Тема 2. Гидравлические вяжущие вещества

 

Портландцемент, открыт был в 1824 г. англ. каменщиком Дж. Аспдином близ города Портланд.

Параллельно в 1823 г. в России – Егором Челиевым.

Портландцементом называется гидравлическое вяжущее, представляющее собой продукт тонкого измельчения портландцементного клинкера, получаемого до спекания сырьевой смеси и в основном содержащего силиката Са.

Его получают обжигом, с последующим помолом сырьевой смеси из известняка и глины с обязательной добавкой от 3-5 % гипса для регулирования сроков схватывания.

Клинкер – это продукт обжига сырьевой смеси в виде зеленовато серых гранул размером от 10 до 40мм.

Клинкер определяет все свойства цемента, а качество клинкера определяется его химическим и минеральным составами.

Химический состав – отражает процентное содержание основных окислов.

CaO 60-63% основные 4 окисла, которые входят в химический

SiO₂ 21-24% состав клинкера и в сумме составляют 95-97%

Al₂O₃ 4-8%

Fe₂O₃ 2-4%

Кроме того, в состав клинкера входят MqO<5%, Na(K)₂O<1%, P₂O₅, TiO₂, SO₃ –серный ангидрид – всё это комбинируется в различных минералах.

В процессе обжига, доводимого до спекания, главные окислы образуют силикаты, алюминаты и алюмоферриты кальция в виде минералов кристаллической структуры.

 

МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА.

№ п/п	Название	Формула	Сокращённая формула	Сод-ие в %
1.	Трех кальциевый силикат (алит)	3CaO×SiO2	C3S	45-60
2.	Двух кальциевый силикат (белит)	2CaO×SiO2	C2S	20-30
3.	Трёх кальциевый алюминат (целит)	3CaO×Al2O3	C3A	4-12
4.	Четырёх кальциевый алюмоферрит	4CaO×Al2O3×Fe2O3	C4AF	10-20

Характеристики клинкерных минералов.

Основной минералов C₃S (алит) – химически очень активен, твердеет быстро, с образованием гидратных продуктов высокой прочности.

2-ой минерал C₂S (белит) – химически неактивен, твердеет медленно, но в поздние сроки твердения, образует, продуты высокой прочности.

3-ий минерал C₃A – сложная роль, химически чрезвычайно активен, твердеет очень быстро, с образованием рыхлых непрочных продуктов. Может вызывать «ложное» схватывание цемента.

4-ый минерал C₄AF – по скорости твердения и прочности образующихся продуктов, занимает промежуточное положение между алитом и белитом.

 

ПРОИЗВОДСТВО ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА.

Производство включает в себя 3-и основные стадии:

1. Подготовка сырьевой смеси.

2. Обжиг.

3. Помол.

1-ая стадия. В качестве сырья используют: известняк 75-78% и глину 22-25%.

Также используют либо мергели или искусственные смеси из известняков и глин, кроме того, добавляют гипс, для регулирования сроков схватывания при помоле и различные корректирующие добавки.

По способу подготовки сырья различают сухой и мокрый способы производства портландцемента. Выбор способа определяется качеством сырья. Если сырьё влажное и неоднородное по химическому составу применяют мокрый способ. При сухом и однородным сырье – сухой.

Сухой способ. Известняк и глина совместно размалываются и подсушиваются в шаровых мельницах до остаточной влажности 1-2%, получаемую сырьевую муку складируют в силосах, где в случае необходимости корректируют её состав. (Этот способ наименее энергоёмок, затраты электроэнергии в 1,5 – 2 раза меньше, чем при мокром способе).

Мокрый способ. Глину разводят в воде, затем прибавляют к нему молотый известняк и совместно дополнительно промалывают, получая сырьевой шлам с влажностью 35-45%, его складируют в шлам бассейнах, где в случае необходимости корректируют состав.

Стадия. Обжиг.

Тщательно подготовленную сырьевую смесь подают на обжиг во вращающуюся печь, которая представляет собой стальную трубу диаметром до 7 метров и длиной до 185 метров. Изнутри труба выложена огнеупорным кирпичом. Печь установлена под небольшим (3-4^°) углом к горизонту и вращается (1-2 об/мин), благодаря чему сырьевая смесь перемещается в ней от верхнего конца к нижнему, куда подается топливо. Максимальная температура обжига 1450^°С. Вращающаяся печь условно разделена на шесть зон:

I – зона называется зоной спекания, в ней испаряется физически связная вода и температура составляет менее 200^°С

II – зона подогрева, температура 200-700^°С, здесь происходит удаление химически связной воды из глин.

III – зона декорбанизации, температура 700-1000^°С. Происходит разложение карбонатов CaCO₃ = СаО +СО₂­

IV – зона экзотермических реакций, температура 1100-1250^°С, где образуются С₂S, С₃А, C₃AF.

V – зона спекания, температура 1250-1450^°С при которой образуется самый энергоемкий алит С₃S.

VI – зона охлаждения, температура ниже 1450^°С. На этой стадии получают клинкер в виде зеленовато серых гранул размером от 10до 40 мм.

Рисунок 1 – Схема вращающейся печи

 

Помол. Клинкер совместно с добавкой 3…5% гипса для регулирования сроков схватывания цемента размалывают в тонкий порошок – портландцемент в многосекционных шаровых мельницах под воздействием меряющих тел –стальных шаров или цилиндров. Готовый портландцемент охлаждают в течение нескольких дней, затем поставляют потребителю в автоцементовозах, железнодорожных вагонах или в мешках по 50 и менее кг.

 

 

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА.

 

Истинная плотность r= 3-3,2 г/см³

Насыпная плотность r_н = 900-1100 кг/м³

Тонкость помола определяется при просеивании через сито №008 (размер отверстий 0,08мм) должно проходить не менее 85%. Тонкость помола характеризуется удельной поверхностью – суммарной поверхностью всех зерён цемента, содержащихся в 1 грамме. Обычные цементы имеют удельную поверхность 2800-3000 см²/г.

Водопотребность оценивает, то количество воды, которое необходимо для протекания реакции гидратации и для придания цементному тесту необходимой пластичности. Для протекания реакции гидратации нужно примерно 15% воды, но её берут больше, для того чтобы цементное тесто было пластичным и однородным, обычно колеблется от 21-28%.

Определяется водопотребность нормальной густотой – водоцементным отношением (в/ц) в %, при котором цементное тесто обладает стандартной пластичностью, определяемой прибором Вика.

Сроки схватывания портландцемента, рассчитываемые от момента за творения, должны быть: начало – не ранее 45 минут; конец – не позднее 10 ч.

Твердение можно ускорить или замедлить. Ускорители: NaCL, CaCL_2, Ca(NO₃)₂, замедлители: гипс, сульфат железа и т.д.

Выделение тепла при твердении.

Большое количество тепла при твердении выделяют алит С₃S и С₂А. Значительно меньшее тепловыделение у белита (С₂S) и четырёхкальциевого алюмоферрита (С₄АF). Тепловыделение играет большую роль в массивных конструкциях, в которых желательно применять цементы, выделяющие небольшое количество тепла.

Влияние температуры на твердение цемента.

При снижении температуры скорость реакции твердения уменьшается, и твердение замедляется, а при температуре ниже нуля прекращается, так как вода превращается в лёд. При последующем оттаивании твердение возобновляется, но прочность такого цемента гораздо ниже. Повышение температуры ускоряет твердение цемента, но только в случае поддержания высокой влажности среды, чтобы избежать не испарение воды.

Прочность.

Прочность цемента оценивается маркой.

За марку цемента принимают пределы прочности при изгибе образцов- балочек 4х4х16 см и сжатии их половинок. Балочки изготавливают из цементно-песчаного раствора (состав 1:3)стандартной консистенции и испытывают через 28 суток нормального твердения (при комнатной температуре и влажности близкой к 100%).

Выпускают портландцемент четырёх марок 300,400, 500 и 600(цифра соответствует средней прочности образцов при сжатии выраженной в кгс/см²).

Марка цемента определяется сразу после выпуска цемента на цементном заводе, но цемент вследствие транспортировки или длительном хранении может гидратироваться и прочность его падает. Проводя прочностные испытания аналогичные проведению марки, находят активность цемента.

Активность цемента – это то, что осталось то марочной прочности на данный момент времени.

Паспортизация цемента.

Паспорт цемента должен содержать:

1. Название завода изготовителя.

2. Дату.

3. Массу партии цемента.

4. Его полное название.

5. Вид и количество добавки.

6. Нормальную густоту.

7. Марку.

8. Среднюю активность цемента при пропаривании.