Портландцемент. Минералогический состав. Цемент минерал


Цементный минерал - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Цементный минерал

Cтраница 1

Цементные минералы являются лишь матрицами для размещения многочисленных и разнообразных изоморфных примесей, для образования твердых рас творов со многими компонентами. Однако эти обозначения следует считать лишь условными.  [1]

Среди цементных минералов ее гидратационные и физико-механические характеристики привлекают значительно меньшее внимание. Это частично может быть объяснено тем, что ферритная фаза и СзА ведут себя сходным образом. Однако очевидно, что имеются и значительные различия между ними.  [2]

Каждый из цементных минералов вносит свою долю в синтез общей прочности камня.  [3]

Исследования процессов кристаллизации цементных минералов в минерализованных растворах, проведенные памп в 1968 - 1985 гг., позволили дополнить кристаллохпмнческую теорию твердения экспериментальными данными; были установлены основные морфологические типы сростков гидратных фаз в твердеющих системах, их содержание, определены законы и условия срастания [13, 42], что позволило уточнить ряд положении механизма формирования кристаллической структуры цементного камня.  [4]

Изучение процессов превращений цементных минералов осуществляется применительно к этапам технологии порт-ландцементного клинкера. Существенную роль здесь играют некоторые методические усовершенствования, позволившие повысить точность выполняемых исследований. К числу таких усовершенствований относятся: высокотемпературный микроскоп, высокотемпературные рентгеновские камеры, применение методов кинетического моделирования и использование монокристальных образцов.  [5]

В работе для краткости цементные минералы обозначаются в общепринятой сокращенной форме записи: СаО - С, 5Ю2 - 5; ЗСаО-5Ю2-С35, СаСО3 - СС, Са ( ОН) 2 - СН; ГСК - гидросиликаты кальция, ГСМ - гидросиликаты магния, ГХСК.  [6]

Одной из особенностей структур цементных минералов и их твердых растворов является склонность к образованию многочисленных полиморфных модификаций.  [7]

Наиболее распространенным типом изоморфизма в цементных минералах, как и в природных, является гетеровалентный, диагональный изоморфизм. Замещения в анионной части структуры также усложняются необходимостью зарядовой компенсации. Как правило, пределы растворимости компонентов твердых растворов в трехкальциевом силикате весьма ограничены.  [8]

Краткий анализ последствий изоморфизма в цементных минералах хотя и не является всесторонним, однако позволяет конкретно выразить главные проблемы химии и кристаллохимии цементных минералов, непосредственно связанные с основными тех -, ническими качествами цементов.  [9]

Образующийся ионный раствор в результате гидратации и гидролиза цементных минералов придает цементному гелю свойство проводить электрический ток. Это вещество мало растворимо, так как 0 17 % Са ( ОН) 2 делает раствор насыщенным. Вместе с тем Са ( ОН) 2 является в определенной степени сильным электролитом, так как почти все его растворимые молекулы диссоциируют на ионы, поэтому с увеличением концентрации вещества в растворе до определенного предела возрастает концентрация свободных ионов.  [10]

Торопов показал [47], что в кристаллических решетках цементных минералов не существует полостей таких размеров, которые допускали бы проникновение в них молекул воды.  [11]

Вода, добавляемая при затворении, способствует гидратации цементных минералов, придает бетонной смеси подвижность, а также обеспечивает возможность плотной укладки в форму или опалубку. Гидросиликаты и гидроалюминаты, получаемые в результате гидратации цементных минералов, образуют рыхлую коагуля-ционную структуру, представляющую собой сетку гидратирующихся частиц. В этой структуре протекают процессы кристаллизации гидроалюминатов кальция, к-рые образуют кристаллические сростки и вызывают схватывание цемента. Наличие в составе затвердевшего цементного камня гидросиликатных гелей обусловливает возникновение деформаций усадки или набухания. Портландцементный бетон обладает высокой морозостойкостью.  [12]

Если диполи воды ориентированы в поверхностном слое кристаллической решетки цементных минералов, то расстояния между поверхностными ионами практически не изменяются.  [13]

Второй этап характеризуется возникновением и развитием кристаллизационной структуры гидратов цементных минералов. Поверхность частиц увеличивается, возникают молекулярные связи между ними. Этот процесс характеризуется интенсивным нарастанием прочности структуры.  [14]

Страницы:      1    2    3    4

www.ngpedia.ru

2. Определение и состав портландцемента

Портландцемент – гидравлическое вяжущее, продукт тонкого измельчения клинкера, получаемого обжигом до спекания, т.е. частичного плавления сырьевой смеси, обеспечивающей преобладание в нем высокоосновных силикатов кальция. Для улучшения свойств цемента при помоле клинкера добавляют 1,5... 3,5 % гипса (в пересчете на SO3)/

Клинкером называют любой спекшийся материал. В данном случае это так называемый силикатный клинкер. В нем 70...80 % силикатов кальция. Всего в клинкере более десятка веществ, но основных минералов, оказывающих главное влияние на свойства цемента – четыре (табл.1). Гипс (природный минерал или мономинеральная горная порода СaSO4.2h3O) является обязательной составной частью современного портландцемента. Его роль довольно значительна. Во-первых, гипс замедляет схватывание клинкера. Без него схватывание происходило бы за 2-3 минуты, так что цементный материал невозможно было бы уложить и отформовать. Во-вторых, гипс способен при твердении увеличиваться в объеме, а также образовывать химические соединения с алюминатами клинкера также с увеличением объема, что приводит к уплотнению и упрочнению цементного камня.

Таблица 1. Состав портландцементного клинкера

Примечания к таблице

  1. . В столбце «Химическая формула» в скобках даны формулы, принятые в химии силикатов и часто встречающиеся в учебниках по строительным материалам. В этих формулах С означает СаО, S – SiO2, A – Al2O3, F – Fe2O3.

  2. В таблице приведены так называемые стехиометрические формулы, которые выражают только соотношение в соединении условных оксидов элементов. Фактически приведенные соединения являются солями сильного основания Са(ОН)2 и слабых кислот, содержащих в анионе кремний, алюминий, железо. Например, основной минерал – алит, записанный как 3СаО∙SiO2 можно представить обычной химической формулой Са3SiO5, т.е. как соль кальция от кислоты Н6SiO5 (это одна из поликремниевых кислот).

Таким образом, в состав портландцемента входят минералы клинкера, гипс, а также так называемые активные минеральные или гидравлические добавки, основное назначение которых увеличить водостойкость портландцемента. Зачем это надо и что снижает водостойкость цемента можно понять, выяснив роль каждого компонента в составе цемента, их взаимодействие с водой и между собой, влияние этих взаимодействий на свойства цемента.

3. Гидратация минералов клинкера и другие химические реакции при твердении цемента (Химия портландцемента). Влияние химических превращений на свойства.

Гидролиз силикатов цемента (алита и белита)

Реакция гидролиза алита была записана в прошлой лекции. Поскольку алит - главный минерал цемента, эту реакцию надо знать и понимать ее роль в свойствах цемента. Поэтому повторим ее еще раз:

2(3CaOSiO2) + 6h3O = 3CaO2SiO23h3O + 3Ca(OH)2.

Совершенно аналогично происходит гидролиз и второго силиката цемента – белита – с той лишь разницей, что извести выделяется значительно меньше на ту же массу исходного минерала, а также и содержание белита в цементе меньше, чем алита:

2(2CaOSiO2) + 4h3O = 3CaO2SiO23h3O + Ca(OH)2.

В результате этих реакций образуется нерастворимый водостойкий гидросиликат кальция, который в незакристаллизованном состоянии (в виде твердого геля) обволакивает остальные (кристаллические) компоненты цементного камня (см. ниже). Второй продукт реакции – известь – оказывается, наоборот, наименее водостойким компонентом цементного камня, вследствие частичной растворимости извести. Водостойкость цемента в принципе достаточна для бетонных и железобетонных надземных конструкций. Если бетон на портландцементе эксплуатируется в подводных или подземных сооружениях, то для повышения его водостойкости известь, выделяющуюся при гидролизе алита и белита, необходимо связывать в нерастворимые соединения. Эту роль выполняют активные минеральные добавки.

Активные минеральные (гидравлические) добавки, их взаимодействие с известью.

В качестве активных минеральных добавок применяют природные или искусственные материалы, содержащие в своем составе в значительном количестве так называемый активный кремнезем – оксид кремния SiO2 – в аморфном и высокодисперсном состоянии. Именно благодаря этим свойствам (аморфности и высокой дисперсности) происходит связывание извести активным кремнеземом по реакции:

Са(ОН)2 + SiO2(аморф.) = CaO SiO2∙h3O

Продукт реакции по-другому можно записать так: СaSiO3∙h3O. Это еще один гидросиликат кальция, называемый низкоосновным. Он также нерастворим в воде, хотя уступает в водостойкости высокоосновным гидросиликатам, получающимся при гидролизе алита и белита. Таким образом, добавки, содержащие активный кремнезем, повышают гидравличность вяжущего, поэтому их называют также гидравлическими добавками.

Гидравлических, или активных минеральных, добавок известно несколько типов, но в цементе применяют обычно шлак или пуццоланы. Доменный шлак при быстром охлаждении остается незакристаллизованным, поэтому и оксид кремния в нем находится в аморфном состоянии. Разумеется, перед добавлением в цемент шлак размалывают в порошок. К пуццоланам относят горные породы, в которых оксид кремния остался незакристаллизованным – вулканический пепел, диатомит, трепел, опока и др. Широко распространенные в химии и технологии вяжущих термины «пуццоланы», «пуццоланизация» уходят корнями в историю Древнего Рима. Древние римляне добавляли к извести вулканический пепел. Эту смесь и назвали позднее римским цементом. Гидратация и твердение его в точности соответствуют приведенной реакции извести с аморфным кремнеземом. Вулканический пепел добывали вблизи местечка, более позднее (итальянское) название которого звучит как Поццуоли. Отсюда и произошло понятие пуццоланы.

Гидратация трехкальциевого алюмината и гидролиз четырехальциевого алюмоферрита

Трехкальциевый алюминат (см. табл.1) при затворении цемента присоединяет воду по реакции:

3CaOAl2O3 + 6h3O = 3CaOAl2O36h3O

Гидролиз четырехкальциевого алюмоферрита принято записывать следующим уравнением реакции:

4CaOAl2O3Fe2O3 + nh3O = 3CaOAl2O3 6h3O + CaOFe2O3(n-6)h3O

Наиболее положительное влияние на свойства цемента оказывает гидроферрит кальция – последнее из веществ, записанных в правой части второй реакции. Этот минерал (продукты гидратации, как и исходные вещества, также можно называть минералами искусственного происхождения) придает цементному камню дополнительную прочность. Он всегда образуется в кристаллическом состоянии. Нерастворим в воде (водостоек). Из-за присутствия железа имеет темный цвет. Серый цвет цемента обусловлен именно присутствием железа (как элемента, а не как металла!).

Образующийся по обеим реакциям гидроалюминат 3CaOAl2O3 6h3O получается в виде хрупких кристаллов. Несмотря на водостойкость и большую скорость твердения, он оказывает отрицательное влияние на свойства цемента – снижает прочность и коррозионную стойкость цементного камня. Для уменьшения его содержания в затвердевшем цементе и вводится добавка гипса.

Роль гипса в процессах гидратации цемента. Эттрингит.

Добавляемый к портландцементному клинкеру природный гипс CaSO4∙2h3O при затворении вступает в реакцию с трехкальциевым алюминатом:

3CaOAl2O3 + 3(CaSO42h3O) + 26h3O = = 3CaOAl2O33CaSO432h3O

Продукт реакции – гидросульфоалюминат кальция – более известен под названием «эттрингит». Реакция идет с увеличением абсолютного объема (с расширением), поэтому образующийся в ограниченном пространстве эттрингит уплотняет и упрочняет цементный камень в процессе твердения. При этом значительно снижается возможность образования хрупкого гидроалюмината.

Кроме описанной здесь положительной роли эттрингита, известно также его отрицательное, корродирующее действие на цементный камень и бетон. Коррозия под действием эттрингита происходит в том случае, если он по каким-то причинам образуется в порах уже затвердевшего ранее цементного камня и разрушает его вследствие «распирания» стенок пор. (Процессы коррозии бетона будут рассмотрены в курсе строительных материалов)

Строение цементного камня

В предыдущей лекции отмечалось, что камень вяжущего в общем случае состоит из кристаллического сростка, незакристаллизовавшейся части (твердого геля), непрореагировавших исходных минералов и пор.

На основании рассмотренных здесь реакций, можно конкретизировать строение цементного камня (затвердевшего портландцемента).

Гидроферрит, эттрингит, оставшийся гидроалюминат, и известь – кристаллизуются и образуют поликристаллическую систему из кристаллов неправильной формы, сросшихся в беспорядке. Это и есть кристаллический сросток цементного камня.

Гидросиликаты не доходят до стадии кристаллизации. Они образуют аморфную систему – гель, обволакивающий кристаллический сросток. Благодаря этому камень и получается достаточно прочным.

Из исходных минералов дольше всех гидратируются белит и четырехкальциевый алюмоферит. Но и гидратация всего зерна (частицы) цемента задерживается из-за отмеченной в прошлой лекции медленной диффузии воды в топохимической стадии гидратации. Полная гидратация частицы цемента может продолжаться около двух лет при благоприятных условиях (влажный воздух, положительная температура). Поэтому прочность цементного камня и цементного бетона нарастает не только в течение 28 суток (срок испытания на прочность), но и последующие месяцы. Через 28 суток гидратация цемента проходит всего лишь на 70 %, а процент прочности от максимально достижимого и того меньше.

И, наконец, поры снижают морозостойкость и прочность цементного камня при неправильном формировании пористой структуры, например, пропаривание при температуре выше 90 градусов или снижение температуры ниже нуля до достижения хотя бы 70%-ной гидратации.

studfiles.net

ПО КСМ :: Портландцемент. Минералогический состав.

Для приготовления бетона в строительных конструкциях наиболее широко используют неорганические вяжущие вещества. Эти вещества при смешивании с водой под влиянием внутренних физико-химических процессов способны схватываться (переходить из жидкого или тестообразного состояния в камневидное) и твердеть (постепенно увеличивать свою прочность). Наиболее широкое применение в производстве бетона получил портландцемент. Портландцемент – гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде или на воздухе. Он представляет собой порошок серого цвета, получаемый тонким помолом клинкера с добавкой гипса. Клинкер – обожженная до спекания смесь, в которой преобладают силикаты кальция. Для получения цемента высокого качества необходимо, чтобы его химический состав, а, следовательно, и состав сырьевой смеси были устойчивы. При помоле к цементному клинкеру можно добавлять до 20 % гранулированных доменных шлаков или активных минеральных добавок.

В результате обжига при 1450С образуются следующие основные клинкерные минералы:

  • Алит, трех кальциевый силикат – состава 3CaO*SiO2 или C3S . Основной минерал, оказывающий влияние на качество цемента. Алит обладает свойствами быстротвердеющего гидравлического вещества высокой прочности. Цементы высоких марок и быстротвердеющие цементы изготавливают с повышенным содержанием трехкальциевого силиката. Содержание в цементе – 37-60%.
  • Белит, двух кальциевый силикат – состава 2СаО*SiO2 или C2S. Медленнотвердеющее гидравлическое вяжущее средней прочности. Цементы с повышенным содержанием белита медленно твердеют, однако прочность их нарастает в течение длительного времени и в возрасте нескольких лет, может оказаться достаточно высокой. Содержание в цементе – 15-37%.
  • Трех кальциевый алюминат – состава 3СаО*Al2O 3 или С3А. Минерал-плавень, главная задача которого понижение температуры спекания сырьевой смеси. Твердеет быстро, но имеет низкую прочность. Содержание в цементе – 5-15%.
  • Четырех кальциевый алюмоферрит – состава 4CaO*Al2O3*Fe2O3 или С4AF. Минерал-плавень. Твердеет быстрее силикатов, но медленнее алюмината. Содержание в цементе – 10-18%.

2. Прочность. Активность. Марка.

Основным свойством, характеризующим качество любого цемента, является его прочность (марка). Марка цемента определяется испытанием стандартных образцов - палочек размером 4*4*16 см, приготовленных из раствора цемента и стандартного вольского песка, с последующим твердением в течение 28 суток во влажных условиях. Испытания проводятся на изгиб и сжатие. Прочность контрольных образцов на сжатие, выраженная в кгс/см2, является маркой цемента. В строительстве применяют цементы марок 400, 500, 600. Действительную прочность цемента называют его активностью. Т.е. если контрольные образцы показали прочность при сжатии 44МПа, то активность этого цемента будет 44 МПа (? 440 кгс/см2), а марка – 400. При проектировании состава бетона лучше использовать активность цемента, так как это обеспечивает более точные результаты и экономию цемента. Помимо прочности к цементам предъявляются и другие требования, важными из которых являются нормальная густота и сроки схватывания.

3. Физико-механические свойства цемента.

Нормальной густотой называют то содержание воды (в %), которое необходимо добавить к цементу, чтобы получить определенную консистенцию цементного теста. Обычно эта величина равна, 22-27% и увеличивается при введении в цемент при помоле тонкомолотых добавок, обладающих большой водопотребностью (трепел, опока и др.). Нормальная густота в известной мере определяет, реологические свойства цементного теста и тем самым влияет на подвижность бетонной смеси. Чем меньше нормальная густота цемента, тем меньше водопотребность бетонной смеси, необходимая для достижения определенной подвижности (жесткости) смеси. Сокращение расхода воды, в свою очередь, приводит к уменьшению расхода цемента (при заданном В/Ц). В бетонах желательно применять цементы с пониженной нормальной густотой.

Сроки схватывания цемента, определяемые на специальном приборе по глубине проникания иглы в цементное тесто, характеризуют начало и конец процесса превращения материала в твердое тело. По стандарту требуется, чтобы начало схватывания при температуре 20С наступало не ранее, чем через 45 мин, а конец завершался не позднее 10 ч. с момента затворения цемента водой. На практике начало схватывания наступает через 1-2 ч, а конец – через 5-8 ч. Эти сроки обеспечивают производство бетонных работ, т.к. дают возможность транспортировать и укладывать бетонные смеси и растворы до их схватывания. Сроки схватывания можно регулировать путем добавления в бетонную смесь при ее приготовлении различных химических добавок.

Портландцемент имеет, как правило, тонкий помол: через сито N008 (около 4900 отверстий на 1кв.см. с размером ячеек в свету 0.08*0.08 мм) должно проходить не менее 85 % общей массы цемента. Средний размер частиц цемента составляет 15-20 мкм.

Истинная плотность портландцемента без добавки составляет 3,05-3,15 г/см3. Плотность портландцемента при расчете состава бетона условно принимают в уплотненном состоянии 1,3 кг/м3.

Схватывание и твердение цемента – экзотермические процессы. Практически 1 кг цемента М400 выделяет в бетоне за 7 суток с момента затворения цемента водой не менее 210 кДж. Для цемента М500 эта цифра составляет порядка 250 кДж. Тепловыделение зависит от минералогического состава цементного клинкера, типа введенных добавок и тонкости помола. Из клинкерных минералов наибольшим тепловыделением обладают трех кальциевый алюминат и трех кальциевый силикат. Основное тепло выделяется в течение первых 3-7 суток твердения цемента.

Перевозят и хранят цемент так, чтобы предохранить его от увлажнения, распыления и других потерь. Обычный цемент при нормальных условиях хранения через 3 мес. теряет 20% прочности, через 6 мес. – 30%, через год –40%. При использовании в производстве лежалого цемента время перемешивания бетонной смеси увеличивают в 2-4 раза, вводят добавки- ускорители твердения или применяют активацию цемента.

4. Виды цемента.

Основу большинства цементов составляет портландцементный клинкер. Нормируя его минералогический состав и вводя минеральные или органические добавки, получают различные цементы, несколько отличающиеся по свойствам и применяемые в разных областях строительства.

• Без добавочным портландцементом (ПЦ) называют цемент, не содержащий в своем составе минеральных добавок, кроме гипса.

Обозначение по ГОСТ 10178-85 - ПЦ-500-Д0, где

ПЦ – портландцемент.

500 – марка цемента.

Д0 – добавок 0% (без добавочный).

• Портландцемент с минеральными добавками. Содержит в своем составе до 20% гранулированного доменного шлака, до 10% природных активных минеральных добавок (трепела, опоки и др.), до 15% прочих активных минеральных добавок.

Обозначения по ГОСТ 10178-85 - ПЦ-500-Д5 или ПЦ-400-Д20, где Д5(Д20) – максимальное содержание добавок в цементе.

• Шлакопортландцемент. Содержит в своем составе от 20 до 80% гранулированного доменного шлака. Отличается от ПЦ более медленным схватыванием (начало 4-6 ч, конец 10-12 ч) и твердением в первые 7-10 суток. При тепло-влажностной обработке (ТВО) твердение шлакопортландцемента ускоряется в большей степени, чем у обычного ПЦ, что обусловливает его высокую эффективность в производстве сборного железобетона.

Обозначение по ГОСТ 10178-85 - ШПЦ -400

• Быстротвердеющий портландцемент. Разновидность ПЦ с добавками. Через 3 суток твердения прочность на сжатие этого цемента не менее 25 МПа, марки 400, 500. Требования к минералогическому составу: С3S>50%, (C3S+C3A)>60%. Тонкость помола (удельная поверхность не менее 3500 см2/г).

• Сульфатостойкие портландцемент и шлакопортланцемент выпускают, нормируя минералогический состав, в котором ограничивается содержание менее стойких к сульфатной агрессии минералов. Этот цемент содержит до 50% С3S, 5% C3A, 10..22% (C3A+C4AF). Для получения сульфатостойкого портландцемента с добавкой при помоле к цементу добавляют до 20% гранулированного доменного шлака. Добавка связывает выделяющийся при гидратации С3А гидрат окиси кальция, что способствует повышению сульфатостойкости цемента, в этом случае содержание С3А ограничивают 8%. Сульфатостойкие цементы предназначены для бетонных и железобетонных конструкций, эксплуатируемых в условиях переменного уровня воды, а также сооружений, которые подвергаются агрессивному воздействию сульфатных вод при одновременном многократном замерзании и оттаивании или многократном увлажнении и высыхании.

Завод-изготовитель гарантирует соответствие цемента требованиям ГОСТа в момент получения цемента, но не более чем через месяц после отгрузки. В паспорте помимо вида и марки цемента

и названия завода-изготовителя указывается нормальная густота цементного теста и средняя активность цемента при пропаривании по режиму 2+3+6+4 ч, при температуре изотермического прогрева 85°С и испытании через сутки с момента изготовления.

Специальные виды цемента.

• Белый портландцемент получают помолом маложелезистого отбеленного клинкера, приготовленного по специальной технологии, предотвращающей его загрязнение, с необходимым количеством гипса и небольшой добавкой диатомита. По степени белизны белый цемент подразделяют на три сорта: высший, БЦ-1, БЦ-2. Коэффициенты яркости соответственно 80, 76, 72 %. За 100% принят коэффициент яркости сернокислого бария.

• Цветные портландцементы получают совместным помолом белого клинкера, гипса и пигмента. Содержание минерального синтетического или природного пигмента не должно превышать 15%,а органического пигмента – 0,3% от массы цемента. Белый и цветные цементы предназначены для получения цветных бетонов, архитектурных деталей, облицовочных плит, проведения отделочных работ.

• Напрягающий цемент получают совместным помолом портландцементного клинкера и напрягающего компонента, который включает в себя глиноземистый шлак или другие алюмосодержащие вещества, гипс и известь. Он обладает способностью значительно расширяться в объеме(до 4%) после достижения цементным камнем сравнительно большой прочности 15-20 МПа, что позволяет применять этот цемент для изготовления самонапряженного железобетона, в котором арматура получает предварительное напряжение вследствие расширения бетона. Напрягающий цемент и бетоны на его основе обладают высокими прочностью, водо и газонепроницаемостью.

Его целесообразно применять для изготовления самонапряженных железобетонных труб, покрытий дорог и аэродромов, тоннелей и других подобных конструкций. При этом следует учитывать

быстрое схватывание такого цемента (начало 2 мин, конец – 6 мин), а также необходимость применения специальных режимов твердения, обеспечивающих расширение цемента лишь после достижения бетоном прочности, необходимой для заанкеривания арматуры.

• Расширяющиеся или безусадочные цементы применяют для приготовления водонепроницаемых бетонов. Особенностью этих цементов является наличие составляющих, увеличивающихся в объеме в результате физико-химических процессов, происходящих при твердении цемента.

• Кислотоупорный цемент применяют для изготовления кислотостойких или жаростойких бетонов.

Этот цемент состоит из тщательно перемешанного молотого кварцевого песка и кремнефтористого натрия, его затворяют на жидком стекле (Na2O(K2O)*nSiO2 ). Для получения необходимой консистенции жидкое стекло разбавляют водой.

Вы можете сделать заказ, позвонив по номеру +7(495) 223-23-96 или отправив заявку на e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

poksm.ru

Портландцемент

Портландцемент

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, %: СаО (64 ... 67), SiО2 (19 ... 24), Аl2О3 (4 ... 7), Fе2О3 (2 ... 6), MgO (не более 5), SО3 (не менее 1,5 и не более З,5).

Минералогический состав портландцемента. В процессе обжига сырьевой смеси перечисленные окислы вступают в химическое взаимодействие:

Минералогический состав портландцемента

Сырье для получения портландцемента. В качестве сырья иногда используют природные горные породы - мергели. В них содержатся необходимые для производства портландцементов количества каронатных (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 гипса 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 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 РФ действует несколько крупных цементных комбинатов, 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.

Существует и достаточно прогрессивный 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 (водопотребность цемента), равномерность изменения объема цементного теста, прочность затвердевшего цементного раствора. Истинная плотность цемента находится в пределах 3000 ... 3200 кг/м3, плотность в рыхлом состоянии - 900 ... 1300 кг/м3, в уплотненном (слежавшемся) - 1200 ... 1300 кг/м3.

Тонкость помола характеризуется остатком на сите № 08 или удельной поверхностью, проверяемой на специальном приборе ПСХ. Согласно ГОСТ 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 ГОСТ 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 ГОСТ.

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 40 х 40 х 160 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 испытания проводят на стандартной лабораторной виброплощадке. В этом случае после 20 секунд вибрирования расплыв должен быть (170 ± 5) мм.

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

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.

www.armaxbio.com

Минералы состав портландцементного клинкера

Минерал портландцементного клинкера

Соединение, отождествляемое с минералом

Сокращенное обозначение

Содержание в нормальном клинкере, %

Продукты

гидратации

Теплота в кДж, выделяемая 1 % минерала в 1 кг цемента к возрасту, сут.

7

90

Алит

ЗСаО·SiO2

C3S

37,5÷60

Са(ОН)2+C2SН2

4,58

4,95

Белит

2СаО·SiO2

C2S

37,5÷15

C2SН2

0,97

0,97

Алюминат

ЗСаО·Al2O3

С3А

7÷15

С3АН6

8,66

10,29

Целит

4СаО·Al2O3·Fe2O3

С4АF

18÷10

С3АН6+CFН

–1,73

1,39

Физические процессы при твердениипортландцемента и других вяжущих веществ заключаются в превращении дисперсной смеси порошка вяжущего с водой в сплошное камневидное тело. Существует несколько теорий, объясняющих физическую сущ­ность этого превращения.

Теория Ле Шателье.Французский ученый Ле Шателье еще в 1887 г, предложил теорию твердения вяжущих веществ, в соответствии с которой процесс твердения объясняется разницей в растворимости исходного вяжущего вещества и продуктов его гидратации. Теорию Ле Шателье можно свести к трем основным положениям:

1. Исходное вещество, всегда более растворимое, образует насыщенный раствор, который является пересыщенным по отношению к менее растворимому конечному продукту. Последний в растворе находиться не может, но он в этом растворе образуется в результате реакции гидратации, а значит должен сразу же выпадать в осадок.

2. Осадок образуется в виде кристаллов, распределенных по всему объему системы и связанных в кристаллический сросток, чем и объ­ясняются высокие механические свойства затвер­девшей массы.

3. Растворение исходного вещества и выделение из раствора новообразований является взаимообусловленным и происходит одновременно в течение всего процесса твердения.

Тео­рия Ле Шателье объясняет процесс твердения строительного гипса (см. п. 1.2.1), однако, ее нельзя применить к портландцементу, т. к. в продуктах его гидратации практически не обнаруживается кристаллических образований, а в основном только аморфная масса.

Теория Михаэлиса.В 1893 г., немецкий ученый Михаэлис, выдвинул теорию, согласно которой продукты гидратации образуются не в кристаллической форме, а в виде микроскопических (коллоидных) частиц, которые, заполняя пространство между зернами цемента, сближаются и удерживают воду в узких промежутках между собой. Связанная таким образом вода, в свою очередь, прочно удерживает частицы на очень близком расстоянии друг от друга, образуя в совокупности с ними единую систему, называемуюгелем. Образующийся гель, обладая поначалу высокими пластическими свойствами, постепенно теряет воду в результате продолжающейся гидратации, связывания новыми коллоидами и испарения. Происходит сближение частиц и их срастание за счет медленной кристаллизации растворимых (хотя бы и незначительно) соединений, в резуль­тате чего цементный камень приобретает высокую механиче­скую прочность. Теория Михаэлиса, объясняя процесс твердения портландцемента, однако, не применима к строительному гипсу, в затвердевшем камне которого имеются исключительно кристаллические образования, и совершенно нет коллоидного вещества.

Теория А. А. Байкова.Академиком А. А. Байковым в 1925-27 гг. было дано объяснение процессов твердения вяжущих ве­ществ, которое устраняет противоречия рассмотренных теорий и в одинаковой мере применимо как к строительному гипсу, так и к гидравлическим цементам.

А. А. Байков, отметил то обстоятельство, что растворимость вещества увеличивается с уменьшением раз­мера частиц, а следовательно коллоидные частицы могут растворяться, образуя по отношению к зернам кристаллов (частицам огромным по сравнению с коллоидами) пересыщенный раствор, в котором последние растворяться не могут, а могут только из него выделяться. Таким образом, процесс коллоидации по А. А. Байкову имеет место всегда, только в случае гипса образующиеся коллоиды сравнительно легко растворяются в воде и поэтому гипсовый гель переходит в кристаллическое состояние, в случае же портландцемента получа­ется гель, в воде практически нераство­римый, и кристаллизации не происходит.

Химические процессы при твердениипортландцемента заключаются в присоединении воды минералами C2S и С3А, и в гидролизе (разложении) минералов C3S и C4AF с присоедине­нием воды к продуктам этого разложения. В табл. 1.1 в графе 5 приведены формулы образующихся соединений. Обозначение Нnэквивалентноn·Н2О.

Свойства портландцемента. Плотность – 3,05…3,20 г/см3.Тонкость помола характеризуется удельной поверхностью 2500…3000см2/г и остатком на сите № 008, не превышающим 15 % от массы пробы. Водопотребность – 24…28 %. Начало схватывания должно наступать не ранее чем через 45 мин, а конец схватывания – не позднее 10 ч от начала затворения. Схватывание ускоряется при повышении тонкости помола цемента и содержания в нем С3А. Прочность (активность1) портландцемента оценивают испытанием стандартных образцов-балочек, размерами 4х4х16 см, в возрасте 28 суток, сначала на изгиб, а затем половинки – на сжатие. Образцы изготовляют стандартным способом из растворной смеси нормальной густоты состава 1 : 3 (по массе) со стандартным песком. Образцы хранят первые сутки во влажном воздухе, а остальное время (27 суток) в воде при температуре 24±2 °С. Марки портландцемента: 400, 500, 550 и 600. Скорость твердения портландцемента возрастает с повышением тонкости помола и температуры. По значению теплового эффекта при гидратации можно судить о химической активности клинкерных минералов и об их влиянии на скорость твердения (см. табл. 1.1).Алито-алюминатные цементы(с повышенным содержанием C3S и С3А) дают быстрый прирост прочности в первые сроки твердения (до 7 дней) и медленное нарастание прочности в дальнейшем. Убелито-целитовых цементов(с повышенным содержанием C2S и C4AF) наблюдается замедленное твердение во все сроки. При хранении на воздухе составы на портландцементе дают усадку (уменьшение объе­ма), а при хранении в воде – набухание (уве­личение объема).

1.7.2.Портландцемент быстротвердеющий (ПЦ-Б)2является алито-алюминатным цементом, с повышенным содержанием C3S и C3A (в сумме 60…65 %) и более тонким по сравнению с ПЦ помолом клинкера (Sуд=3500…4500 см2/г).

Скорость твердения ПЦ-Б возрастает со скоростью охлаждения клинкера. При быстром охлаждении от температуры 1250…1300 °С отдельные фазы клинкера остаются в аморфной форме, сохраняя высокую активность. При помоле ПЦ-Б добавляют активные минераль­ные добавки (не более 20 % от веса цемента), которые обеспечивают равномерный рост прочности (без сбросов прочности). В отличие от ПЦ прочность ПЦ-Б нормируется в возрасте 3 и 28 суток. В возрасте 3 суток ПЦ-Б должен иметь не менее половины (обычно 60…70 %) марочной (28-суточной) прочности. Стандарт предусматривает две марки ПЦ-Б: 400 и 500. ПЦ-Б предназначается для изготовления сборных железобетон­ных конструкций и изделий на заводах и полиго­нах, а также для скоростного строительства.

1.7.3. Сульфатостойкий портландцемент(ССПЦ)изготовляют на основе клинкера нормированного состава, содержащего: C3S – не более 50 %; С3А – не более 5 % и суммы С3А + С4AF – не более 22 %. Минеральные добавки не допускается, т. к. они снижают морозостойкость бетона. Для этого цемента характерны пониженное тепловыде­ление и замедленное твердение в начальные сроки, что объясняется пониженным содержанием активных минералов. Сульфатостойкий портландцемент выпускается только одной марки 400. Он предназначен для изготовления бетона наружных зон сооружений, работающих в усло­виях сульфатной агрессии воды и одновременно подверженных система­тическому попеременному увлажнению и высыханию или заморажива­нию и оттаиванию.

1.7.4. Портландцемент пластифицированный (ПЦ-ПЛ)изготовляют путем вве­дения при помоле клинкера пластифицирующей поверхностно-активной добавки в количестве 0,15…0,30 % от массы цемента. В качестве таких добавок часто применяют технические лигносульфонаты (ЛСТ, ЛСТМ и др.). Добавка облегчает помол клинкера и придает растворным и бетонным смесям повышенную подвижность. Пластифицирующий эффект позволяет либо сократить расход цемента (при В/Ц=const), либо повысить прочность, морозостой­кость и водонепроницаемость бетона, уменьшив В/Ц.

1.7.5. Порт­ландцемент гидрофобный (ПЦ-ГФ)получают при добавлении к цементу в процессе помола клинкера и гипса гидрофобизующих до­бавок (асидола, мылонафта, олеиновой кислоты, кубовых остат­ков синтетических жирных кислот и пр.) в количестве 0,06…0,30 % от массы цемента. Гидрофобизующие добавки образуют на зернах цемента тончайшие адсорбцион­ные слои, обладающие водоотталкивающими свойствами и понижающие способность цемента смачиваться водой. Поэтому гидрофобные цементы не снижают активности в течение 1…2 лет хранения на воздухе, в то время как обычные цементы уже через 1…3 месяца теряют до 30 % и более начальной прочности. В начале процесса твердения вода проникает к зерну цемента путем диффузии через адсорбционные пленки, при этом несколько замедляется рост прочности. По мере гидратации и увеличения в объеме новообразований гидрофобные слои разрываются и твердение протекает нормально. Благодаря воздухововлекающей способности этих добавок пористость бетона возрастает на 3…5 % по объему, что несколько понижает прочность, но из-за снижения доли открытых пор уменьшается водопоглощение, повышается водонепроницаемость и морозостойкость бетона. Гидрофобизующие добавки интенсифицируют процесс помола цемента и предотвращают слипание частиц цемента и налипание их на мелющие тела.

1.7.6 Белый портландцемент(БПЦ)бывает двух видов: без активных минеральных добавок и с добавками не более 20 %. БПЦ получают из сырья с весьма малым содержанием красящих окислов (FeO,MnOи др.). Используют чистый известняк или мел и белую глину – каолин. Клинкер БПЦ состоит из алита, белита и алюминатов кальция при почти полном отсутствии алюмоферритной фазы. Для исключения возможности загрязнения цемента железом и его окислами при помоле мельницы футеруют фар­форовыми или кремневыми плитами. Для помола применяют мелющие тела из фарфора или высокоглиноземистого материала – уралита. Обжиг клинкера производится на беззольном топливе – мазуте или газе. Клинкер подвергают так называемому отбеливанию – резкому охлаждению от 1250…1350 °С до 500…600 °С, в результате которого белит теряет способность растворять окислы железа. Марки БПЦ: 400 и 500. По белизне он делится на три сорта.

1.7.7. Цветные портландцементы(ЦПЦ)получают двумя способами: 1) совместным помолом белого клинкера с минеральными красителями: охрой, железным суриком, марганцевой рудой, ультрамари­ном и др.; 2) путем введения в безжелезистую сырьевую смесь красящих пигментов (окислов хрома, марганца, кобальта, никеля и др.). Окрашенные клинкеры дают редкие и насыщенные цвета, недоступные при первом способе. Марки: 300, 400 и 500.

studfiles.net


Смотрите также