2.1.4 Портландский цемент (портландцемент). Цемент портландский


Портландский цемент | Штукатурные работы

Портландский цемент является одним из лучших вяжущих материалов, твердеющих как на воздухе, так и в воде.

Портландский цемент получается обжигом до полного спекания при температуре 1450° природных известковых мергелей или искусственных смесей, состоящих из 22—25% глины и 78—75% углекислого кальция. Обжиг сырья производится в шахтных или вращающихся печах.

Полученный после обжига мергель или искусственную смесь называют клинкером. Клинкер после обжига выдерживают на складе в течение 1—3 недель. Это необходимо для того, чтобы имеющаяся в клинкере свободная известь погасилась под действием содержащейся в воздухе влаги. Выдерживание делает клинкер менее твердым, что облегчает его помол, а также замедляет схватывание цемента и придает ему свойство равномерно изменять свой объем.

После выдерживания клинкер перемалывают, добавляя при помоле 2—5% необожженного гипса, который необходим для регулирования схватывания цемента. Кроме того, при помоле в цемент добавляют до 15% шлака или активных минеральных добавок1 или до 10% инертных, т. е. недействующих на цемент добавок (песок, известняк) которые, не понижая качества цемента, увеличивают его количество.

В готовом виде цемент представляет собой зеленовато-серый порошок.

Перемолотый цемент хранят в силосах (складах), в которых он охлаждается (после помола цемент имеет температуру +120— +150°), и в нем полностью гасится оставшаяся свободная известь. Цемент выдерживают в ямах до тех пор, пока при испытании он не будет давать равномерного изменения объема.

Тонкость помола клинкера оказывает большое влияние на прочность цемента. Поэтому ГОСТ требует, чтобы через сито с 4900 отв/см2 просеивалось не менее 85% цемента.

Начало схватывания цемента должно наступать не ранее чем через 45 мин., а конец—не позднее чем через 12 час. с момента затворения его водой.

Начало схватывания определяют следующим образом: наливают на стекло немного чистого цементного теста и через некоторое время пробуют его концом отрезовки; если разрез теста перестает заплывать, значит, цемент начал схватываться.

В теплое время года или в теплом помещении цемент схватывается быстрее, в холодное время схватывание цемента замедляется. Цементное тесто затвердевает в результате происходящего между цементом и водой химического процесса. Процесс превращения цементного теста в твердое тело — цементный камень — происходит долгие годы. Однако уже на 28-й день цементный камень приобретает необходимую прочность, т. е. способность выдерживать определенную нагрузку и не разрушаться.

Предел прочности определяет наибольшую нагрузку, которую выдерживает испытуемый материал. Числовое значение (в кг/см2) предела прочности на сжатие образца, приготовленного из раствора состава 1:3 (1 часть цемента и 3 части песка по весу), после затворения водой носит название марки цемента. Например, марка 200 означает, что образец разрушается при нагрузке в 200 кг/см2; марка 400 — при нагрузке в 400 кг/см2; марка 600— при нагрузке в 600 кг/см2.

По прочности цемент делится на шесть марок: 200, 250, 300, 400, 500 и 600. Для штукатурных, работ обычно применяют цемент марки 200.

Об активных минеральных добавках см. §10 Цемент должен храниться в сухих складах с дощатыми полами, поднятыми на 50 см от земли. От воздействия сырости цемент портится, а от длительного хранения теряет свои качества. При хранении цемента даже в сухом складе он через 3 месяца теряет прочность до 20 %, через 6 месяцев — до 30 %, а через 1 год — до 40%.

Значительно снижают прочность цементного раствора сернокислые соли, соляная, уксусная, щавелевая кислоты, а также сернокислое железо, морская вода, сахар. Поэтому штукатурные работы в условиях, в которых возможно воздействие этих веществ, производят особыми сортами цемента.

Нефть, керосин, масло и смолы, если они не содержат некоторых видов кислот, на прочность цемента не влияют.

Для ускорения схватывания и твердения портландцементных растворов применяют хлористый калий, хлористый натрий, а для замедления — сернокислое железо и др.

www.stroitelstvo-new.ru

5. Портландцемент

Определение и классификация. Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тонкого помола портландцементного клинкера с добавкой гипса. Двуводный гипс в количестве 1,5 … 3,5% вводят для регулирования сроков схватывания портландцемента.

Портландцементный клинкер – продукт обжига до спекания сырьевой тонкодисперсной однородной смеси, состоящей преимущественно из известняка и глины. Такой состав сырья обеспечивает преобладание в клинкере высокоосновных силикатов кальция.

Различают следующие основные разновидности портландцемента:

1) Бездобавочный – введение активных минеральных добавок не допускается, получают помолом лишь портландцементного клинкера с добавкой гипса. Бездобавочный портландцемент имеет в сокращенном обозначении индекс Д0.

2) Портландцемент с активными минеральными добавками. Так называют вяжущие, получаемые совместным помолом портландцементного клинкера и активной минеральной добавки, либо их смешиванием после раздельного измельчения. В качестве подобных добавок используют горные породы (диатомит, трепел, опока, вулканический пепел, пемза и т.д.) и твердые или пылеобразные отходы промышленности (доменные шлаки, нефелиновый шлам, золы уноса ТЭЦ), состоящие преимущественно из аморфного кремнезема.

Ввод этих добавок позволяет значительно снизить себестоимость производимого портландцемента при несущественных потере марочной прочности и замедлении сроков схватывания. Кроме этого, аморфный кремнезем, составляющий основу активных минеральных добавок, легко вступает во взаимодействие с гидроксидом кальция, получающимся при гидратации портландцемента, с образованием труднорастворимых гидросиликатов кальция. Последние, в отличие от Са(ОН)2, не вымываются из цементного камня, повышая водостойкость продукта гидратации.

Портландцемент с активными минеральными добавками подразделяется на два вида. В первый (индекс в обозначении Д5) все виды минеральных добавок могут вводится в количестве до 5%. Во второй вид (Д20) допускается вводить до 10% добавок осадочного происхождения и до 20% прочих активных добавок. Выпускаются следующие марки портландцемента с минеральными добавками – М400, М500, М550, М600.

3) Шлакопортландцемент (ШПЦ). К этой разновидности относят гидравлическое вяжущее вещество, которое получают совместным помолом портландцементного клинкера и доменного гранулированного шлака с добавлением гипса. Шлакопортландцемент можно изготавливать также и путем смешивания указанных компонентов уже после их раздельного измельчения. Содержание шлака в таком вяжущем составляет от 20 до 80 % по массе цемента.

Содержание в шлаке аморфного кремнезема придает вяжущему те же свойства, что и активные минеральные добавки, однако, присутствие в нем свободной извести приводит к образованию в продуктах гидратации повышенного количества низкоосновных гидросиликатов кальция. Производится шлакопортландцемент марок М300, М400 и М500.

Шлакопортландцемент имеет более низкую по сравнению с обычным портландцементом стоимость – он дешевле примерно на 15…20%. Помимо этого, шлакопортландцемент проявляет большую активность при тепловлажностной обработке (t = 80…95 °С). Эта разновидность вяжущего также характеризуется замедленным набором прочности в начальные сроки твердения, однако, в более отдаленные сроки прочность нарастает, и через 2…3 месяца уже превосходит прочность портландцемента той же марки. Помимо этого, шлакопортландцемент характеризуется большей жаро- и водо- и сульфатостойкостью, чем у обычного портландцемента.

Недостатком шлакопортландцемента является пониженная морозо- и атмосферостойкость, что ограничивает применение вяжущего в условиях попеременного замораживания и оттаивания, а также увлажнения и высушивания.

4) Пуццолановый портландцемент (ППЦ). Это гидравлическое вяжущее вещество получают совместным помолом портландцементного клинкера, гипса и активной минеральной добавки в количестве 21…30 % или тщательным смешиванием этих же компонентов, измельченных раздельно. Учитывая повышенное количество активной минеральной добавки, к портландцементному клинкеру предъявляется требование в части содержания трехкальциевого алюмината – не более 8 %.

Выпускают пуццолановый портландцемент марок М300 и М400. Его особенностью является замедленный набор прочности в ранние сроки твердения по сравнению с обычным портландцементом. Однако, при хранении во влажных условиях в течение 3…6 месяцев бетоны на пуццолановом портландцементе сравниваются по прочностным показателям с бетонами на портландцементе. Ввиду пониженной активности гидратации, пуццолановый портландцемент выделяет меньшее количество теплоты, что позволяет использовать его при бетонировании массивных конструкций, где критично развитие чрезмерных температурных деформаций.

Бетоны на ППЦ плохо набирают прочность при пониженных температурах, при +10 °С твердение практически прекращается. Напротив, при повышенных температурах и во влажных условиях интенсивность набора прочности выше, чем у бетонов на обычных портландцементах. Учитывая это, пуццолановые портландцементы целесообразно применять при производстве изделий, подвергаемых тепловлажностной обработке в пропарочных камерах или автоклавах.

Бетоны на пуццолановом портландцементе имеют повышенную водостойкость и сульфатостойкость и пониженную морозостойкость, что определяет область их применения. Их используют для изготовления подводных и подземных конструкций, подвергающихся воздействию мягких и сульфатных вод; ППЦ не рекомендуется использовать в условиях попеременного замораживания и оттаивания.

Сырьевые материалы. Основными сырьевыми материалами при производстве портландцементного клинкера являются кальцитсодержащие и глинистые породы. Содержание кальцитсодержащего компонента в сырьевой смеси должно составлять 75…80 %; глинистых пород – 20…25 %.

В качестве кальцитсодержащего компонента могут быть использованы как осадочные горные породы (известняк, мел, мергель и т.д.), так и побочные продукты производств других отраслей (доменные шлаки, нефелиновый шлам и т.д.).

Известняк – порода осадочного происхождения с содержанием кальцита CаСО3 не менее 50 %. В качестве примесей может содержать кремнезем, глину, оксиды железа, доломит и др. Существуют следующие разновидности известняков, отличающиеся прочностью сцепления кристаллов: зернисто-кристаллический известняк (мрамор), плотный известняк, землисто-рыхлый известняк (мел), известковый туф, известняк-ракушечник. Для производства портландцемента наиболее пригодны известняки с невысоким пределом прочности при сжатии, что позволяет сократить энергозатраты при помоле сырья.

Мел – кальцитсодержащая осадочная порода со слабо сцементированными частицами. Почти целиком состоит из порошкообразного кальцита. Содержание кальцита CаСО3 в меле не менее 96…98 %. Прочность при сжатии мела составляет 0,5…15 МПа. Структура мела позволяет проводить измельчение без предварительного дробления, что существенно снижает стоимость производства портландцемента.

Мергель – осадочная горная порода, состоящая из смеси мельчайших зерен кальцита (50…80 %) и глинисто-песчаных частиц (20…50 %) с примесями доломита, кварцевого песка, полевого шпата и др. Мергель называют натуральным, если соотношение основных компонентов соответствует требуемому для сырьевой смеси. Такие мергели являются особо ценным сырьем для производства портландцементного клинкера.

Доменные шлаки – силикатные и алюмосиликатные расплавы, образующиеся в доменных печах при выплавке чугуна. Химический состав доменных шлаков (SiO2 – 36…40 %; CaO – 42…44 %; Al2O3 – 5…15 %) позволяет замещать ими глинистую и часть кальцийсодержащей составляющей сырьевой смеси.

Нефелиновый шлам – отход переработки апатитовых пород в глинозем, поташ, соду. В основном состоит из минерала белита 2CaO·SiO2. При использовании шлама в состав сырьевой смеси вводят корректирующие добавки – глиноземистую и железистую. Нефелиновый шлам имеет повышенное содержание щелочей, что является его недостатком.

При производстве портландцементного клинкера также используются различные виды глинистых пород: глины, суглинки, лесс и т.д.

Глины – тонкодисперсные горные породы, образующиеся в результате выветривания и глубокого химического преобразования полевошпатных пород. В процессе преобразования образуются различные минералы: монтмориллонит, каолинит и другие гидроалюмосиликаты. Помимо этого в глине присутствуют крупные частицы неразложившихся полевого шпата и слюд, зерна кварцевого песка. Эти включения труднее всего вступают в реакции при обжиге, поэтому количество крупных фракций размером более 0,2 мм не должно превышать 10 %. В небольших количествах имеются СаО и MgO в виде углекислых солей. Примеси в виде Na2O, K2O и MgO нежелательны, их содержание в глине, используемой в качестве сырья при производстве портландцементного клинкера, должно быть минимально. В остальном химический состав глин характеризуется наличием следующих оксидов: SiO2 – 70…80 %; Al2O3 – 5…15 %; Fe2O3 – 3…10 %.

Суглинок – глина, содержащая повышенное количество частиц более крупных, чем глинистые – песчаных и пылеватых.

Лесс – тонкозернистая рыхлая горная порода, состоящая из пылевидных частиц кварца, полевого шпата, глинистых минералов и других силикатов. Помимо этого в лессах содержится значительное количество карбоната кальция.

Минералогический состав. Применяемые для производства портландцементного клинкера сырьевые материалы обеспечивают преобладание в нем высокоосновных силикатов кальция. Помимо этого, при взаимодействии с оксидами Al2O3 и Fe2O3 образуются отдельные группы минералов. Каждый из клинкерных минералов имеет свои специфические свойства.

Трехкальциевый силикат (алит) характеризуется химической формулой 3CaO·SiO2 (сокращенная запись C3S). Содержание его в портландцементе составляет 40…65 %. Являясь химически активным минералом, оказывает решающее влияние на скорость твердения цемента. Алит быстро набирает прочность, образуя довольно плотный продукт гидратации. При взаимодействии с водой выделяет большое количество тепла.

Двухкальциевый силикат (белит) имеет химическую формулу 2CaO·SiO2 (сокращенно C2S). По химической активности заметно уступает алиту. Продукт твердения белита, затворенного водой, в ранние сроки твердения имеет невысокую прочность, при этом выделяется очень мало тепла. Однако, в дальнейшем, при благоприятных условиях, в течение нескольких лет способен увеличивать прочность. Белита в портландцементе может содержаться от 15 до 40 %.

Трехкальциевый алюминат как химическое соединение выражается формулой 3CaO·Al2O3 (С3А). Имеет наибольшую химическую активность среди основных минералов портландцементного клинкера. Процесс его гидратации завершается в первые сутки твердения, при этом выделяется наибольшее количество теплоты. Однако продукт твердения трехкальциевого алюмината имеет низкую долговечность. Содержание в портландцементе С3А колеблется от 2 до 15 %.

Четырехкальциевый алюмоферрит (целит) принят в качестве клинкерного минерала как среднее значение содержащихся в портландцементном клинкере алюмоферритов кальция переменного состава. Химический состав выражается формулой 4CaO·Al2O3·Fe2O3 (С4АF). По химической активности занимает среднее положение между С3А и алитом. Продукт гидратации имеет прочность, меньшую, чем у алита. В портландцементе С4АF может быть от 10 до 20 %.

В зависимости от минералогического состава различают следующие виды портландцемента:

– алитовый: содержание C3S более 60 %, а соотношение C3S:C2S более 4;

– белитовый: содержание C2S превышает 38 % при отношении C3S:C2S менее 1;

– алюминатный, содержащий С3А больше 15 %;

– алюмоферритный (целитовый), в котором С4АF содержится более 18 %.

Технология производства портландцемента. Процесс производства портландцемента весьма сложен и включает в себя следующие операции: добычу и транспортировку сырьевых материалов, приготовление сырьевой смеси, получение клинкера путем обжига сырьевой смеси до спекания, тонкий помол клинкера с гипсом и добавками, расфасовка полученного портландцемента и отгрузка его потребителю.

Добыча сырья производится открытым способом в карьерах. В целях обеспечения экономической эффективности предприятия по производству цемента должны располагаться вблизи карьеров, что минимизирует затраты на транспортировку добытого сырья.

В зависимости от технологии подготовки сырьевой смеси к обжигу различают два основных способа производства портландцемента: сухой и мокрый.

При мокром способе производства сырьевые компоненты предварительно дробят в зависимости от прочности известковой составляющей на валковых, щековых или молотковых дробилках, затем измельчают с добавлением 36…42 % воды в специальных бассейнах-болтушках. В бассейнах отдельно готовятся суспензии глинистого и известкового компонента. Из бассейнов суспензии в заданных соотношениях поступают в шаровые мельницы для тонкого измельчения. Шаровая многокамерная мельница представляет собой полый цилиндр диаметром 1,8…3,5 м, длиной 8…15 м. Внутренняя поверхность цилиндра облицована стальными плитами и разделена поперечными дырчатыми перегородками на камеры. В камерах находятся стальные шары и цилиндры. Мельница вращается на полых цапфах, через которые ее с одной стороны загружают, а с другой разгружают. Суспензия смеси сырьевых материалов проходит через все камеры мельницы, измельчаясь под ударами стальных шаров и цилиндров. Из мельницы выходит однородная масса – шлам. Шлам насосами перекачивают в шламбассейны, где проверяют и, при необходимости, корректируют вводом добавок его состав. Шлам хранится в шламбассейнах, где его постоянно перемешивают, откуда его по мере надобности насосами перекачивают на обжиг.

Сырьевую смесь обжигают в цилиндрических вращающихся печах диаметром 4…5 м и длиной 150…185 м. Изнутри печь футерована огнеупорным материалом. Ось цилиндра печи немного наклонена к горизонтали. Шлам питателями-дозаторами подается в верхний конец печи. Так как печь медленно вращается вокруг оси, обжигаемый материал передвигается к нижнему концу. В нижней части печи расположена форсунка, подающая топливо, которое, сгорая, образует горячие топочные газы. Газы движутся навстречу обжигаемому материалу.

Вначале шлам подсушивается, образуя комья. При достижении материалом температурной зоны с t = 500…750 °С происходит процесс выгорания органических примесей, начинается дегидратация глинистого компонента сырья. Глина теряет пластические и связующие свойства, в результате чего комья материала распадаются в порошок. В зоне печи с t = 750…800 °С начинаются реакции в твердом состоянии между компонентами сырья. Интенсивность этих реакций возрастает с повышением температуры; частицы порошка, сцепляясь, образуют гранулы разного размера. При температуре 900…1000 °С карбонат кальция диссоциирует с образованием окиси кальция и углекислого газа, который удаляется из печи вместе с продуктами горения. По достижении зоны с t = 1250…1250 °С интенсивно протекают реакции взаимодействия оксида кальция с глиноземом, оксидом железа и кремнеземом. Здесь образуются двухкальциевый силикат, трехкальциевый алюминат и четырехкальциевый алюмоферрит. При температуре свыше 1300 °С С3А и С4АF переходят в расплав, в котором частично растворяются CaO и С2S. В растворенном состоянии они реагируют между собой, образуя трехкальциевый силикат С3S. C3S кристаллизуется из расплава при температуре около 1450 °С. Понижение температуры до 1300 °С сопровождается застыванием жидкой фазы, и завершением процесса спекания с образованием гранул портландцементного клинкера.

Сухой способ производства портландцемента применяют тогда, когда в качестве сырьевых материалов используют мергели или смеси твердых известняков и влажных глин. При этом способе в шаровой трубной мельнице совмещаются процессы измельчения, сушки и перемешивания сырья. В этом случае сырьевая смесь выходит из мельницы в виде тонкодисперсной сырьевой муки. Хранится сырьевая мука в железобетонных силосах, где проверяется и корректируется по заданным параметрам ее состав. Перемешивается мука в силосах сжатым воздухом. Готовая смесь поступает на обжиг. Конструкция вращающейся печи для сухого способа производства несколько отличается от аналогичной для мокрого способа, так как на обжиг поступает высушенная сырьевая мука. В данном случае печь оборудуется запечными циклонными теплообменниками, в которых смесь быстро нагревается до 650…800 °С, дегидратируется и частично декарбонизируется. После теплообменников обжиг клинкера завершается в основной секции печи; дальнейший ход процесса аналогичен описанному выше для мокрого способа производства.

Сухой способ по сравнению с мокрым за счет применения циклонных теплообменников обеспечивает снижение затрат топлива при обжиге клинкера на 40…50 %.

Получаемый в результате обжига клинкер представляет собой гранулы серовато-зеленого цвета размером от 15 до 70 мм. После обжига клинкер охлаждают до 80…100 °С в холодильнике. Затем его отправляют на склад, где выдерживают в течение 1…2 недель. За это время оставшийся в клинкере после обжига свободный оксид кальция гасится влагой воздуха и уменьшается твердость гранул.

Помол клинкера с добавкой 3…5 % гипсового камня осуществляется в многокамерных шаровых мельницах. Мельница может работать «на проход», то есть когда клинкер непрерывно поступает со стороны камер грубого помола, а измельченный материал выходит из камеры тонкого помола. Мельница может работать и по замкнутому циклу. В этом случае в ее конструкцию входит центробежный сепаратор, отделяющий крупные зерна, возвращаемые на домол, обеспечивая высокую тонкость помола.

Твердение портландцемента. Твердение портландцемента есть процесс превращения цементного теста (смеси портландцемента с водой) в цементный камень с образованием новых гидратных соединений.

При затворении портландцемента водой в начальный период происходит растворение клинкерных минералов с поверхности зерен цемента до образования насыщенного раствора. Растворение клинкерных минералов прекращается, взаимодействие с водой продолжается путем протекания реакций гидратации (присоединения воды к минералам клинкера) и гидролиза (разложение минералов на другие соединения под действием воды).

Второй период твердения – коллоидация – сопровождается прямой гидратацией клинкерных минералов в твердом состоянии без предварительного их растворения. Период коллоидации сопровождается повышением вязкости цементного теста, характеризующим процесс схватывания портландцемента.

В течение третьего периода протекают процессы перекристаллизации мельчайших коллоидных частиц новообразований. Результатом является рост крупных кристаллов, что обеспечивает твердение и увеличение прочности образовавшегося цементного камня.

Процессы, происходящие при взаимодействии клинкерных минералов с водой характеризуются следующими уравнениями:

– гидролиз трехкальциевого силиката:

3CaO·SiO2 + (n+1)h3O = 2CaO·SiO2·nh3O + Ca(OH)2;

– гидратация двухкальциевого силиката:

2CaO·SiO2 + nh3O = 2CaO·SiO2·nh3O;

– гидратация трехкальциевого алюмината:

3CaO·Al2O3 + 6h3O = 3CaO·Al2O3·6h3O;

– гидролиз четырехкальциевого алюмоферрита:

4CaO·Al2O3·Fe2O3+ mh3O = 3CaO·Al2O3·6h3O + CaO·Fe2O3·nh3O.

Имеющийся в портландцементе гипс вступает в реакцию с образующимся трехкальциевым гидроалюминатом:

3CaO·Al2O3·6h3O + 3(CaSO4·2h3O) + 19h3O = 3CaO·Al2O3·3CaSO4·31h3O.

Кристаллизующийся с присоединением большого количества воды труднорастворимый гидросульфоалюминат кальция имеет название эттрингит.

При твердении портландцемента на воздухе имеет место также процесс карбонизации:

Ca(OH)2 + СO2 + nh3O = CaСO3 + n+1h3O.

Карбонизация происходит с поверхности цементного камня; образующийся труднорастворимый карбонат кальция заполняет собой поры, уплотняя структуру и создавая малопроницаемую пленку.

Все описанные процессы протекают одновременно, оказывая влияние друг на друга. В результате формируется структура цементного камня; он набирает прочность и приобретает прочие эксплуатационные параметры. Структурообразующие процессы интенсивно продолжаются первые 3…7 суток, в дальнейшем они замедляются, однако, при эксплуатации во влажных условиях продолжаются в течение еще многих лет.

Свойства портландцемента. К основным свойствам портландцемента относятся: насыпную и истинную плотность, тонкость помола, нормальную густоту цементного теста, сроки схватывания, равномерность изменения объема и активность. Все эти свойства зависят от минералогического состава портландцементного клинкера, наличия добавок, технологии производства, способа хранения и т.д.

Истинная и насыпная плотность. Истинная плотность портландцемента может изменяться в широких пределах: от 3,0…3,2 до 2,7…1,9 г/см3. Портландцементы с активными минеральными добавками имеют меньшее значение истинной плотности.

Методика определения истинной плотности портландцемента аналогична подобной для любого материала. Разница состоит в том, что вместо воды пикнометр заполняется керосином или другой инертной по отношению к портландцементу жидкостью. Истинную плотность портландцемента , г/см3, вычисляют по формуле

(1)

где т – масса пикнометра с портландцементом, г;

т1 – масса пустого пикнометра, г;

т2 – масса пикнометра с инертной жидкостью, г;

т3 – масса пикнометра с портландцементом и инертной жидкостью после удаления пузырьков воздуха, г;

ж – плотность инертной жидкостью, г/см3.

Расхождение между результатами двух определений истинной плотности не должно быть более 0,02 г/см3. В случаях больших расхождений проводят третье определение и вычисляют среднее арифметическое двух ближайших значений.

Для определения насыпной плотности портландцемента используют мерный сосуд объемом 1 литр. Порядок действий при испытании идентичен таковому для любого мелкозернистого материала. Значение насыпной плотности н, кг/м3 вычисляют по формуле

(2)

где т – масса мерного сосуда, г;

т1 – масса мерного сосуда с портландцементом, г;

V – объем сосуда, см3.

Определение насыпной плотности портландцемента производят два раза, при этом каждый раз берут новую порцию материала.

Тонкость помола. Испытание проводят следующим образом. Из предварительно высушенной пробы цемента для просеивания отвешивают 50 г. Используется сито № 008 (с размером ячеек в свету 0,08 мм). Процесс производят вручную или при помощи прибора для механического просеивания. Операцию просеивания считают законченной, если при контрольном просеивании сквозь сито проходит не более 0,05 г цемента. Остаток на сите взвешивают. Цемент считается удовлетворяющим требованию ГОСТ, если через сито его проходит не менее 85 %.

Нормальная густота цементного теста (водопотребность). Определяют при помощи прибора Вика. В нижнюю часть стержня прибора вставляют металлический цилиндр-пестик диаметром 10 мм.

Порядок проведения испытания следующий. 400 г цемента высыпают в чашу, предварительно смоченную влажной тканью. В цементе делают углубление, в которое вливают предварительно отдозированную воду. В течение 5 мин. с момента приливания воды тесто размешивают. Полученным тестом заполняют кольцо прибора Вика. Пестик приводят в соприкосновение с поверхностью цементного теста в центре кольца, зажимая стержень стопорным винтом. Отпуская стопорный винт дают пестику 30 секунд свободно погружаться в тесто. Величину погружения фиксируют. Нормальной густотой цементного теста считают такую его консистенцию, при которой пестик не доходит на 5…7 мм до пластинки, на которой установлено кольцо. При несоответствующей консистенции цементного теста изменяют количество воды и вновь затворяют тесто, добиваясь погружения пестика на указанную глубину. Нормальную густоту цементного теста характеризуют количеством воды затворения, выраженным в процентах от массы цемента.

Сроки схватывания цементного теста. Сроки схватывания также определяют при помощи прибора Вика на цементном тесте нормальной густоты. Прибор Вика оборудуется иглой диаметром поперечного сечения 1 мм2. Кольцо прибора заполняется цементным тестом нормальной густоты. Игла приводится в соприкосновение с поверхностью теста; в этом положении стержень зажимается стопорным винтом. Затем стержень отпускают, давая игле свободно погружаться в тесто. Иглу погружают каждые 10 минут, протирая ее и меняя место погружения. Началом схватывания считают промежуток времени от момента затворения цемента водой до момента, когда игла не дойдет до пластинки, на которой установлено кольцо на 2…4 мм. Конец схватывания это время от начала затворения до момента, когда игла войдет в тесто не более чем на 1…2 мм.

На сроки схватывания цемента влияют различные факторы: минералогический состав, тонкость помола, условия и продолжительность хранения и т.д. В таблице 1 приведены требования ГОСТ к срокам схватывания различных видов цемента.

Таблица 1

studfiles.net

ПОРТЛАНДСКИЙ ЦЕМЕНТ - это... Что такое ПОРТЛАНДСКИЙ ЦЕМЕНТ?

 ПОРТЛАНДСКИЙ ЦЕМЕНТ ПОРТЛАНДСКИЙ ЦЕМЕНТ

Цемент, получаемый через обжигание портландского оолитового известняка, или приготовляемый искусственно посредством обжигания извести с глиною.

Объяснение 25000 иностранных слов, вошедших в употребление в русский язык, с означением их корней.- Михельсон А.Д., 1865.

ПОРТЛАНДСКИЙ ЦЕМЕНТ

получается посредством сильного обжигания глинистых известняков или искусств. смеси глины с известью; в соединении с песком и водою образует каменистую массу, употребл. при подводных сооружениях; название от имени английского острова Портланда.

Полный словарь иностранных слов, вошедших в употребление в русском языке.- Попов М., 1907.

ПОРТЛАНДСКИЙ или ПОРТЛЭНДСКИЙ ЦЕМЕНТ

Цемент, получаемый обжиганием портлэндского оолита или изготовляемый искусственно из смеси взвести с глиною; служит для оштукатуривания помещений, подвергающихся сырости.

Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка.- Чудинов А.Н., 1910.

.

  • ПОРТЛАНД-ЦЕМЕНТ
  • ПОРТЛЭНДСКИЙ ЦЕМЕНТ

Смотреть что такое "ПОРТЛАНДСКИЙ ЦЕМЕНТ" в других словарях:

  • Портландский цемент — (производство) см. Цементы …   Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

  • ЦЕМЕНТ — ЦЕМЕНТ, цемента, муж. (от лат. caementum битый камень). 1. Вяжущее порошкообразное вещество, которое в смешении с небольшим количеством воды образует однородную, быстро затвердевающую массу, употр. в строительном деле при изготовлении бетона, для …   Толковый словарь Ушакова

  • ПОРТЛЭНДСКИЙ ЦЕМЕНТ — ПОРТЛАНДСКИЙ или ПОРТЛЭНДСКИЙ ЦЕМЕНТ Цемент, получаемый обжиганием портлэндского оолита или изготовляемый искусственно из смеси взвести с глиною; служит для оштукатуривания помещений, подвергающихся сырости. Словарь иностранных слов, вошедших в… …   Словарь иностранных слов русского языка

  • Искусственные камни — приготовление разного рода составов для воспроизведения И. камней, включая сюда и кирпич (см.), берет свое начало в глубокой древности, о чем свидетельствуют сохранившиеся по сие время постройки индийцев, египтян, ассириян, греков и римлян. В… …   Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

  • Внешние портовые сооружения — имеют назначением прикрывать от действия ветра и волнения избранную для стоянки судов прибрежную часть моря или ограждать вход во внутренние портовые бассейны. Это самые существенные и дорогие части портовых построек. Они называются дамбами или… …   Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

  • Изобретения и открытия — И. обыкновенно называют приспособление открытия к нуждам человечества. Так, напр., Гальвани и Вольта открыли существование электрического тока, а Шиллинг фон Канштадт, Витстон, Морзе и другие изобрели электрические телеграфы. Различие между И. и… …   Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

  • Везер — (Weser, лат. Visurgis, старонемецк. Visuracha) одна из главных рек в Германии, образуется соединением при Мюндене (117,5 м над уровнем моря) двух рек, Верры и Фульды; направляется к северо западу через прусские, брауншвейгские и липпские (Lippe)… …   Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

  • Люнебург город в Пруссии — (Luneburg) город в прусской провинции Ганновер, на реке Ильменау. 4 церкви (две XIV века, одна XV, с гробницами люнебургских князей), старинная ратуша, городская библиотека с богатым собранием документов. Производство чугуна и железа,… …   Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

  • Люнебург, город — (Luneburg) город в прусской провинции Ганновер, на р. Ильменау. 4 церкви (две XIV века, одна XV, с гробницами люнебургских князей), старинная ратуша, городская библиотека с богатым собранием документов. Производство чугуна и железа, портландский… …   Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

  • отре́пье — я, ср., собир. и отрепья, ьев, мн. разг. Изношенная и разорванная одежда; лохмотья. На Волге, на одном из пароходов, умер один нищий, ходивший в отрепье. Достоевский, Подросток. Подойдешь к пароходу: люди в отрепьях, потные, с дырами на плечах и… …   Малый академический словарь

dic.academic.ru

2.1.4 Портландский цемент (портландцемент)

Данное вещество относится к гидравлическим вяжущим материалам. Портландцементом называется продукт тонкого помола клинкера, получаемого в результате обжига до спекания искусственной сырьевой смеси.

Химический состав клинкера для обычных видов портландцемента в перечете на соответствующие оксиды следующий (в массовых %): СаО 62 – 68; SiO2 18 – 26; Al2O3 4 – 9; Fe2O3 0,3 – 6,0.

В качестве сырья применяют породы, состоящие из карбоната кальция и силикатов. Это известняки и глины (по массе берутся 3:1).

Во многих месторождениях известняки содержат глины. При относительно невысоком их содержании (от 5 до 12%) известняки называют глинистыми, от 12 до 20% - мергелистыми, 20 – 25% и выше – мергели. Последние часто используются для производства портландцемента.

Сырьевую смесь получают, строго дозируя известняк и глину (либо заменяющие их вещества). Часто, чтобы смесь имела нужный химический состав, добавляют корректирующие добавки – колчеданные огарки, железная руда, песок, трепел и др.

Существуют два основных способа производства портландцемента – мокрый и сухой. По мокрому способу сырьевую смесь готовят, измельчая и смешивая сырьевые материалы с водой. Образующаяся сметанообразная жидкость называется шламом.

По сухому способу сырье предварительно высушивают, затем измельчают и смешивают. Чаще используют мокрый метод. При этом стремятся получить наиболее тонкую и однородную смесь (высокой дисперсности). Это предопределяет хорошее качество клинкера.

Обжиг сырьевой смеси проводят в специальной печи. Она условно делится на шесть зон:

1 зона – высушивание сырьевой смеси, удаление воды в виде пара.

2 зона – расположена ниже первой зоны, при температуре 500 – 800 0С здесь происходит дегидратация минералов глины. В результате образуется разрыхленный материал, что увеличивает реакционную способность смеси.

Первые две зоны составляют 50 – 60% длины печи.

3 зона – разложение карбоната кальция до оксида при температуре 900 – 1200 0С. Здесь же начинаются реакции взаимодействия твердых оксида магния и продуктов дегидратации глины, образующихся во второй зоне. В результате образуется кальциевый алюминат СаО ∙ Al2O3 и двухкальциевый силикат 2СаО ∙ SiO2.

4 зона – при 1000 – 1250 0С усиливаются процессы, идущие в третьей зоне в твердом состоянии. Однокальциевый алюминат СаО ∙ Al2O3, насыщаясь известью, образует 5СаО ∙ 3Al2O3 и некоторое количество трехкальциевого алюмината 3СаО ∙ Al2O3. Завершается образование двухкальциевого силиката 2СаО ∙ SiO2. Некоторое количество СаО остается в свободном виде.

5 зона – полное связывание свободной извести. При температуре до 1450 0С материал частично плавится, завершается образование силикатов и алюминатов кальция. Смесь спекается, образуя зернистую массу – клинкер. Размер частиц клинкера составляет 4 – 20 мм.

6 зона – охлаждение клинкера до температуры 1000 – 1200 0С.

Более полное охлаждение продукта происходит в специальных холодильниках.

В состав портландцементного клинкера, в основном, входят следующие минералы: силикаты - 3СаО ∙ SiO2 (40 – 65%), 2СаО ∙ SiO2 (15 – 40%), 3СаО ∙ 2SiO2, СаО ∙ SiO2; алюминаты - 3СаО ∙ Al2O3 (5 – 15%), 5СаО ∙ 3Al2O3, СаО ∙ 2Al2O3, СаО ∙ Al2O3; ферриты – 2СаО ∙ Fe2O3, 2СаО ∙ Fe2O3; алюмоферрит - 4СаО ∙ Al2O3 ∙ Fe2O3 (10 – 20%).

Охарактеризуем основные их этих соединений отдельно.

Трехкальциевый силикат (3СаО ∙ SiO2). Для портландцемента имеет большое значение. Обладает ярко выраженными вяжущими свойствами. Активно взаимодействуя с водой, он быстро твердеет. При этом приобретает большую прочность.

Двухкальциевый силикат (2СаО ∙ SiO2). Твердеет значительно медленнее, чем 3СаО ∙ SiO2. Образующийся продукт обладает меньшей прочностью. Но следует отметить, что с течением лет прочность в благоприятных для твердения условиях значительно возрастает.

Трехкальциевый алюминат (3СаО ∙ Al2O3). Является наиболее активным минералом клинкера. Очень быстро схватывается при затворении водой. Однако продукт твердения имеет довольно низкую прочность.

Четырехкальциевый алюмоферрит (4СаО ∙ Al2O3 ∙ Fe2O3). Твердеет медленно, но все же быстрее, чем двухкальциевый алюминат. Прочность продуктов тоже немного выше.

Таким образом, варьируя соотношение различных составных частей клинкера, можно получать цемент с нужными свойствами.

Все минералы цементного клинкера – безводные соединения. При обычной температуре они слабо растворимы в воде. Образующиеся при контакте минералов с водой гидратированные формы (за исключением Са(ОН)2) в воде практически не растворимы.

Силикаты и алюминаты кальция – соли, образованные сильным основанием и слабой кислотой. Они могут гидролитически расщепляться, повышая щелочность раствора.

Содержащийся в портландцементе в наибольшем количестве трехкальциевый силикат, при действии на цементный порошок водой, подвергается гидролитическому распаду:

3СаО ∙ SiO2 + (n + 1)h3O = 2СаО ∙ SiO2 ∙ nh3O + Ca(OH)2.

Так как по данной реакции образуется гидроксид кальция, то дальнейшие реакции клинкерных минералов с водой протекают в водной среде, обычно насыщенной Ca(OH)2.

Двухкальциевый силикат находится в одной реагирующей системе вместе с трехкальциевым силикатом. При обычных условиях твердения он практически не подвергается гидролитическому разложению, а только гидратируется:

2СаО ∙ SiO2 + nh3O = 2СаО ∙ SiO2 ∙ nh3O.

Взаимодействие трехкальциевого алюмината с водой происходит по следующему уравнению:

3СаО ∙ Al2O3 + 6h3O = 3СаО ∙ Al2O3 ∙ 6h3O.

При помоле клинкера в мельницу всегда добавляют небольшое количество гипса CaSO4 ∙ 2h3O. Тогда процессы взаимодействия трехкальциевого алюмината с водой идут иначе:

3СаО ∙ Al2O3 + 6h3O +3CaSO4 +25(26)h3O =

= 3СаО ∙ Al2O3 ∙ 3CaSO4 ∙ 31(32)h3O.

Четырехкальциевый алюмоферрит так же гидролитически расщепляется при взаимодействии с водой:

4СаО ∙ Al2O3 ∙ Fe2O3 + (m + 6)h3O =

= 3СаО ∙ Al2O3 ∙ 6h3O + СаО ∙ Fe2O3 ∙ mh3O.

Далее, образующийся гидроферрит кальция взаимодействует с гидроксидом кальция (последний выделяется из трехкальциевого силиката). В результате образуется 3(4)СаО ∙ Fe2O3 ∙ nh3O.

studfiles.net

Чем отличается обычный цемент от портландцемента

Цемент – основной материал в строительной отрасли. Используется вместе с песком для формирования раствора или с другими инертными материалами, такими как щебень. Качество цемента и производные продукты зависят от сырья и пропорций составляющих компонентов, особенно в процентном отношении к воде. Соотношение вода/цемент имеет значение во избежание ухудшения сопротивления и механических свойств массы.

Цемент может быть улучшен по технологическим показателям и связано это не только с влагонепроницаемостью. Применяя добавки, цемент становиться более текучим, что особенно хорошо при отделочных работах или для заполнения конкретных форм. Если необходимо использовать цементный раствор в качестве клея – применяют специальные материалы, делающие его похожим на пасту. Добавка представляет собой вид смолы, при замешивании с цементом в небольших количествах преобразует его совершенно в другой материал. Цемент очень щедрый материал, дешевый и простой в использовании.

Определение портландцемента

Портландцемент – широко применяемый тип цемента, употребляется в качестве связующей основы для получения раствора.

Был изобретен в 1824 году в Англии каменщиком Джозефом Аспдином и получил свое название по сходству и внешнему виду с известняком Портленда, острова в графстве Дорсет (Англия).

Портландцемент получают путем измельчения клинкера с добавлением мела в необходимом количестве для упорядочения процесса гидратации. Проведя микроскопический анализ на куске цемента можно обнаружить присутствие четырех основных компонентов, а именно L алита (трехкальциевого силиката), белита (дикальция силикат), целита (трехкальциевого алюмината) и браунмиллерита (алюминат феррита).

Производство портландцемента происходит в три стадии:

  1. Приготовление сырой смеси из сырья.
  2. Производства клинкера.
  3. Подготовка цемента.

В качестве сырья для производства Портланд материалов применяют минералы содержащие оксиды:

  • Кальция СаО (44%)
  • Кремния SiO 2 (14,5%)
  • Алюминия Al2O3 (3,5%)
  • Железа Fe2O3 (2%)
  • Магния MgO (1,6%)

Добыча происходит в шахтах, под землей или открытым небом в непосредственной близости от завода, которые, как правило, уже имеют требуемую композицию, а в некоторых случаях необходимо добавить глину, известняк, железную руду, бокситы или остатки литейных материалов.

Смесь нагревают в специальной цилиндрической печи, расположенной горизонтально с небольшим наклоном и медленно вращающейся. Температура поднимается вдоль цилиндра примерно до 1480°С.

Градус нагрева определяется таким образом, что минералы агрегируют, но не плавятся. В нижней секции карбонат кальция (известняк) распадается на оксид кальция и двуокись углерода (CO2).

В высокотемпературной зоне оксид кальция вступает в реакцию с силикатами, образуя силикат кальция (CaSiO3 и Ca2Si2O5), небольшое количество трехкальциевого алюмината (Ca3Al2O6) и алюминат феррита (C4AF, результат реакции 4CaO + Al2O3 + Fe2O3).

Полученный материал называют клинкер. Клинкер может храниться в течение многих лет, прежде чем поступит в производство при условии – избегать контакта с водой.

Теоретическая энергия необходимая для производства клинкера составляет около 1700 джоуль на грамм, величина дисперсии намного выше и может достигать до 3000 джоулей на грамм. Это предполагает большую потребность в энергии и значительное высвобождение двуокиси углерода в атмосферу – парниковых газов.

Количество углекислого газа в атмосфере в среднем равно 1,05 кг CO2 на 1 кг портландцементного клинкера.

Для улучшения характеристики готового продукта в клинкер добавляют около 2% гипса или сульфата кальция и смесь тонко измельчают. Полученный порошок фасуется и готов к использованию.

Цементный состав:

  • 64% оксид кальция.
  • 21% оксид кремния.
  • 6,5% оксид алюминия.
  • 4,5% оксид железа.
  • 1,5% оксид магния.
  • 1,6% сульфат.
  • 1% других материалов, в том числе воды.

Портландцемент смешивают с водой, полученная смесь затвердевает в течение нескольких часов. Первоначальное упрочнение обусловлено реакцией между водой, гипсом и трехкальциевым алюминатом формируя кристаллическую структуру алюмината кальция гидрата (CAH), эттрингита (AFT) и моносульфата (AFM).

Последующее затвердение и развитие внутренних сил натяжения получено из медленной реакции воды с трех кальциевым силикатом с образованием силиката кальция аморфной структуры под названием гидрат (CSH гель). В обоих случаях, структуры обволакивают и связывают присутствующие отдельные гранулы материала.

Завершающая реакция производит силикагель (SiO2). Все три реакции вырабатывают тепло.

Путем добавления к цементу конкретных материалов (известняк и известь) получают пластический бетон быстрой установки и высокой технологичности. Строительный раствор с использованием смеси портландцемента и извести известен как известковый раствор. Этот материал используется для покрытия наружных поверхностей зданий (гипс). Обычный бетон фактически не поддается размазыванию.

Чем отличаются эти вида цемента

Портландцемент наиболее распространенный тип цемента общедоступного пользования, используется в качестве основного ингредиента – бетона, строительного раствора, штукатурки, затирки. Был создан на основе других видов гидравлической извести в Англии в середине 19 века. Происходит из известняка.

Порошок получают путем нагрева материалов в печи, чтобы сформировать то, что называется клинкером, при добавлении небольшого количества других добавок.

Плюсы и минусы:

  • Портландцемент может вызвать химические ожоги, раздражение, при длительном контакте – рак легких. Содержит некоторые вредные компоненты, такие как кристаллический диоксид кремния и шестивалентный хром.
  • Экологические проблемы связаны с высоким потреблением энергии, необходимым для шахты, производства и транспортировки цемента, загрязнением воздуха диоксидом и твердыми частицами.
  • Низкая стоимость и широкая доступность известняка, сланцев и других природных материалов, используемых в портландцементе, делают его одним из самых низко затратных материалов, широко применяемых по всему миру. Бетон изготавливается из портландцемента и известен как универсальный строительный материал.

vchemraznica.ru


Смотрите также