Гипсовые вяжущие вещества

В зоне экзотермических реакций  обжигаемая масса, передвигаясь, быстро нагревается от 1100 до 1300°С, при этом образуются более основные соединения: трех-кальциевый алюминат ЗСаО-А12О3(С3А), четырехкальциевый алюмоферрит 4CaO-Al2O3-Fe2O3(C4AF), но часть оксида кальция еще остается в свободном виде. Обжигаемый материал агрегируется в гранулы.

В зоне спекания при 1300...1450 °С обжигаемая смесь частично расплавляется. В  расплав переходят С3А, C4AF, MgO и  все легкоплавкие примеси сырьевой смеси. По мере появления расплава в нем растворяются C2S и СаО и, вступая во взаимодействие друг с другом, образуют основной минерал клинкера — трехкальциевый силикат 3CaO-SiO2(C3S), который плохо растворяется в расплаве и вследствие этого выделяется из расплава в виде мелких кристаллов, а обжигаемый материал спекается в кусочки размером 4...25 мм, называемые клинкером. 

В зоне охлаждения (заключительная стадия обжига) температура клинкера понижается с 1300 до 1000 °С, происходит окончательная фиксация его структуры и состава, включающего C3S, C2S, C3A, C4AF, стекловидную фазу и второстепенные составляющие.

По выходе из печи клинкер необходимо быстро охладить в специальных холодильниках, чтобы предотвратить образование в нем крупных кристаллов и сохранить в не-закристаллизованном виде стекловидную фазу. Без быстрого охлаждения клинкера получится цемент с пониженной реакционной способностью по отношению к воде.

После выдержки на складе (1...2 недели) клинкер превращают в цемент путем  помола его в тонкий порошок, добавляя небольшое количество двуводного гипса. Готовый портландцемент направляют для хранения в силосы и далее на строительные объекты.

Сухой способ производства цемента значительно усовершенствован. Наиболее энергоемкий процесс — декарбонизация сырья — вынесен из вращающейся печи в специальное устройство — декарбонизатор, в котором он протекает быстрее и с использованием теплоты отходящих газов (5.3). По этой технологии сырьевая мука сначала поступает не в печь, а в систему циклонных теплообменников, где нагревается отходящими газами и уже горячей подается в декарбонизатор. В декарбонизаторе сжигают примерно 50 %  топлива, что позволяет почти полностью завершить разложение СаСО3. Подготовленная таким образом сырьевая мука подается в печь, где сжигается остальная часть топлива и происходит образование клинкера. Это позволяет повысить производительность технологических линий, снизить топливно-энергетические ресурсы, примерно вдвое сократить длину вращающейся печи, соответственно улучшить компоновку завода и занимаемой им земельной территории.

В СССР создана низкотемпературная солевая технология производства цемента, базирующаяся на открытии советских  ученых. Сущность открытия заключается  в установлении нового явления —  образования высокоосновного силиката кальция — алинита, близкого по составу к алиту в области температур 9ОО...11ОО°С, т. е. значительно ниже температур кристаллизации трехкальциевых силикатов — алитов. Алинит, являющийся основной вяжущей фазой портландцементных клинкеров нового типа, обусловливает их высокую гидравлическую активность. Вхождение анионов хлора в структуру является обязательным условием образования алинита и клинкеров нового типа. Введение в шихту, например, 10... 12 % СаС12 сопровождается образованием хлоркальциевого расплава при чрезвычайно низких температурах (600...800 С), что смещает все основные реакции образования минералов в область температур 1000... 1100 "С и позволяет получать клинкер при пониженных температурах.

Внедрение новой технологии позволит сократить удельные расходы топлива, резко повысить производительность печей и помольного оборудования.

Состав порландцемента.

Портландцементный клинкер состоит  из ряда искусственных минералов, образовавшихся при обжиге.

Ориентировочное содержание основных четырех минералов в портландцементном клинкере составляет '(% по массе): алит 3CaO-SiO2(C3S) —- 40...65, белит 2CaO-SiO2(C2S) — 15...40, целит ЗСаО-А12О3(С3А) — 5...15, целит 4СаО-Al2O3-Fe2O3(C4AF) — 10...20.

Исследования цементного клинкера под микроскопом показывают, что в нем преобладают кристаллы алита и белита, между которыми размещается промежуточное вещество, состоящее из алюминатов и алюмоферритов кальция в кристаллической форме, а также незакристаллизованного стекла и оставшихся в свободном состоянии СаО и MgO. 

Трехкальциевый силикат (алит) — главный минерал цементного клинкера — обладает большой активностью в реакции с водой, особенно в начальные сроки (величина тепловыделения к 3 сут достигает примерно 2/з от тепловыделения при полной гидратации). Алит быстро твердеет и набирает высокую прочность.

Двухкальциевый силикат (белит) значительно менее активен, чем алит. Тепловыделение белита при полной гидратации примерно в 2 раза меньше, чем у алита, и к 3 сут составляет около 10 % от тепловыделения при полной гидратации. Твердение белита происходит медленно. К месячному сроку продукт его твердения обладает сравнительно невысокой прочностью, но при длительном твердении (несколько лет) в благоприятных условиях (при положительной температуре и влажной среде) его прочность неуклонно возрастает.

Трехкальциевый алюминат — самый активный клинкерный минерал, отличающийся быстрым взаимодействием с водой. Его тепловыделение при полной гидратации почти в 2 раза больше, чем у алита, а за 3 сут составляет не менее 80 % от общего тепловыделения. Однако продукт его твердения имеет повышенную пористость, низкие прочность и долговечность. Быстрое твердение С3А вызывает раннее структурообразование в цементном тесте и сильно ускоряет сроки схватывания (всего до нескольких минут). Если не ввести добавку гипса, то получается цемент «быстряк», бетонные смеси на котором из-за преждевременного схватывания не успевают хорошо перемешать и уложить в форму.

Четырехкальциевый алюмоферрит характеризуется умеренным тепловыделением и по быстроте твердения занимает промежуточное положение между трехкальцие-вым и двухкальциевым силикатами. Прочность продуктов его гидратации в ранние сроки ниже, чем у алита,-и несколько выше, чем у белита.

Располагая данными о минеральном  составе клинкера и зная свойства клинкерных минералов, можно заранее предопределить основные свойства цемента и особенности его твердения в различных условиях эксплуатации.  

Нежелательными составными частями  клинкера являются свободные оксиды кальция и магния. Их вредное влияние проявляется в том, что они гидратируются очень медленно в уже затвердевшем цементе (см. с. 133). Содержание свободных СаО и MgO в клинкере допускается соответственно не более 1 и 5 % 

В клинкере могут быть также щелочные оксиды №гО и КгО, перешедшие в него из сырьевых материалов и золы твердого топлива. Их вредное влияние может проявиться в тех случаях, когда бетон изготовлен на заполнителях, содержащих опаловидный кремнезем. Щелочи, реагируя с диоксидом кремния, образуют в водной среде водорастворимые силикаты калия и натрия с увеличением объема, что вызывает растрескивание бетона. Содержание Na2O и КгО в цементах для таких бетонов ограничивается до 0,6 %.

Свойства портландцемента

К основным свойствам  портландцемента (ГОСТ 10178—85) относятся тонкость помола, водопотребность, сроки схватывания, равномерность изменения объема и прочность (марка): цемента. При необходимости оценивают и другие свойства: плотность и насыпную плотность, тепловыделение, стойкость в различных условиях среды и т. п. 

Тонкость помола — один из факторов, определяющих быстроту твердения и  прочность цементного камня. Обычный  портландцемент измельчают довольно тонко  — остаток на сите № 008 (4900отв/см2) не должен превышать 15%, что соответствует  удельной поверхности цемента 2500...3000 ем2/г. 

Водопотребность портландцемента  характеризуется  количеством воды (% массы цемента), которое необходимо для получения цементного теста нормальной густоты, т. е. заранее заданной стандартной пластичности, определяемой погружением в тесто цилиндра пестика прибора Вика. Водопотребность зависит от минерального состава и тонкости помола цемента и колеблется в пределах 22...26 %. 

Сроки схватывания и равномерность  изменения объема цемента определяют на тесте нормальной густоты. Начало схватывания цементного теста должно наступать не ранее 45 мин, а конец схватывания — tie позднее 10 ч. Сроки схватывания определяют с помощью прибора Вика путем погружения иглы этого прибора в тесто нормальной густоты. Для получения нормальных сроков схватывания при помоле клинкера вводят добавку двуводного гипса, а в случае необходимости — специальные добавки— замедлители или ускорители схватывания.

Процесс твердения цементного камня сопровождается объемными деформациями: набуханием при твердении в воде, усадкой при твердении на воздухе. Эти неизбежные изменения объема учитываются в производстве строительных работ, предусматривая устройство усадочных швов. Неравномерное изменение объема цементного камня при твердении связано с наличием в клинкере свободных оксидов кальция и магния, которые при гидратации расширяются, вызывая местные деформации. По стандарту равномерность изменения объема определяют в образцах-лепешках, изготовленных из теста нормальной густоты, которые через 24 ч предварительного твердения кипятят 3 ч в воде. Лепешки не должны деформироваться, на них не допускаются радиальные трещины. Цемент, не обладающий равномерностью изменения объема, нельзя применять в строительстве.

Прочность портландцемента является главным свойством, характеризующим его качество. В зависимости от предела прочности при сжатии и с учетом предела прочности при изгибе стандартных образцов-балочек через 28 сут твердения портландцемент разделяют на марки: 400, 500, 550, 600 (табл. 5.1),.

Фактическую прочность, полученную при  испытании на осевое сжатие половинок указанных образцов, называют активностью цемента.

Прочность цемента при нормальных условиях твердения наиболее интенсивно нарастает в первые 7 сут твердения. Уже к 3 сут она составляет 30....35 %, а к 7 сут— 60...70 % от марки цемента. В дальнейшем рост прочности замедляется, но продолжается длительное время (месяцы, годы), следуя зависимости, близкой к логарифмической.  

Тепловыделение при твердении  цемента зависит от минерального состава и тонкости измельчения  цемента и составляет через 7 сут твердения 168...335 кДж/кг цемента. При полной гидратации 1 кг СзА выделяет 1090 кДж, C3S —670 кДж, C4AF — 570. кДж и C2S — 353 кДж теплоты. При изготовлении тонких бетонных конструкций теплота гидратации быстро рассеивается и не вызывает существенного разогрева бетона. При возведении массивных бетонных конструкций (плотины, фундаменты, толстые стены и т. д.) возможно повышение температуры до 50 °С и более, что может вызвать значительные перепады температур в наружных и внутренних зонах, возникновение температурных напряжений, которые нередко являются причиной появления трещин в бетоне. В некоторых случаях, например при бетонировании конструкций в холодное время, повышенное тепловыделение играет положительную роль, способствуя поддержанию положительной температуры бетона.

Применение портландцемента

Изделия и конструкции, изготовленные с использованием портландцемента, широко используют в  надземных, подземных и подводных  условиях. Его применяют для изготовления монолитного и сборного бетона и железобетона в жилищном, промышленном, гидротехническом, до-рожлом строительстве и т. д. На нем изготовляют тяжелые и легкие бетоны, ячеистые бетоны, строительные растворы высоких марок, теплоизоляционные материалы и т. д. Портландцемент не следует применять для конструкций, подвергающихся воздействию морской, минерализованной и даже пресной воды проточной или под сильным напором. В этих случаях рекомендуется использовать цементы специальных видов (сульфатостойкие, цементы с добавками).

Портландцемент, являющийся высококачественным и дефицитным материалом, необходимо расходовать экономно, заменяя его, где это технически возможно, более дешевыми вяжущими веществами — известью, гипсовыми вяжущими, смешанными цементами.

Хранение портландцемента должно осуществляться в закрытых складах раздельно по видам и маркам, смешивание разных цементов не допускается. При длительном хранении цемента даже в оборудованных складах все же происходит частичная его гидратация, в результате чего цемент теряет активность.

Разновидности портландцемента

Для более полного удовлетворения специфических требований отдельных  видов строительства промышленность выпускает особые виды портландцемента.

При получении портландцементов с  заданными специальными свойствами используют следующие основные пути: 1) регулирование минерального состава и структуры цементного клинкера, оказывающих решающее влияние на строительно-технические свойства цемента; 2) регулирование тонкости помола и зернового состава цемента, влияющих на скорость твердения, прочность, тепловыделение и другие важнейшие свойства вяжущего; 3) изменение вещественного состава портландцемента введением в него активных минеральных и органических добавок, позволяющих направленно изменять свойства вяжущего, экономить клинкер и расход цемента в бетоне. 

Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) отличается от обычного более интенсивным набором прочности в первые 3 сут. В соответствии с требованиями   ГОСТ 10178—85 БТЦ М400 должен иметь через 3 сут твердения в нормальных условиях предел прочности при сжатии не менее 24,5 МПа, а БТЦ М500 — не менее 27,5 МПа. В дальнейшем рост прочности замедляется ,и к 28 сут прочность БТЦ такая же, как обычного портландцемента М400 и 500.

Быстрое твердение БТЦ достигается  повышенным содержанием в клинкере активных минералов (содержание C3S+C3A составляет 60...65%) и более тонкого помола цемента  (удельная поверхность 3500...4000 см2/г).

При помоле БТЦ допускается введение активных минеральных добавок осадочного происхождения (не более 10 %) или доменных гранулированных шлаков (до 20 % от массы цемента). 

Разновидностью быстротвердеющего  цемента является особо быстротвердеющий портландцемент (ОБТЦ), который характеризуется не только большой скоростью твердения в начальный период, но и высокой маркой (М600...700). Его изготовляют тонким измельчением клинкера, содержащего C3S 65...68% и СзА не более 8 %, совместно с добавкой гипса, до удельной поверхности 4000...4500 см2/г и более. Введение минеральных добавок не допускается.  

Разработан также сверхбыстротвердеющий цемент (СБТЦ) специального минерального состава, который обеспечивает интенсивное нарастание прочности уже в первые сутки его твердения (через 6 ч — 10 МПа).

Интенсивность роста прочности  бетона на быстротвердеющих цементах возрастает в условиях тепловлажностной обработки изделий при температуре 70...80°С. При этом через 4...6 ч удается получить изделия с прочностью, соответствующей 70...80 % 28-суточной.

Быстротвердеющие портландцементы целесообразно применять при массовом производстве сборных железобетонных изделий, а также при зимних бетонных работах. Их применение дает возможность сократить расход цемента, длительность тепловлажностной обработки или даже отказаться от нее, тем самым увеличить оборот форм и сэкономить металл. Нельзя применять такие цементы для бетонов массивных конструкций и подвергающихся сульфоалюминатной коррозии.