Ενότητα 2 η Σύνθεση Μείγματος Πρώτων Υλών στην παραγωγή κλίνκερ. Τεχνολογία Παραγωγής Τσιμέντου και Σκυροδέματος

Τεχνολογία Παραγωγής Τσιμέντου και Σκυροδέματος Διδάσκων: Κωνσταντίνος Γ. Τσακαλάκης Καθηγητής Ε.Μ.Π. Ενότητα 2 η Σύνθεση Μείγματος Πρώτων Υλών στην παραγωγή κλίνκερ

Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

Μεθοδολογία προσδιορισμού της αναλογίας των πρώτων υλών (1/14) 3 Στο παρόν κεφάλαιο εξετάζεται η μεθοδολογία προσδιορισμού της αναλογίας των πρώτων υλών που θα χρησιμοποιηθούν με στόχο την παραγωγή τσιμέντου συγκεκριμένου τύπου, δηλαδή τσιμέντου που θα παρουσιάζει συγκεκριμένη συμπεριφορά κατά την ενυδάτωσή του και θα προσδίδει σε βάθος χρόνου κατάλληλες ιδιότητες στο σκυρόδεμα για το οποίο θα χρησιμοποιηθεί. Ως δεδομένα χρησιμοποιούνται η χημική και ορυκτολογική σύσταση των δεδομένων πρώτων υλών και ο τύπος του τσιμέντου που επιδιώκεται να παραχθεί. Ο τύπος του τσιμέντου εκφράζεται από τους δείκτες ποιότητας του κλίνκερ που έχουν καθιερωθεί διεθνώς. Επίσης, γίνεται διερεύνηση της επίδρασης των τιμών των δεικτών ποιότητας του κλίνκερ στη διαδικασία σύνθεσης της μέσης τροφοδοσίας και προκύπτουν χρήσιμα συμπεράσματα.

Μεθοδολογία προσδιορισμού της αναλογίας των πρώτων υλών (2/14) 4 Για την παραγωγή τσιμέντου συγκεκριμένου τύπου, δηλαδή τέτοιου ώστε να παρουσιάζει συγκεκριμένη συμπεριφορά κατά την ενυδάτωσή του και να προσδίδει κατάλληλες ιδιότητες στο σκυρόδεμα ή τα κονιάματα για τα οποία χρησιμοποιείται, είναι απαραίτητη η παραγωγή κλίνκερ τσιμέντου με ορισμένα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά (ορυκτολογική σύσταση κλπ.). Τα χαρακτηριστικά όμως του κλίνκερ εξαρτώνται από τις πρώτες ύλες που επιλέγονται, από την αναλογία τους στο μείγμα και από την πυρομεταλλουργική κατεργασία στην οποία υποβάλλονται. Το μείγμα των πρώτων υλών (τροφοδοσία), εκτός των άλλων, πρέπει να έχει την κατάλληλη μέση χημική και ορυκτολογική σύσταση, ώστε μετά την πυροσυσσωμάτωσή τους το κλίνκερ να παρουσιάζει ορισμένη σύσταση στα κύρια οξείδια CaO, SiO 2, Al 2 O 3 και Fe 2 O 3 που εμφανίζονται στο κλίνκερ υπό τη μορφή των ενώσεων (φάσεων) C 3 S, C 2 S, C 3 A και C 4 AF.

Μεθοδολογία προσδιορισμού της αναλογίας των πρώτων υλών (3/14) 5 Η ποσοστιαία % σύσταση του κλίνκερ στις ενώσεις αυτές επηρεάζει, σε συνδυασμό με το βαθμό λεπτότητας (Blaine fineness) κατά την άλεση, τη φυσικοχημική συμπεριφορά του τσιμέντου που θα παραχθεί και καθορίζουν τα πεδία εφαρμογής του (καταλληλότητα) για ορισμένες χρήσεις. Εδώ αναπτύσσεται η μεθοδολογία και ο τρόπος προσδιορισμού της αναλογίας των πρώτων υλών υπό «στατικές» συνθήκες (steady state conditions) με στόχο την παραγωγή του τσιμέντου συγκεκριμένου τύπου. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται το μαθηματικό λογισμικό Mathcad, το οποίο επιτρέπει τη διεξαγωγή των διαφόρων υπολογισμών με μεγάλη ταχύτητα και ακρίβεια.

Μεθοδολογία προσδιορισμού της αναλογίας των πρώτων υλών (4/14) 6

Μεθοδολογία προσδιορισμού της αναλογίας των πρώτων υλών (5/14) 7 Πίνακας 2.1 Σύσταση διαφόρων τύπων τσιμέντων κατά το Αμερικανικό Πρότυπο ASTM C 15.

Μεθοδολογία προσδιορισμού της αναλογίας των πρώτων υλών (6/14) 8 Τύπος τσιμέντου κατά ASTM Χημική σύσταση κλίνκερ % Φάσεις κλίνκερ, % CaO Al 2 O 3 Fe 2 O 3 SiO 2 SO 3 Free CaO C 3 S C 2 S C 3 A C 4 AF I 1 63.8 5.6 2.4 2.7 1.6.4 55 18 11 7 I Ι 2 63.1 4.7 3. 22.1 1.7.2 47 28 7 9 I 3 65.8 4.7 2.1 22.2 1.6 1.6 54 23 9 6 I 4 62.8 6.7 2.5 21.1 1.8 2. 33 35 14 8 II III IV V II 1 61.4 4.8 4.8 2.8 1.8.9 44 26 5 15 II 2 64.9 4. 2.1 24. 1.7 1.5 41 38 7 6 III 1 65.6 5.2 2.5 2. 2.3 1.8 63 1 1 8 III 2 63.3 5.1 2. 2.3 2.5 1.9 51 19 1 6 IV 1 59.6 4.6 5. 22.9 1.3.4 25 47 4 15 IV 2 63.6 3.7 3.1 25.2 1.9.4 31 49 5 9 V 1 64.3 3.1 3.3 24.4 1.4.5 45 36 3 1 V 2 63.3* 3.3 4.7 23.1 1.7. 49 3 1 14 Πίνακας 2.2 Σύσταση διαφόρων τύπων αμερικανικών τσιμέντων Portland.

Μεθοδολογία προσδιορισμού της αναλογίας των πρώτων υλών (7/14) 9 Πίνακας 2.3 Τυπικές τιμές των δεικτών SR, AR, L eq και του LSF για την ανάμειξη των πρώτων υλών προς παραγωγή τσιμέντων του αμερικανικού πρότυπου του Πίνακα 4.1.

Μεθοδολογία προσδιορισμού της αναλογίας των πρώτων υλών (8/14) 1 Πίνακας 2.4 Τυπική ανάλυση τροφοδοσίας πρώτων υλών για την παραγωγή κοινού τύπου τσιμέντου (OPC, Ordinary Portland Cement) κατά ASTM.

Μεθοδολογία προσδιορισμού της αναλογίας των πρώτων υλών (9/14) 11 Εάν θεωρηθεί ότι αναμειγνύονται Ν πρώτες ύλες και ότι η χημική τους σύσταση στα τέσσερα οξείδια είναι γνωστή, τότε οι τιμές των αντίστοιχων περιεκτικοτήτων είναι: Πίνακας 2.5 Σχέση πρώτων υλών-περιεκτικοτήτων.

Μεθοδολογία προσδιορισμού της αναλογίας των πρώτων υλών (1/14) 12 T N N c c c c c 3 3 2 2 1 1 T N N s s s s s 3 3 2 2 1 1 T N N a a a a a 3 3 2 2 1 1 T N N f f f f f 3 3 2 2 1 1 T N 4 3 2 1

Μεθοδολογία προσδιορισμού της αναλογίας των πρώτων υλών (11/14) 13 c1 s1 a1 f1 1 c2 s2 a2 f2 1 c3 s3 a3 f3 1 c4 s4 a4 f4 1 tot 1 tot 2.8xLSF 1 tot 1.18xLSF SR 1 tot x.65xlsf SR AR x 1 2 3 4 c = s a f tot

Ιδιότητες των τσιμέντων 17 Παρακάτω περιγράφονται οι βασικές ιδιότητες των τσιμέντων οι οποίες επηρεάζουν τη συμπεριφορά τους στις διάφορες χρήσεις (π.χ. παρασκευή σκυροδέματος), όπως επίσης και τα διάφορα πρότυπα που έχουν καθιερωθεί και εφαρμόζονται για τον έλεγχό τους. Ιδιότητες τσιμέντου που ελέγχονται: 1. Κοκκομετρία ή λεπτότητα (Fineness) 2. Υγεία (Soundness) 3. Συνεκτικότητα ή Συνάφεια (Consistency) 4. Χρόνος πήξης (Setting time) 5. Αντοχή σε θλίψη (Compressive strength) 6. Θερμότητα ενυδάτωσης (Heat of Hydration)

Κοκκομετρία ή λεπτότητα (Fineness) (1/3) 18 Η λεπτότητα του τσιμέντου επιδρά στην θερμότητα που απελευθερώνεται όπως επίσης και στο ρυθμό (ταχύτητα) ενυδάτωσης. Σήμερα η λεπτότητα του τσιμέντου εκφράζεται από την κοκκομετρική του ανάλυση και από τον αριθμό Blaine (ειδική επιφάνεια) σε μονάδες m 2 /kg ή cm 2 /g και αντιπροσωπεύει τη συνολική εξωτερική επιφάνεια των τεμαχιδίων που περιέχονται σε μάζα 1 kg ή 1 g τσιμέντου. Είναι προφανές ότι, όσο μεγαλύτερη είναι η λεπτότητα του τσιμέντου τόσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα της ενέργειας που έχει καταναλωθεί για την παραγωγή του (μεγαλύτερη διάρκεια άλεσης του κλίνκερ, άρα και κατανάλωση ενέργειας στο μύλο).

Κοκκομετρία ή λεπτότητα (Fineness) (2/3) 19 Η μεγαλύτερη λεπτότητα τσιμέντου αυξάνει την ταχύτητα ενυδάτωσης, λόγω μεγαλύτερης επιφάνειας αντίδρασης με το νερό, και έτσι επιταχύνεται η ταχύτητα ανάπτυξης αντοχής, ιδιαιτέρως τις πρώτες 7 ημέρες. Η λεπτότητα του τσιμέντου προσδιορίζεται με τις παρακάτω μεθόδους: α) agner turbidimeter σύμφωνα με το πρότυπο ASTM C 115 β) Blaine air-permeability test (σύμφωνα με το πρότυπο ASTM C 24) γ) Με προσδιορισμό μέσω κοσκίνισης του κλάσματος 45μm (325 mesh) [σύμφωνα με το πρότυπο ASTM C 43].

Κοκκομετρία ή λεπτότητα (Fineness) (3/3) 2 Σχήμα 2.1 Κοκκομετρική σύσταση τσιμέντων του Ευρωπαϊκού προτύπου.

Καμπύλες κοκκομετρικών αναλύσεων τσιμέντου ως συνάρτηση λεπτότητας & αντιστοιχία σε Blaine (cm 2 /g) 21 Σχήμα 2.2 Καμπύλες κοκκομετρικών αναλύσεων τσιμέντου ως συνάρτηση της λεπτότητας και αντιστοιχία τους σε μονάδες Blaine (cm 2 /g).

Υγεία (Soundness) 22 Είναι η ικανότητα της σκληρυμένης τσιμεντόπαστας να διατηρεί τον όγκο της μετά την πήξη. Ένα τσιμέντο χαρακτηρίζεται ως μη «υγιές» εάν, μετά την πάροδο κάποιου χρόνου από τη χρήση του, εμφανίσει καταστροφική για το σκυρόδεμα διόγκωση (expansion) που προκαλεί διάρρηξη της κατασκευής. Η διόγκωση οφείλεται στην παρουσία περίσσειας οξειδίων του ασβεστίου και μαγνησίου (ελεύθερη άσβεστος, CaO και μαγνησία, MgO) που κατά την ενυδάτωση δημιουργούν υδροξείδια με παράλληλη αύξηση του όγκου της τσιμεντοκονίας. Η «υγεία» ελέγχεται με: α) Επιταχυνόμενη δοκιμή κατά Le-Chatelier (BS 455 : Part 3) β) Δοκιμή διόγκωσης σε αυτόκλειστο (ASTM C 151)

Συνεκτικότητα ή Συνάφεια (Consistency) 23 Περιγράφει την ιδιότητα της τσιμεντοκονίας να ρέει. Προσδιορίζεται με την συσκευή Vicat και δίνει το ποσοστό % του προστιθέμενου νερού για την παρασκευή τσιμεντόπαστας (τσιμεντοκονίας), η οποία επιτρέπει τη βύθιση του εμβόλου της συσκευής κατά 1 mm ± 1 mm.

Setting time (Χρόνος πήξης) (1/2) 24 Το χρονικό διάστημα που μεσολαβεί μεταξύ της έναρξης ανάμιξης του τσιμέντου με το νερό και της σκλήρυνσης της τσιμεντόπαστας (χρόνος «απώλειας» της πλαστικότητάς της) καλείται χρονικό διάστημα πήξης (setting time period). Ανάλογα με τον τύπο του χρησιμοποιούμενου τσιμέντου, τις ιδιότητές του και τα χημικά πρόσθετα, το χρονικό διάστημα πήξης της τσιμεντόπαστας κυμαίνεται μεταξύ 2 και 1 ωρών. Ο χρόνος πήξης προσδιορίζεται σύμφωνα με το πρότυπο ASTM C 15 και πρέπει να βρίσκεται μεταξύ των ορίων του προτύπου. Για τον προσδιορισμό του χρησιμοποιούνται η συσκευή Vicat ή η «βελόνα» Gillmore (ASTM C 266).

Setting time (Χρόνος πήξης) (2/2) 25 Ο αρχικός χρόνος πήξης αφορά στη βύθιση της βελόνας σε ύψος 5 mm από τον πυθμένα και είναι περίπου 6 min, ενώ ο τελικός χρόνος αντιστοιχεί στο χρόνο κατά τον οποίο δημιουργείται αποτύπωμα πάνω στην επιφάνεια χωρίς να μπορεί να βυθιστεί η βελόνα και αντιστοιχεί περίπου σε 1 ώρες (από την έναρξη της ανάμιξης νερού-τσιμέντου) για τα κοινά τσιμέντα Portland. Η ρύθμιση του χρόνου πήξης του τσιμέντου πετυχαίνεται με τη χρήση της γύψου κατά την άλεση του κλίνκερ. Ο χρόνος πήξης επίσης επηρεάζεται από: τη λεπτότητα (κοκκομετρία) του τσιμέντου, το λόγο /C (νερό/τσιμέντο) και ελέγχεται με χρήση χημικών πρόσθετων (admixtures).

Αντοχή σε θλίψη (compressive strength) (1/2) 26 Η αντοχή σε θλίψη είναι σημαντική ιδιότητα του τσιμέντου και προσδιορίζεται σύμφωνα με το πρότυπο ASTM C 19 σε κύβους πλευράς 2 inch (5.8 mm), που παρασκευάζονται από τσιμεντοκονία με συγκεκριμένο τύπο άμμου και συντηρούνται με προκαθορισμένο τρόπο. Η αντοχή σε θλίψη του σκυροδέματος εξαρτάται από τον τύπο τσιμέντου ή ακριβέστερα από τη σύσταση του τσιμέντου στις φάσεις C 3 S, C 2 S, C 3 A και C 4 AF και από τη λεπτότητά του (Blaine fineness). Γενικώς, οι αντοχές του τσιμέντου που υπολογίζονται σε κύβους τσιμεντοκονίας δεν αντιστοιχούν στις αντοχές του σκυροδέματος, που θα παραχθεί, εξαιτίας των διαφορών στα χαρακτηριστικά των αδρανών του σκυροδέματος, της σύνθεσης του σκυροδέματος και των διαδικασιών παρασκευής των δοκιμίων.

Αντοχή σε θλίψη (compressive strength) (2/2) 27 Σχήμα 2.3 Ρυθμός απόκτησης της θλιπτικής αντοχής 28 ημερών ως συνάρτηση των διαφόρων τύπων χρησιμοποιούμενων τσιμέντων του Αμερικανικού προτύπου.

Θερμότητα ενυδάτωσης (Heat of Hydration) (1/2) 28 Η θερμότητα ενυδάτωσης είναι η θερμότητα που απελευθερώνεται κατά την αντίδραση τσιμέντου και νερού. Η ποσότητα αυτή εξαρτάται κυρίως από την περιεκτικότητα του τσιμέντου σε C 3 S και C 3 A που ευθύνονται για τη μεγάλη ποσότητα εκλυόμενης θερμότητας. Ο λόγος /C, η λεπτότητα και η θερμοκρασία συντήρησης επηρεάζουν επίσης τη θερμότητα ενυδάτωσης. Αύξηση των παραπάνω παραγόντων αυξάνει τη θερμότητα ενυδάτωσης. Σε ογκώδη έργα (μεγάλος όγκος σκυροδέματος) ο ρυθμός και η ποσότητα της θερμότητας που εκλύεται είναι καθοριστικής σημασίας επειδή, αν η εκλυόμενη θερμότητα δεν απάγεται γρήγορα, προκαλεί αύξηση της θερμοκρασίας της μάζας του σκυροδέματος, γεγονός που προξενεί προβλήματα για τη συνέχιση των αντιδράσεων ενυδάτωσης.

Θερμότητα ενυδάτωσης (Heat of Hydration) (2/2) 29 Επίσης, ο μη ελεγχόμενος (απότομος) ρυθμός μείωσης της θερμοκρασίας του σκληρυμένου σκυροδέματος στη θερμοκρασία περιβάλλοντος δημιουργεί ανεπιθύμητες εσωτερικές τάσεις λόγω θερμικής συστολής. Αφ ετέρου όμως, η αύξηση της θερμοκρασίας, εξαιτίας των αντιδράσεων ενυδάτωσης, έχει ευεργετικά αποτελέσματα σε εξωτερικό περιβάλλον χαμηλών θερμοκρασιών, επειδή εξασφαλίζει ευνοϊκές συνθήκες συντήρησης (αύξησης της αντοχής με την πάροδο του χρόνου δηλ. συνέχιση των αντιδράσεων ενυδάτωσης του τσιμέντου). Η θερμότητα ενυδάτωσης ελέγχεται από το πρότυπο ASTM C 186.

Ποσότητες θερμότητας (συγκριτικά) 3 Κατά προσέγγιση οι ποσότητες θερμότητας που εκλύονται κατά τις πρώτες 7 ημέρες για τους διάφορους τύπους τσιμέντων, συγκρινόμενες με αυτή (1%) του κοινού τσιμέντου Portland (Type I) είναι: Type I Κοινό (OPC) 1% Type II Ενδιάμεσο 8-85% Type III Υψηλής αρχικής αντοχής έως 15% Type IV Χαμηλής θερμότητας ενυδάτωσης 4-6% Type V Ανθεκτικό σε θειϊκά 6-75%

Κατάλογος Αναφορών Πινάκων 31 Πίνακας 2.1 Σύσταση διαφόρων τύπων τσιμέντων κατά το Αμερικανικό Πρότυπο ASTM C 15, Kosmatka, Steven H.; Kerkhoff, Beatrix; and Panarese, illiam C.; Design and Control of Concrete Mixtures, EB1, 14th edition, Portland Cement Association, Skokie, Illinois, USA, 23. Πίνακας 2.2 Σύσταση διαφόρων τύπων αμερικανικών τσιμέντων Portland., SME, 1985, Mineral Processing Handbook, Edited by N.L. eiss, S.. MUDD SERIES, New York. Πίνακας 2.3 Τυπικές τιμές των δεικτών SR, AR, L eq και του LSF για την ανάμειξη των πρώτων υλών προς παραγωγή τσιμέντων του αμερικανικού πρότυπου (ASTM) του Πίνακα 4.1. Συμπλήρωση του πίνακα που ελήφθη από «SME, 1985, Mineral Processing Handbook, Edited by N.L. eiss, S.. MUDD SERIES, New York». Πίνακας 2.4 Τυπική ανάλυση τροφοδοσίας πρώτων υλών για την παραγωγή κοινού τύπου τσιμέντου (OPC, Ordinary Portland Cement) κατά ASTM. Lea s Chemistry of Cement and Concrete, 1998, 4th Edition, Edited by P.C. Hewlett, Arnold, London. Πίνακας 2.5 Σχέση πρώτων υλών και αντίστοιχων περιεκτικοτήτων. Source: Schofield G. C., 198, Homogenisation/Blending Systems Design and Control for Mineral Processing, Series on Bulk Materials Handling Vol. 2, Trans Tech Publications.

Κατάλογος Αναφορών Σχημάτων 32 Σχήμα 2.1 Κοκκομετρική σύσταση τσιμέντων του Ευρωπαϊκού προτύπου, 5 Bautechnische Eigenschaften des Zements, https://www.vdzonline.de/fileadmin/gruppen/vdz/3literaturrecherche/kompendiumzementbeton/1-5_bautechn_eigensch.pdf Σχήμα 2.2 Καμπύλες κοκκομετρικών αναλύσεων τσιμέντου ως συνάρτηση της λεπτότητας και αντιστοιχία τους σε μονάδες Blaine (cm 2 /g), Forschungsinstitut der Zementindustrie, Zemente mit mehreren Hauptbestandteilen; Untersuchungen zur Optimierung von Herstellung und Eigenschaften, AIF-Forschungsvorhaben 13198N, 24, http://www.vdzonline.de/downloads/aif13198n/13198n.pdf Σχήμα 2.3 Ρυθμός απόκτησης της θλιπτικής αντοχής 28 ημερών ως συνάρτηση των διαφόρων τύπων χρησιμοποιούμενων τσιμέντων του Αμερικανικού προτύπου, Relative strength development of portland cement mortar cubes as a percentage of 28-day strength. Mean values adapted from Gebhardt 1995, in Design and Control of Concrete Mixtures, EB1, 14th edition, PCA, Skokie, Illinois, USA, 23.

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.