Портландцемент и его свойства

Портландцемент и его  свойства

 

Портландцемент и его  разновидности являются основным вяжущим  материалом в современном строительстве. Портландцемент представляет собой  порошкообразное гидравлическое вяжущее  вещество, твердеющее в воде и на воздухе, состоящее главным образом  из силикатов кальция. Получают портландцемент тонким измельчением клинкера с гипсом (3...7 %), допускается введение в смесь  активных минеральных добавок (10...15 %). Клинкер - продукт обжига (до полного  спекания) искусственной сырьевой смеси, состоящей приблизительно из 75 % карбоната  кальция (обычно известняка) и 25 % глины. Основные свойства портландцемента  обусловливаются составом клинкера.

Химический состав портландцемента

Портландцемент характеризуется  довольно постоянным химическим составом. Содержание основных составляющих окислов  в нем колеблется в сравнительно небольших пределах, %: CaO (64...67), SiO2 (19...24), AI2O3 <4..,7), Fe2O3 (2...6), MgO (не более 5), SO3 (не менее 1,5 и не более 3,5).

Минералогический состав портландцемента

В процессе обжига сырьевой смеси перечисленные окислы вступают в химическое взаимодействие.

После распада каолинита AI2O3 SiO2 2ЩО -> AI2O3 + 2S1O2 + + 2ЩО и термической  диссоциации СаСОз по реакции СаСОз -* -* СаО + СОг в процессе обжига происходит химическое связывание СаО в твердом состоянии по следующим реакциям:

 

СаО + S1O2 = 2СаО SiO2 -- двухкальциевый силикат (Сг8);

ЗСаО + AI2O3 = ЗСаО AI2O3 - трехкальциевый алюминат (СзА);

СаО + АЬОз + РегОз = 4СаО АкОз РегОз - четырехкальциевый алюмоферрит (C4AF);

СаО SiO + СаО = ЗСаО SiO2 - трехкальциевый силикат (C3S).

Относительное содержание минералов  в портландцементом клинкере колеблется в следующих пределах, %: ЗСаО SiO2 - 42...65; 2СаО SiO2 - 15...50; ЗСаО А12Оз - 2... 15; 4СаО AI2O3 х х Fe2O3 - 10...25.

Сырье для получения портландцемента. В качестве сырья иногда используют природные горные породы - мергели. В них содержатся необходимые  для производства портландцементов количества каро-натных (75...78%) и глинистых пород (25...22 %). В большинстве случаев необходимое сочетание пород получается искусственным путем. В этом случае в качестве карбонатных пород используются известняки, мел, известковые ракушечники; в качестве глинистых - глины, глинистые сланцы, лёссы, доменные шлаки; кроме того, в состав сырьевой смеси вводятся различные корректирующие добавки, например гипс.

Гипс необходим для  регулирования сроков схватывания. С увеличением количества гапса увеличиваются (замедляются) сроки схватывания. Однако максимальное количество вводимого гипса регламентируется химическим составом портландцемента.

 

 

 

 

 

 

 

Производство портландцемента

Производство портландцемента  состоит из следующих процессов: добычи сырья и доставки его на завод; подготовки сырья и смеси; обжига смеси - получения клинкера; измельчения клинкера с добавками - получения цемента.

По характеру подготовки сырья и приготовления смеси  различают мокрый и сухой способы  изготовления цемента. При мокром способе  сырье дробят и размалывают без  дополнительной подсушки. Весьма часто  помол осуществляют с добавлением  воды, глину размешивают в специальных  емкостях - болтушках. Смесь готовят  тщательным перемешиванием жидких молотых  смесей в шламбассейнах. В этом случае подготовленная смесь - цементный шлам - содержит до 40 % и более воды.

При сухом способе тонкое измельчение исходного сырья - помол - осуществляют в сухом состоянии. Тщательное смешивание производят в  специальных смесителях. В строительстве  наиболее распространен мокрый способ, при котором удается достичь  хорошей гомогенности сырьевой смеси, что в конечном итоге обусловливает получение цемента с более высокими и стабильными качествами. В настоящее время в связи с созданием оборудования, обеспечивающего хорошую гомогенизацию в смеси тонкомолотых порошков, сухой способ как более экономичный (не требующий теплоты на испарение воды) и, следовательно, перспективный находит все большее применение. В нашей стране действует несколько крупных цементных заводов, работающих по сухому способу.

Обжиг смеси производится во вращающихся печах, представляющих собой металлические цилиндры, обложенные внутри огнеупорной футеровкой. Печь укладывают на специальные катки  с небольшим уклоном к поверхности  земли, за счет чего по мере вращения сырьевая смесь продвигается по печи от приподнятого конца к опущенному. Длина печи достигает 180 м, а иногда доходит  до 250 м, диаметр - до 6 м.

По мере продвижения смесь  подсушивается, скатывается в шарики и под действием высокой температуры (1450... 1500 °С) спекается в гранулы  размером 5...20 мм и более'. Затем гранулы  охлаждаются сначала в печи, в  зоне охлаждения, впоследствии - в специальных  устройствах - холодильниках.

За последние годы разработан новый способ обжига клинкера. В  печи силикатный расплав заменен  расплавом на основе хлористого кальция. Существенно снижается температура  обжига (1100...1150 °С), в 3...4 раза облегчается  помол, но в цементе появляется минерал - алинит, содержащий алюмохлоридсиликат кальция. Этот цемент быстрее твердеет в начальные сроки.

Остывший клинкер подвергают размолу чаще всего в шаровых  мельницах, представляющих собой металлические  цилиндры диаметром до 3,5 и длиной до 15...20 м, которые выложены изнутри  бронированными плитами. Мельницы имеют 2...3 камеры, отделенные друг от друга  металлическими перегородками с  отверстиями для прохождения  размалываемого материала.

Размол клинкера и постепенное  продвижение размалываемого материала  обеспечиваются при вращении за счет наклона мельницы. По выходе из шаровой  мельницы портландцемент подают на склад  в силосы, где он остывает и выдерживается  некоторое время, достаточное для  стабилизации. Необходимость выдержки обусловливается тем, что при  помоле, особенно если осуществляется помол еще не совсем остывшего  клинкера (максимальная температура  клинкера, подаваемого в шаровую  мельницу, не должна превышать 50 °С), происходит дегидратация вводимого гипса, получаемый при этом цемент будет обладать нестандартными сроками схватывания (ложное схватывание).

 

 

 

 

 

 

Свойства портландцемента

К основным техническим свойствам  портландцемента относятся: истинная плотность, средняя плотность, тонкость помола, сроки схватывания, нормальная густота (водопот-ребность цемента), равномерность изменения объема цементного теста, прочность затвердевшего цементного раствора. Истинная плотность цемента находится в пределах 3000...3200 кг/м , плотность в рыхлом состоянии - 900..Л300 кг/м3, в уплотненном (слежавшемся) - 1200... 1300 кг/м . Тонкость помола характеризуется остатком на сите № 08 или удельной поверхностью, проверяемой на специальном приборе ПСХ. Согласно ГОСТу через сито № 08 должно проходить не менее 85 % массы пробы, удельная поверхность при этом (поверхность зерен цемента общей массой 1 г) должна быть 2500...3000 см2/г.

Нормальная густота цементного теста (количество воды в % от массы  цемента) определяется погружением  пестика, укрепляемого на штанге прибора  Вика, и колеблется в пределах 21...28 %. Она зависит от минералогического  состава цемента и тонкости помола. Изучение процесса твердения цемента  показало, что в зависимости от вида цемента, сроков и условий твердения  он присоединяет воды 15...25 % от своей  массы. При использовании цемента  в растворах и бетонах расходуемое  количество воды значительно больше (40... 70 %), оно, в частности, зависит  и от нормальной густоты цементного теста. Излишки воды со временем испаряются, оставляя поры, что ухудшает качество цементного камня, а следовательно, раствора и бетона. Сроки схватывания  проверяют прибором Вика на цементном  тесте нормальной густоты. Согласно требованиям ГОСТа начало схватывания должно быть не ранее 45 мин; конец - не позднее 10 ч (нормально - 2...3 ч), однако по согласованию с потребителями эти сроки могут существенно отличаться. О равномерности изменения объема цементного теста в процессе твердения судят по характеру трещин на образцах-лепешках, изготовленных по методике, изложенной в ГОСТе.

Если в цементе в  результате нарушений технологического процесса при изготовлении окажется много свободных осадков кальция  и магния, то процесс их гашения  при затворении цемента водой будет протекать замедленно (температура обжига клинкера значительно выше температуры обжига при получении извести-кипелки, процесс гашения которой протекает довольно быстро). Это явление может привести к разрушению уже затвердевшего цементного камня. Для предотвращения подобных явлений при оценке качества цемента и проводят испытание на равномерность изменения объема.

Одним из основных свойств  цемента является прочность, которая  определяется в положенные сроки  испытанием образцов-балочек размером 40x40x160 мм первоначально на изгиб, а затем половинок - на сжатие. Балочки готовят из раствора состава 1:3 (1 ч. по массе цемента, 3 ч.- нормального Вольского песка) при водоцементном отношении (отношении количества воды к количеству цемента), равном 0,4. Водоцементное отношение в свою очередь проверяется, а при необходимости корректируется по расплаву конуса на встряхивающем столике. Расплыв усеченного конуса из растворной смеси, изготовленного в форме высотой 60 мм и основаниями верхним с внутренним диаметром 70 мм и нижним -100 мм, после 30 встряхиваний должен быть в пределах 106...115 мм. При отсутствии встряхивающего столика испытанна проводят на стандартной лабораторной виброплощадке <#"justify">Твердение цемента

Твердение портландцемента - сложный физико-химический процесс  При затворении цемента водой основные минералы, растворяясь, гидратируются по уравнениям:

 

ЗСаО S1O2 + 5Н2О = 2СаО SiO2 4ЩО + Са(ОН)2;

СаО SiO2 + 4Н2О - 2СаО SiO2 4Н2О;

ЗСаО А12Оз + 6ЩО = ЗСаО AI2O3 6Н2О;

СаО А12Оз Fe2O3 + Н2О = 4СаО А12О3 Fe2O3 Н2О

 

Образующиеся новообразования  отличаются от первоначальных меньшей  растворимостью и, выпадая в осадок, выкристаллизовываются, что приводит к потере пластичности (схватыванию) и последующему твердению. Добавка  гипса в самом начале процесса при растворении взаимодействует  с трехкальциевым алюминатом, образуя гидросульфоалюминаты, которые, обволакивая цементные зерна, замедляют процесс растворения и гидратации. Однако в последующем эти оболочки разрушаются (чем меньше гипса, тем замедление короче по времени) и процесс твердения ускоряется. Но сами выкристаллизовывающиеся новообразования начинают препятствовать гидратации, поэтому значительная часть зерен цемента может гидратироваться при наличии водной среды весьма продолжительный срок, измеряемый даже годами.

Цемент твердеет тем быстрее, чем больше в нем алита (алитовые цементы) и трехкальциевого алюмината. С течением времени процесс твердения резко замедляется. Цементы, содержащие много белита (белитовые цементы), в раннем возрасте твердеют медленно; нарастание прочности продолжается длительно и равномерно. Процессы твердения и особенно схватывания сопровождаются выделением теплоты, которая тем интенсивнее, чем быстрее протекает процесс схватывания. Поэтому в массивных конструкциях, как правило, применяют белитовые цементы. Использование в таких конструкциях алитовых цементов может привести к интенсивности тепловыделению, разогреву до высокой температуры (70...80 °С), появлению трещин и даже потере воды, что в итоге приведет к утрате цементным камнем своих качеств. В то же время применение алитовых цементов позволяет быстрее получить минимальную прочность, а интенсивное тепловыделение обеспечивает в некоторых случаях необходимую для твердения температуру в зимних условиях.

При твердении цемента  на воздухе происходит небольшая  усадка, а в воде - набухание.

 

 

 

 

Технология портландцемента

Сырьевые материалы и  топливо

При производстве портландцемента  применяют разнообразные материалы, одни из которых идут непосредственно  на изготовление клинкера, другие же в  виде добавок используются при его  помоле (гипс и минеральные добавки).

Сырьевыми материалами для  производства клинкера служат карбонатные  горные породы с высоким содержанием  углекислого кальция и глинистые  породы, содержащие кремнезем, глинозем и оксид железа. В среднем на изготовление 1 т цемента требуется  до 1,6 т исходного сырья.

Наряду с материалами  природного происхождения цементная  промышленность во всеувеличивающемся объеме использует побочные продукты (отходы) разных отраслей промышленности, например доменные шлаки, золы, нефелиновый шлам и др. Имеется также опыт комплексного производства портландцемента и сернистого газа из смесей гипса или ангидрита (сернокислого кальция) с глиной.

Пригодность сырьевых материалов для производства портландцемента  устанавливают на основании их всестороннего  изучения.

В производстве портландцемента  наиболее широко используют известняки и мел, а также мергели. Средняя  плотность плотных известняков  достигает 2400- 2700, а меловых пород-1500-2000 кг/м3. Влажность этих материалов соответственно 2-6 и 15-30%. Известняки и мел содержат до 90 % и более углекислого кальция  и небольшие количества кварцевого песка, глинистых минералов и  др. Химический состав этих материалов характеризуется преимущественным содержанием оксида кальция (до 50 % и  более) и ССЬ (до 40 % и Со лее). Они  содержат также небольшие количества кремнезема, глинозема и др. Содержание MgO более 3- 3,5 % и серного ангидрида более 1-1,3 % недопустимо.

При разработке технологической  схемы производства портландцемента  прежде всего учитывают химический и петрографический состав, а также  физические свойства и влажность  карбонатных пород.

Портландцементы для бетона дорожных и аэродромных покрытий

Бетон в дорожных покрытиях  постоянно подвергается механическим, физическим и химическим воздействиям (температурным и влажностным  колебаниям, влиянию дождевых и грунтовых  вод и т. п.). Для обеспечения  высокой долговечности дорожных бетонов их изготовляют на специальных  цементах.

Портландцемент для бетона дорожных и аэродромных покрытий отличается от обычного повышенной морозостойкостью, стойкостью против истирающих и ударных  воздействий, малой усадкой, повышенной прочностью на растяжение и изгиб. Эта  разновидность портландцемента  по своим свойствам должна отвечать требованиям ГОСТ 10178-76 (с изм.) со следующими специальными показателями: содержание трехкальциевого алюмината СзА в клинкере не более 8 %; допускается добавка в этот цемент только доменного гранулированного шлака (ГОСТ 3476-74) в количестве не более 15 % по массе; начало схватывания цемента должно наступать не ранее 2 ч от начала затворения. По механической прочности эта разновидность портландцемента должна соответствовать маркам 400 и 500 ГОСТ 10178-76 (с изм.) и ГОСТ 310.1- 76 - ГОСТ 310.4-81.