный цемент (Цемент Сореля) — на основе магнезита, затворяется водным раствором солей;
Смешанные цементы — цементы, получаемые путём смешения вышеприведенных цементов с воздушными вяжущими, минеральными добавками и шлаками, обладающими вяжущими свойствами.
Кислотоупорный цемент — на основе гидросиликатанатрия, сухая смесь кварцевого песка и кремнефтористого натрия затворяется водным раствором жидкого стекла.
Слайд 5

В подавляющем большинстве случаев под цементом имеют в виду портландцемент и цементы на основе портландцементного клинкера. В конце ХХ века количество разновидностей цемента составляло около 30. По прочности цемент делится на марки, которые определяются главным образом пределом прочности при сжатии половинок образцов.

Марки выражаются в числах М200 — М600. Цемент с маркой 600 благодаря своей прочности называется «военным» или «фортификационным» и сто́ит заметно больше марки 500. Применяется для строительства военных объектов, таких как бункеры, ракетные шахты и так далее. Также по прочности в настоящее время цемент делится на классы. Основное отличие классов от марок состоит в том, что прочность выводится не как средний показатель, а требует не менее 95 % обеспеченности.
Слайд 6

Производство.

Цемент получают тонким измельчением клинкера и гипса. Клинкер — продукт равномерного обжига до спекания однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины определённого состава, обеспечивающего преобладание силикатов кальция.

При измельчении клинкера вводят добавки: гипс СaSO4∙2H2O для регулирования сроков схватывания, до 15 % активных минеральных добавок для улучшения некоторых свойств и снижения стоимости цемента.
Слайд 7

Обжиг сырьевой смеси проводится при температуре +1450…+1480С в течение 2—4 часов в длинных вращающихся печах. внутренними теплообменными устройствами, для упрощения синтеза необходимых минералов цементного клинкера. В обжигаемом материале происходят сложные физико-химические процессы.

Посмотреть все слайды

Как готовят цемент на производстве

Основными веществами, из которых производят цемент, являются известняк и глина. Из этих двух составляющих специальным образом готовят клинкер, который впоследствии смешивается с прочими добавками, определяющими качество, марку и свойства раствора. Среди обязательных добавок присутствуют: гипс, доломит, цементит.

Этапы производства цемента.

В природе имеется клинкер в чистом виде — мергель, но из-за небольших запасов этого минерала, использовать его в промышленных масштабах не получается, поэтому отечественные и зарубежные производители готовят клинкер из традиционных материалов.

Мергель.

Производство цемента разбито на следующие этапы:

Для подготовки клинкера необходимо тщательно смешать ингредиенты в специальных барабанах большой емкости.
На следующем этапе подготовленная масса поступает в печь, где происходит обжиг в течение 3-4 часов при температуре близкой к полутора тысячам градусов. В результате образуется клинкер в виде небольших фракций (до 5 см в диаметре).

Обжиг шлама.

Далее, полученные зерна клинкера измельчают в барабанах с использованием шаровых грохотов. В процессе обработки материала необходимо добиться порошкообразного состояния смеси.
На заключительном этапе в готовый цемент добавляют необходимые присадки и отправляют на расфасовку по мешкам или хопрам.

Существует три способа изготовления цемента. Они различаются приемами обработки клинкера.

Мокрый способ. Выработка клинкера производится с использованием воды, мела и глины. В результате смешивания веществ в барабане образуется влажная масса – шихта. Ее отправляют на обжиг, после чего полученные гранулы измельчают и смешивают с необходимыми добавками. Данный метод считается довольно затратным, поэтому в настоящее время чаще используют другие способы.
Сухой способ. Позволяет сократить этап смешивания готовой смеси с добавками, так как весь процесс сводится к подготовке, дроблению и смешиванию уже готовых ингредиентов. Данная технология становится все более популярной, так как позволяет существенно сократить затраты на производство и конечную цену продукта.
Комбинированный способ. В данной технологии используются различные формы производства клинкера, сочетающие в себе этапы производства, применяемые при сухом и мокром способах.

Типы цемента по сфере использования

Как мы уже замечали ранее, на качество цементной смеси влияют разные добавки. От этого зависит его сфера применения и прочность. К примеру, морозостойкие образцы применяются в строительстве жилых домов и строений на территориях с суровым климатом, в сейсмически опасных зонах применяются добавки, увеличивающие параметры клейкости смеси. Они, в свою очередь, не дают бетонным конструкциям растрескиваться.

Самая популярная марка цемента с прочностью 400 кг/см³, или М400. Её используют для проведения самых различных строительных работ

Чаще всего в цементную смесь добавляют разные добавки, процентное содержание которых может достигать 10 и 20%. Для возведения монолитных зданий использую цемент марки М500. У такого материала более высокая скорость застывания и прочность. Обычно именно из такой цементной смеси возводят перекрытия и несущие конструкции.

Виды производства

Кремний используют в составе песка (SiO₂), глины и других природных материалов для изготовления прочных материалов – цемента, стекла, керамики. В таблице кратко описаны изготовление и использование материалов.

Материал	Сырьё	Использование
Стекло (Na₂O ∙ CaO ∙ 6SiO₂)	Сода, известняк, белый песок. Сырьё спекают в специальных печах. Процесс состоит из трёх этапов: – Na₂SiO₃ + CaSiO₃ + 4SiO₂ → Na₂O ∙ CaO ∙ 6SiO₂. Могут добавляться дополнительные соединения для придания прочности или, наоборот, пластичности и хрупкости. Например, поташ К₂СО₃, добавленный вместо соды, делает стекло жаропрочным. Добавление оксидов придаёт стеклу окраску: CoO – синюю, Cr₂O₃ – зелёную, MnO₂ – красную	Изготовление стеклянных листов для окон, нитей для оптоволокна, посуды
Керамика	Глина, состоящая из кристаллов каолинита Al₂O₃ ∙ 2SiO₂ ∙ 2Н₂О. Сначала глину готовят для формовки, смешивая её с водой. Затем придают форму изделиям, обсушивают и обжигают	Производство кафеля, кирпичей, посуды
Цемент	Глина, известняк. Получившуюся после спекания массу размалывают в порошок, который при смешивании с водой образует цемент	Изготовление строительного материала – щебня, бетона, железобетона

Рис. 3. Производство стекла.

Кремний используется в производстве фотоэлементов, транзисторов, диодов, микросхем. Элемент добавляют при производстве стали для повышения прочности.

Что мы узнали?

Из урока химии 9 класса узнали об особенностях кремния и его соединений, а также о производстве материалов на основе кремния. Кремний в природе находится в составе песка, глины, известняка. Эти природные материалы используются в качестве сырья для изготовления стекла, цемента, керамики. Кремний также применяется в производстве электроники и электротехники.

/5

Вопрос 1 из 5

Из чего делают цемент: основное сырье

Основным сырьем при цементном производстве являются породы из глины и карбоната, а также другие материалы, имеющие естественное происхождение, и отходы производств, такие как шлаки.

Физические свойства этих пород сильно влияют на качество произведенного цемента. Породы, имеющие кристаллическую структуру, хуже вступают во взаимодействие с остальными компонентами во время обжига, если сравнивать с породами, у которых аморфная структура. Свойства этих пород следующие:

Мел — это мягкая порода осадочного типа, которая представляет из себя известняк с мажущей способностью. Мел можно без труда измельчить. Этот материал — важный компонент при создании цементной смеси.
Мергель — порода осадочного происхождения, находящаяся между известью и глиной по своим свойствам. Бывает как в твердом, так и рыхлом состоянии. Плотность и влажность этой породы различаются зависимо от того, какой процентный состав глины в нее входит.

При изготовлении цемента используются такие породы, как: глина, лесс, глинистый сланец и суглинки лессовидного типа. Эти материалы со следующими свойствами:

Глины являются породами осадочного типа, которые включают минералы с различными свойствами, при смачивании они становятся пластичными и набухают. Если изготавливать цемент с помощью сухого метода, пластифицирующая способность глины дает возможность гранулировать муку и создавать брикеты. Суглинок — это обыкновенная глина, в которую попали частицы пыли и песка.
Глинистый сланец — порода с высокой плотностью и твердостью. Пластинки, из которых состоит эта порода, имеют небольшую толщину. По сравнению с глиной сланцы не такие влагоемкие и имеют более стабильный состав.
Лесс состоит из мельчайших частиц минералов, таких как кварц, полевой шпат, имеет высокую рыхлость, пористость и невысокую пластичность. Между суглинком и лессом по свойствам находится лессовидный суглинок.

Состав

Вы когда-нибудь размышляли о том, из чего делают цемент? Его состав зависит от особенностей сырья и марки раствора. К примеру, в один из самых популярных на строительном рынке «Портландцемент» входят такие вещества:

На 25% он состоит из кварца
На 60% — из извести
5% — алюминий (глинозем)
10% занимают оксиды железа и гипс.

Состав цемента

По большей части при изготовлении раствора используются карбонатные и глинистые соединения. Существует множество видов этого строительного материала. Различные технологии производства и марки данного продукта обычно отличаются только процентным смещением в ту или другую сторону его составляющих.

Отдельные виды, шлакопортландцемент, например, содержит в составе угольный шлак: продукт, образующийся в результате обжигания клинкера.

Вне зависимости от рецепта, неизменные компоненты цемента — известняк и глина. При этом содержание известняка допускается не менее, чем в три раза, выше глины, чтобы достичь необходимого высокого уровня качества клинкера для производства цемента.

Основные ингредиенты цемента:

Клинкер. Он определяет прочностные свойства цемент и является результатом обжигания глино-известянковой смеси. Клинкер — это основа конечной продукции, используется он в гранулированном виде (диаметр гранул варьируется от 10 до 60 мм). Термическая обработка клинкера происходит при средней температуре 1500 градусов по Цельсию. При его плавлении образуется масса, которая в большом количестве сдержит диоксид кальция и кремнезем. Именно они в будущем будут определять эксплуатационные характеристики цементной массы. Далее гранулы раздавливаются до порошкообразного состояния и обжигаются.
Гипс. Процент содержания гипса в цементном составе определяет период твердения конечного продукта. Классическая рецептура предусматривает использование до 6% этого компонента.
Специальные добавки, используемые для усиления имеющихся свойств или придания составу специальных характеристик, расширяющих сферу применения. К примеру, марка 400 используется для заливки фундамента и сооружения балок перекрытий в высотных зданиях. Также очень часто цемент применяют в строительстве для создания бетонированный конструкций и различной арматуры.

Химический состав цемента

Итак, мы знаем, из чего состоит цемент, но за счет чего получают разные виды этого строительного материала? Дело в том, что свойства сортов цемента зависят от пропоций перечисленных компонентов, а также от различных минеральных добавок, влияющих на его химический состав.

Для примера рассмотрим составные части портландцемента, который более всего востребован в строительной промышленности:

CaO — это формула оксида кальция, более известный нам как негашеная известь — его минимальная доля в цементе 62%;
SiO2 – диоксид кремния или кремнезем — не менее 20%;
Аl2O3 – оксид алюминия или глинозем — не менее 4%;
Fe2O3 — оксид железа, магнитный железняк — 2%;
MgO — оксид магния или жженая магнезия — 1%.

Оставшаяся процентная доля — это дополнительные присадки, которые вводятся в состав цемента для достижения требуемых характеристик.

Теперь вернемся к основным компонентам цемента и рассмотрим их более детально:

клинкер — основной ингредиент при производстве любого цемента. Это смесь известняка и глины, взятых в пропорции 3:1. Именно такое соотношение дает нужную прочность готовому материалу. Сырье нагревают при температуры почти 15000 до тех пор, пока оно не начнет плавиться и образовывать отдельные частицы. Диаметр этих гранул — от 1 до 6 см. Они содержат около 5% глинозема и 3% оксида железа. Клинкерные частицы для дальнейшей обработки дробятся в мельчайшую пыль;

гипс — компонент, влияющий на скорость твердения цемента, а также на его прочность, усадку. Максимальное содержание гипса в цементной смеси — 6%.

Среди смесей можно выделить несколько наиболее известных и востребованных в разных областях строительства.

Портландцемент

Это цемент на клинкерной основе с добавлением силикатов кальция и других веществ. Используется для изготовления бетона и железобетона разной скорости твердения.

Сульфатостойкий

Главная характеристика этого вида — стойкость к воздействию кислот, солей, других химических соединений. Из бетона на основе сульфатостойкого цемента можно, например, отливать сваи для различных построек. Их не будут разрушать грунтовые воды, агрессивные элементы почвы. Мосты, насосные станции, водозаборные сооружения также строят с помощью сульфатостойких смесей.

Пуццолановый

Имеет сходство с сульфатостойким, но включает большое количество активных добавок (до 35%). Чрезвычайно устойчив к воздействию воды, поэтому широко используется для подводного, подземного строительства, сооружения шлюзов, тоннелей, шахт и т. д.

Глиноземистый

Как можно понять из названия, в этом составе повышено содержание глинозема, поэтому такая смесь быстро набирает прочность как на воздухе, так и в воде. Глиноземистый цемент используют для ремонтных работ (например, быстрой заделки трещин или пробоин), срочной починки дорог, скоростного зимнего строительства.

Кислотоупорный

Применяется в химической промышленности — для изготовления резервуаров, облицовки оборудования. Состоит из веществ, не поддающихся влиянию кислот, разводится натриевым или калиевым жидким стеклом. От постоянного действия воды разрушается, поэтому требует специальных гидрофобных присадок.

Пластифицированный

Производится с добавлением специальных веществ, замедляющих схватывание раствора, делающих его более текучим. Такой цемент требует меньше воды при замешивании, а значит, бетон на его основе получается более прочным. К тому же этот вид обладает повышенной стойкостью к низким температурам, коррозии.

Как делают цемент

Как и из чего делают цемент на заводе, в общих чертах поясняет схема:

Согласно ей, изготовление цементой смеси происходит по следующей технологии:

Добыча и измельчение горных пород, из которых формируется клинкер. Он, как мы уже знаем, состоит на ¾ из глины, а на ¼ — из известняка. Проще всего использовать мергель, который имеет тот же состав. Но, во-первых, это ископаемое бывает разных видов и не каждый из них подходит для производства клинкера. Во-вторых, запасы мергеля в природе ограничены, а на его образование уходят миллионы лет. Поэтому чаще всего основные компоненты цемента добывают по отдельности и смешивают на заводах в нужной пропорции.
Тщательно измельченную смесь помещают внутрь печи, где при температуре около 1500оС она обжигается в течение 4 часов. К концу обработки достигается эффект гранулирования подплавленной массы.
Далее полученные гранулы охлаждают и измельчают до состояния порошка с помощью специальных барабанов. Однородность помола достигают, просеивая порошок через сито с определенным размером ячеек.
Перемолотый клинкер смешивают с другими ингредиентами, после чего отправляют на фасовку и хранение. Эта технология производства цемента остается неизменной для всех способов его изготовления.

А вы знаете: Отмостка вокруг дома — своими руками из бетона

Сухой способ

Это сравнительно быстрый и экономичный способ производства цемента. Он делится на несколько этапов:

Добытое сырье в непрерывном режиме доставляется на завод, где измельчается несколькими дробилками.
Затем получившиеся гранулы сушат, чтобы упростить следующие этапы.
Просушенные частицы глины и известняка смешивают в нужной пропорции и перемалывают, получая цементную муку.
Порошок помещают в печь, где обжигается, не спекаясь.
После этого цемент фасуют в мешки или на специальных машинах отправляют на складирование.

Изготовление сухим способом подходит для однородного сырья с низкой влажностью. При этом не требуется больших энергозатрат на просушивание компонентов.

Мокрый способ

Если в производстве цемента используется влажный материал или ингредиенты требуют тщательного перемешивания, применяют мокрый способ.

Клинкер готовят, добавляя в воду глину и известняк. Получается кашеобразная вязкая масса — шлам.
Насосами его перекачивают в печной цех, где шлам отправляется на обжиг. Печь представляет собой длинное вращающееся сооружение. Там материал оплавляется и превращается в клинкер.
Гранулы после обжига охлаждаются, дробятся и перемалываются вместе с гипсом и остальными добавками.
На заключительном этапе цемент фасуется и готовится с складированию.

Мокрый способ позволяет сэкономить энергию при смешивании сырья, так как это легче делать в полужидком состоянии. Однако при обжиге шлама расходуется гораздо больше топлива, чем при работе с сухими гранулами. Поэтому мокрое производство цемента получается более дорогим.

Способы производства цемента

Сегодня существует 4 способа производства цемента.

Сухой

Технология заключается в следующем:

· исходное сырьё дробят, а затем просушивают;

· полученную смесь измельчают в порошок;

· её помещают во вращающуюся печь и обжигают;

· полученная смесь охлаждается и фасуется.

Эта технология отличается минимальной себестоимостью и трудозатратами, поскольку здесь все технологические процессы объединены вместе.

Мокрый

В качестве исходного сырья выступает шихта с влажностью до 50%. Главная особенность метода заключается в том, что известь заменяют мелом, а в процессе изготовления добавляют воду. В итоге получается сырьевой шлам. Его помещают в печь, где обжигают. После обжига смесь охлаждается и измельчается. На завершающем этапе добавляют пластификаторы и другие примеси.

Комбинированный метод

Данный способ объединил в себе обе технологии. Итоговая смесь имеет полусухой состав с влажностью 18%.

Сама технология заключается в следующем:

· по мокрой технологии получают сырьевой шлам;

· его высушивают и прессуют в гранулы;

· их помещают в печь для обжига.

Итоговое сырье охлаждается и фасуется.

Бесклинкерный

Существует еще один способ изготовления цемента – это бесклинкерный метод. В качестве исходного сырья используется доменный либо гидравлический шлак. Его смешивают с добавками, дробят и перетирают до состояния порошка.

Данная технология имеет несколько преимуществ:

· исключается загрязнение окружающей среды, поскольку используются отходы металлургической отрасли;

· можно изготавливать продукцию с различными свойствами;

· готовый продукт устойчив к негативному влиянию окружающей среды;

· минимальные затраты при производстве цементного продукта.

Химический состав цемента

Цемент состоит из следующих компонентов:

· известь. Оксид кальция, CaO. В цементном порошке содержится до 60% извести;

· кремниевый диоксид. SiO2. Около 20% от общего объёма;

· алюминий (глинозем, Al2O3). Его количество не превышает 4% от общего объема всей смеси;

· гипс и оксиды железа (Fe2O3). Около 2% от всего объёма сухого вещества;

· оксид магния оксид (MgO). Содержится около 1% данного вещества.

Указанный состав и количество всех этих компонентов характерно для портландцемента. Однако при необходимости его состав может изменяться, поэтому не существует точной или универсальной химической формулы цементного продукта.

Основной элемент любого цементного порошка – это клинкер. Это продукт, полученный путём обжига глины и известняка. После того, как смесь прошла термическую обработку (температура обжига составляет 1500 градусов), клинкер измельчают до гранул, размер которых составляет от 10 до 60 миллиметров.

После измельчения клинкер смешивают с различными добавками:

· гипс. От его количества зависят сроки схватывания бетона;

· корректирующие добавки – это присадки, пластификаторы и другие элементы. Их количество не превышает 20% от общего объема цементного порошка.

Для приготовления клинкера могут использоваться различные горные породы:

· карбонатные. Имеют кристаллическую либо аморфную структуру. Её выбор определяет эффективность взаимодействия порошка с другими компонентами;

· осадочные породы. Это глина с минеральной основой. При повышенной влажности она начинает разбухать (увеличиваться в объёме) и становится пластичной. Главная особенность – это высокий показатель вязкости.

Карбонатные породы

Для производства цементного порошка используются различные породы:

· мергель. Содержит в своём составе небольшое количество глины;

· мел. Вид мажущегося известняка. Он легко перетирается;

· ракушечник. Имеет пористую структуру, которая начинает разрушаться даже под незначительными сжимающими нагрузками;

· доломит. Обладает прекрасными физическими свойствами, благодаря чему выделяется среди других карбонатных пород.

Глинистые породы

Для изготовления цемента применяют:

· глину. Вид глинистой породы с минеральными включениями;

· лёсс. Отличается пористой структурой. Порода достаточно рыхлая и разрушается при попадании на нее воды. Имеет мелкие зёрна в своем составе, также лёсс может иметь включения силиката или кварца;

· суглинок. Отличается большим содержанием пылеобразных частиц;

· глинистый сланец. Отличается повышенной прочностью (выше, чем у других глинистых пород). При измельчении сланец преобразуется в пластинчатые частицы. Материал содержит минимальное количество влаги. Имеет стабильный гранулометрический состав.

Корректирующие добавки

Чтобы корректировать цемент, в его состав добавляют различные минеральные добавки. К примеру, модификаторы, изготовленные на базе ископаемых. Они содержат в себе следующие элементы:

· железо;

· плавиковый шпат;

· апатиты;

· глинозём.

Также в качестве корректирующих добавок могут выступать некоторые промышленные отходы: пиритные огарки, минерализаторы, пыль из доменных печей. Все эти добавки улучшают качество цемента и, как следствие, качество самих бетонных конструкций.

Химический состав

Многие люди знают, из чего состоит цемент, однако существует несколько видов этого материала. На вопрос о том, почему получается разный материал, и зависит ли он от химического состава цемента, ответ – да. Пропорции перечисленных ниже элементов, дополнительные смеси и химические добавки влияют на состав получившегося материала, тем самым создавая множество видов цемента.
Существует вид смеси под названием «портландцемент». Это самый необходимый и востребованный строительный материал в быту. Он состоит из:

CaO – в научной или промышленной деятельности – оксид кальция – 62%;
SiO2 – в быту – кремнезем, примерно 20%;
Al2O3 – в быту – глинозем, не менее 4%;
Fe2O3 – в быту – железняк, научно – оксид железа – плюс/минус 2%;
MgO – в быту – жженая магнезия, научно – оксид магния – примерно 1%.

Описанные пять элементов занимают минимум 89%. Оставшиеся 11 % — это дополнительные химические добавки, которые позволяют достичь нужную человеку характеристику (например, пластичность достигается за счет пластификатора).
Наравне с химическими формулами, существуют базовые заготовки для строительного материала:

Клинкер – нужен для создания водостойкости, морозостойкости, высокой прочности. Состоит из известняка и глины. Заготовку нагревают до температуры в 1450 – 1500 градусов Цельсия. Оно должно начать плавиться и образовывать капсулы (гранулы). После проделанной процедуры полученный материал измельчают в пыль и добавляют в будущую строительную смесь. В основном, от этого материала зависит плотность цемента.
Гипс — элемент, также влияющий на прочность, плотность цемента, скорость его застывания. В конечном строительном материале доля гипса не должна превышать 6%.
Прочие химические добавки, с помощью которых получают отдельные виды.