Планирование и постановка экспериментов в технологии вяжущих материалов

 
 
 
 
 
 
 
Б. Т. Таймасов 
 
 
 
 
 
ПЛАНИРОВАНИЕ И ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ 
В ТЕХНОЛОГИИ ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 

УДК 378:666.9 
ББК 35.41 
Т14 
 
 
 
Рецензенты: 
д. т. н., проф., заведующий НИЛ «Строительные материалы, строительство 
и архитектура» Сарсенбаев Б. К.; 
д. т. н., проф., директор НПО «Химические технологии  
и техника» Бажиров Н. С.; 
к. т. н., доц. ЮКГУ им. М. Ауэзова Дубинина Е. С. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Таймасов, Б. Т.  
Т14  
Планирование и постановка экспериментов в технологии вяжущих 
материалов : учебное пособие / Б. Т. Таймасов. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2024. – 136 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1719-8 
  
Дана оценка химико-минералогического состава и характеристик альтернативного сырья и топлива для получения портландцементного клинкера, методов подбора 
малоэнергоемких составов сырьевых смесей, показана зависимость химико-минералогического состава клинкера от вида сырья и модульных характеристик шихты. Представлены методы приготовления сырьевых шихт, получения цементов, гипсовых, известковых вяжущих материалов, сухих строительных смесей, процессы спекания и 
микроструктура клинкера, пути снижения потребления топлива и энергии при производстве цемента, компоновки оборудования технологических схем энерго- и ресурсосберегающих технологий.  
Для студентов специальности «Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов». 
 
УДК 378:666.9 
ББК 35.41 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1719-8 
” Таймасов Б. Т., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение ....................................................................................................................... 4 
Цели и задачи практических занятий 
........................................................................ 6 
Порядок проведения занятий ..................................................................................... 6 
Практическое занятие № 1. Методы расчетов при получении гипсовых  
вяжущих веществ ........................................................................................................ 7 
Практическое занятие № 2. Составление и описание схемы технологического 
процесса производства гипсовых вяжущих веществ и изделий .......................... 13 
Практическое занятие № 3. Методы расчетов при получении известковых  
вяжущих веществ ...................................................................................................... 24 
Практическое занятие № 4. Составление и описание схемы технологического 
процесса производства строительной негашеной и гидратной извести 
.............. 32 
Практическое занятие № 5. Оценка химико-минералогического состава  
и характеристик альтернативного сырья для получения  
портландцементного клинкера ................................................................................ 40 
Практическое занятие № 6. Расчет и подбор сырьевых смесей  
с углесодержащими и другими отходами для получения клинкера 
.................... 49 
Практическое занятие № 7. Расчет количества жидкой фазы, индекса  
обжигаемости, коэффициента спекаемости сырьевой смеси  
из природного и техногенного сырья 
...................................................................... 55 
Практическое занятие № 8. Компьютерный расчет обжигаемости  
малоэнергоемких сырьевых шихт, коэффициента спекаемости,  
прилипания к футеровке, количества жидкой фазы клинкера  ............................ 61 
Практическое занятие № 9. Альтернативное топливо в производстве  
цементного клинкера ................................................................................................ 73 
Практическое занятие № 10. Пути снижения потребления топлива  
и энергии при производстве цемента ...................................................................... 80 
Практическое занятие № 11. Компоновка оборудования технологической  
схемы завода мокрого способа по энерго- и ресурсосберегающей технологии 
.... 90 
Практическое занятие № 12. Компоновка оборудования технологической  
схемы энерго- и ресурсосберегающей технологии производства цемента  
с утилизацией отходов на заводе сухого способа 
.................................................. 98 
Практическое занятие № 13. Расчет теплового баланса печи  
при использовании энергосберегающей сырьевой смеси 
................................... 103 
Практическое занятие № 14. Технология производства и свойства  
сухих строительных смесей ................................................................................... 113 
Приложения ............................................................................................................. 121 
Приложение 1. Перечень стандартов по цементам и др. строительным  
материалам ............................................................................................................... 121 
Приложение 2. Свойства строительных материалов и термины ....................... 124 
Приложение 3. Перечень основных физических величин, подлежащих  
применению в строительстве ................................................................................. 129 
Приложение 4. Правила написания наименований и обозначений  
производных единиц ............................................................................................... 132 
3

ВВЕДЕНИЕ 
 
Портландцемент – хлеб строительства. В последние годы мировое производство цемента составляет 4,2–4,3 млрд т. Ведущее место по производству цемента в 2017 году занимал Китай – 2,316 млрд т (более 50 %), на втором месте 
находилась Индия – 285,2 млн т. Интенсивно развивается производство цемента и в других странах – России, Казахстане и др. В настоящее время основной 
мировой тенденцией в сфере производства и оборота цемента является приоритет роста и развития мощностей ввиду благоприятного долгосрочного прогноза  
в отношении спроса на цемент.  
В Республике Казахстан выпуск цемента осуществляется на 17 заводах 
полного цикла: 11 заводов современного сухого способа (ТОО «Жамбылская 
цементная производственная компания» Vicat, АО «Карцемент» Steppe Cement, 
АО «Шымкентцемент», ТОО «Каспий Цемент» Хайдельберг Цемент,  
ТОО «Компания Гежуба Шиели Цемент», ТОО «Рудненский цементный 
завод», ТОО «Стандарт Цемент», ТОО «Производственное объединение «Кокше-Цемент», ТОО «Казахцемент», АО «ACIG» (Хантауский цементный завод); 
ТОО «Alacem» (Алматинская обл.), 3 завода мокрого способа производства 
(ТОО «Цементный завод Семей», ТОО «Бухтарминская цементная компания» 
Хайдельберг Цемент, ТОО «Sas-Tobe Technologies») и 3 небольших завода  
с шахтными печами (ТОО «AlmatyCementCompany», ТОО «Жанатасский цементный завод», ТОО «Жамбыл Недр» (завод по производству цемента г. Каратау). 
Ведущие зарубежные производители представлены на казахстанском 
рынке компаниями: 
x Heidelberg (Германия) – ТОО «Бухтарминская цементная компания», 
АО «Шымкентцемент», ТОО «Каспий Цемент»; 
x Vicat (Франция) – ТОО «Жамбылская цементная производственная 
компания»; 
x Steppe Cement (Малайзия) – АО «Central Asia Cement», АО «Карцемент», 
ТОО «Alacem». 
Цемент является основным материалом, используемым для всех сфер 
строительства: промышленного, жилищного, дорожного, аэродромного, гидротехнического, сельскохозяйственного и др. При этом цемент остается относительно простым, универсальным и дешевым материалом для изготовления которого требуется распространенное и довольно доступное сырье. Объём производства цемента в Казахстане имеет тенденцию стабильного роста, выпуск извести, наоборот, снижается (таблица 1). 
Казахстан обладает достаточными сырьевыми ресурсами для обеспечения 
национальных потребностей и экспортным потенциалом. Цемент казахстанских 
производителей в основном экспортируется в соседние страны – Узбекистан, 
Россию, Киргизию. В то же время цемент импортируется из соседних регионов 
в России.  
 
4

Т а б л и ц а  1  
Объемы производства цемента и извести в Республике Казахстан  
за 2016–2020 гг. 
Материал 
Объем производства по годам, млн тонн 
2016 
2017 
2018 
2019 
2020 
Цемент 
9,030 
9,3977 
9,9583 
9,993 
10,8 
Известь 
1,003 
1,048 
0,886 
0,841 
0,678 
 
Учебное пособие по дисциплине «Планирование, постановка экспериментов в технологии вяжущих материалов» предусматривает оценку химикоминералогического состава и характеристик альтернативного сырья и топлива 
для получения портландцементного клинкера, методов подбора малоэнергоемких составов сырьевых смесей, изучение зависимостей химико-мине- 
ралогического состава клинкера от вида сырья и модульных характеристик 
шихты, методы приготовления сырьевых шихт, получения цементов, гипсовых, 
известковых вяжущих материалов, сухих строительных смесей, исследование 
влияния модульных характеристик, тонкости помола сырьевой шихты, температуры обжига на усвоение СаО, процессы спекания и микроструктуру клинкера, на дисперсные характеристики цементов и удельный расход электроэнергии, освоение методики расчетов вредных выбросов клинкерообжигательных  
и известеобжигательных печей.  
Учебное пособие предназначено для студентов ОП 6В07190 – Химическая 
технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов и содержат 
материалы по всем разделам учебной программы «Планирование, постановка 
экспериментов в технологии вяжущих материалов». 
Основные общие требования к практическим занятиям:  
1. Практические занятия проводятся в соответствии с рабочей программой учебной дисциплины и календарно-тематическим планом. 
2. Рекомендуемая литература, данная в методических указаниях, используется для выполнения индивидуального задания и проверки контрольных вопросов. 
3. Студенты должны быть подготовлены к каждому занятию, знать теоретические основы изучаемой темы на основании лекционного материала. 
4. Студенты должны вести себя на занятиях согласно политике курса, 
данной в силлабусе. 
5. Своевременно выполнять выданные задания и активно участвовать  
в коллективной работе и обсуждениях вопросов. 
Результаты работ и вычисления выполняются на листах и предоставляются преподавателю для защиты в течение текущего контроля. 
Методические указания составлены на основании требований МИ ЮКГУ 
«Общие требования к организации, содержанию и проведению практических, 
семинарских и индивидуальных занятий». 
 
 
5

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ 
 
Цель практических занятий – развитие у студентов креативных способностей, творческой активности и независимого мышления, способность использования знаний теоретических основ технологических процессов для практических производственных расчетов.  
Задачи практических занятий: 
1. Развитие творческой активности и самостоятельности студентов, их 
интереса к научной работе. 
2. Закрепление, углубление и расширение знаний химической технологии, изучаемой на лекционных занятиях. 
3. Обучение практическим расчетам технологических параметров процесса получения силикатных материалов и изделий. 
4. Приобретение умений и навыков использования современных теоретических и научно-технических методов и устройств в решении конкретных 
практических задач. 
5. Вовлечение студентов в решение учебно-практических задач с использованием вычислительной техники. 
6. Обучение студентов анализу данных литературных источников. 
 
ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЗАНЯТИЙ 
 
Требования для выполнения практических занятий: 
1. Выдача студенческого задания. 
2. Обсуждение цели и задачи к практическим занятиям, связанных с другими дисциплинами. 
3. Проверка готовности студентов к занятиям: наличие учебно-спра- 
вочной литературы, методических указаний для самостоятельной работы и 
практических занятий, знание теоретических основ по теме практического занятия (на основе лекционного материала). 
4. Обсуждение алгоритма решения контрольных задач. 
5. Обсуждение и сравнение результатов решения задач, выводы. 
6. Оценка работы каждого студента согласно графика контроля знаний 
студента (силлабус), принимая во внимание участие студента в аудиторной работе. 
7. Выдача задания на следующее занятие. 
 
 
 
 
 
 
 
 
6

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 1 
 
Тема: «Методы расчетов при получении гипсовых вяжущих веществ» 
 
Цель занятия – обучить студентов методам расчета при получении гипсовых вяжущих материалов, освоить процессы получения, гидратации и твердения вяжущих.  
 
Теоретические основы занятия 
 
Гипсовые вяжущие вещества получают из природного гипса CaS04 Â  
 2Н2О и природного ангидрита CaSО4 (рисунок 1 и 2). На основе этих минералов можно получить ряд различных вяжущих. 
Строительный или полуводный гипс – это вяжущий материал, быстро 
твердеющий на воздухе. Он получается из природного гипса путем нагревания 
до 150–160 °С. При этом происходит частичная дегидратация гипса до полуводного 
 
CaSО4 Â 2Н2О = CaSО4 Â 0,5Н2О + 1,5Н2О. 
 
Полученный продукт дробится и размалывается до порошкообразного состояния. Он представляет собой быстротвердеющее воздушное вяжущее, при 
смешивании с водой происходит его гидратация 
 
CaSО4 Â 0,5Н2О + 1,5Н2О = CaSО4 Â2Н2О. 
 
 
 
Рисунок 1. Природный двуводный гипс (гипсовый камень) 
7

 
 
Рисунок 2. Ангидрит 
 
Эта реакция заложена в основе твердения строительного гипса. Различают три стадии твердения гипсового вяжущего. 
1 стадия – стадия растворения. Твердый СaSO4 Â 0,5Н2О взаимодействует с водой, образуя насыщенный раствор полуводного гипса, который 
быстро гидратируется, т. е. Переходит в СaSO 4 Â 2Н2О. Растворимость СaSO 4 Â  
 2Н2О значительно меньше растворимости СaSO 4  0,5Н2О, поэтому двуводный 
гипс выделяется в коллоидно-дисперсном состоянии в виде мельчайших, постепенно растущих кристаллов. Это состояние неустойчиво и непродолжительно. Затворенная масса пластична некоторый промежуток времени. Растворимость СaSO 4 Â 0,5Н2О уменьшается с повышением температуры. 
2 стадия – стадия схватывания, которая характеризуется дальнейшей 
кристаллизацией СaSO 4 Â 2Н2О. Одновременно происходит рост частиц: кристаллы и растут, и переплетаются между собой. В результате жидкая фаза загустевает, подвижность уменьшается. Пластичность теста понижается, и масса 
схватывается, но заметной прочностью пока не обладает. По времени эта стадия непродолжительная (не более 30 минут). 
3 стадия – стадия твердения. В этот период масса высыхает, происходит рост и сращивание множества кристаллов CaSО4 Â 2Н2О. Материал приобретает не только форму, но и прочность. Эта стадия более продолжительна, чем 
стадия схватывания. 
Во время гидратации полуводного гипса влажная масса увеличивается в 
объеме примерно на 1 %. Поскольку масса пластична, то за счет этого хорошо 
заполняются мельчайшие детали форм. 
К ценным свойствам гипса относятся: быстрое схватывание, возможность 
получения отливок с гладкими поверхностями, изделий с четкими формами, 
белый цвет. 
Большим недостатком гипса является его низкая водостойкость, а следовательно, и плохая морозоустойчивость влажных гипсовых изделий. 
 
 
8

Применяется гипс для изготовления несгораемых плит, идущих на перегородки и внутреннюю облицовку стен, при штукатурных работах (в смеси с 
известью и песком). Из гипса производят и другие архитектурно-декоративные 
украшения. 
Ангидритовый цемент является медленносхватывающимся, медленнотвердеющим воздушным вяжущим. Его получают из двух видов сырья – гипса и ангидрита. В первом случае обжигают гипс при 600–700 °С  
 
CaSО4 Â 2Н2О = CaSО4 + 2Н2О. 
 
Полученный продукт перемешивают вместе с активизаторами – добавками NaHSО4, FeSО4, Na2SО4, ускоряющими процесс гидратации, который 
протекает по реакции  
 
CaSО4 + 2Н2О = CaSО4 Â 2Н2О. 
 
Ангидритовый цемент можно изготовить также из природного ангидри- 
та CaSО4, подсушенного или обожженного. 
Ангидритовый цемент используется для производства шлакобетонных 
сплошных и пустотелых камней, бетонных полов для кирпичной кладки, для 
производства теплоизоляционных материалов. 
Высокообжиговый гипс (эстрих-гипс) является разновидностью ангидритовых цементов. Его получают обжигом природного гипса или ангидрита 
при 800–1000 °С с последующим тонким измельчением. Этот продукт содержит безводный гипс, а также небольшое количество свободного СаО, который 
при столь высоких температурах получается по реакции 
 
2CaSО4 = 2СаО + 2SО2 + О2. 
 
Эстрих-гипс применяют при замешивании кладочных и штукатурных 
растворов, для изготовления мозаичных полов, искусственного мрамора и т. д. 
Изделия из высокообжигового гипса по сравнению с изделиями из строительного гипса обладают более высокой морозостойкостью, водостойкостью, 
меньшей склонностью к пластической деформации. 
В продуктах гидратации под микроскопом часто можно увидеть игольчатые или плотные кристаллы с характерным «гипсовым углом» (см. рисунок 3). 
Гипсовый строительный материал должен под микроскопом показывать сочетание сильного срастания и овойлачиваемости дигидратных кристаллов.  
 
9

 
 
Рисунок 3. Типичные формы проявления гипсовых кристаллов в строительных материалах: 
игольчато вытянутый (слева) или же плотный габитус (облик) (справа) 
 
Пример 1. Вычислить количество гипсового камня, необходимое для получения 700 кг полуводного гипса. 
Решение. Полуводный гипс получают в ходе химической реакции  155 °С 
 
CaSО4 Â 2Н2О = CaSО4 Â 5Н2О+1,5Н2О. 
М(CaSО4 Â  2Н2О) = 172,13 г/моль. 
М(CaSО4 Â 0,5Н2О) = 145,13 г/моль. 
 
Исходя из закона эквивалентов, можно составить пропорциональное 
соотношение 
 
172,3–145,13 
Х – 700 
 
Х = 
 ଵ଻ଶ,ଷ ή ଻଴଴
ଵସହ,ଵଷ = 831 кг. 
Ответ: 831 кг. 
 
ЗАДАНИЯ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ В АУДИТОРИИ 
 
Задача 1. Проанализировать различные виды гипсовых вяжущих веществ. Написать и обсудить реакции получения низкообжиговых, высокообжиговых гипсовых вяжущих и ангидритового цемента.  
 
Задача 2. Проанализировать процессы гидратации различных гипсовых 
вяжущих веществ. Написать и обсудить реакции процессов гидратации и твердения. Описать формы гипсовых кристаллов, образующихся в процессе гидратации в строительных изделиях. 
10