ГлавнаяСтатьи

Материал - портландцемент

Гидравлическая известь и романцемент обладают рядом недостатков. Главные из них: необходимость твердения на воздухе первые 7… 14 сут, низкие прочность, морозо- и воздухостойкость. Поэтому велись поиски более совершенного вяжущего вещества. Практически одновременно (1824—1825) независимо друг от друга Егор Челиев в России и Джозеф Аспдин в Англии путем высокотемпературного обжига до спекания смеси известняков и глины получили вяжущее, обладающее большей водостойкостью и прочностью. Производство нового вяжущего, названного впоследствии портландцементом, совершенствовалось и быстро расширялось. Уже в начале XX в. портландцемент стал одним из основных строительных материалов.

Портландцемент — гидравлическое вяжущее, получаемое тонким измельчением портландцементного клинкера и небольшого количества гипса (1,5…3 ). Клинкер получают обжигом до спекания сырьевой смеси, обеспечивающей в портландцементе преобладание силикатов кальция. К клинкеру для замедления схватывания цемента добавляют гипс. Для улучшения некоторых свойств и снижения стоимости портландцемента допускается введение минеральных добавок.
Кроме портландцемента, на основе портландцементного клинкера выпускают много других видов цемента.

Производство. Основные операции при получении портландцемента: приготовление сырьевой смеси, обжиг ее до получения цементного клинкера и помол клинкера совместно с добавками.

Соотношение компонентов сырьевой смеси выбирают с таким расчетом, чтобы полученный при обжиге клинкер имел следующий химический состав (): СаО – 62…68, Si02 – 18…26, А1203 – 4…9, Fe203 — 2…6. В природе есть горная порода, обеспечивающая получение клинкера такого состава,— мергель, который представляет собой тесную смесь известняка с глиной. Но чаще используют известняк и глину (добываемые отдельно) в соотношении 3 : 1 (по массе). Кроме основных компонентов, в сырьевую смесь вводят корректирующие добавки и промышленные отходы, обеспечивающие требуемый состав клинкера.

Тщательно подготовленную сырьевую смесь подают на обжиг во вращающуюся печь (рис. 8.3), которая представляет собой стальную трубу диаметром до 7 м и длиной до 185 м. Изнутри труба выложена огнеупорным кирпичом. Печь установлена под небольшим (3…4°) углом к горизонту и вращается (0,8… 1,3 мин- ), благодаря чему сырьевая смесь перемещается в ней от верхнего конца к нижнему, куда подается топливо.

Максимальная температура обжига 1450 °С. При таких высоких температурах оксид кальция СаО, образовавшийся в результате разложения известняка, взаимодействует с кислотными оксидами Si02, A1203 и Fe203, образующимися при разложении глины. Продукты взаимодействия, частично плавясь и спекаясь друг с другом, образуют так называемый портландцементный клинкер — плотные твердые (твердость 6—7 по шкале Мооса) сферические куски серого цвета диаметром 1…3 см. В состав портландцементного клинкера входят четыре основных минерала (табл. 8.1) и небольшое количество стеклообразного вещества.

Рис. 8.3. Вращающаяся печь для обжига цементного клинкера

Как видно из таблицы, портландцементный клинкер в основном (на 60…80 %) состоит из силикатов кальция, из-за чего портландцемент также называют силикатным цементом.

Для получения портландцемента клинкер размалывают в трубных или шаровых мельницах с гипсом и другими добавками. Свойства портландцемента зависят от его минерального состава и тонкости помола клинкера.

При взаимодействии с влагой воздуха активность портландцемента падает, поэтому его предохраняют от действия влаги. Портландцемент хранят в силосах (высоких цилиндрических емкостях из бетона или металла). На строительство его доставляют в специальных вагонах, автомобилях-цементовозах или упакованным в многослойные бумажные или полиэтиленовые мешки.

Твердение. При смешивании с водой частицы портландцемента начинают растворяться, причем одновременно может происходить гидролиз (разложение водой) и гидратация (присоединение воды) продуктов растворения с образованием гидратных соединений.

По этой схеме (гидролиз и гидратация) взаимодействуют с водой главные компоненты клинкера алит C3S и белит C2S:
2(ЗСаО * Si02) + 6H20 -> ЗСаО * 2Si02 * 3H20 + ЗСа(ОН)2 2(2СаО * Si02) + 4Н20 -» ЗСаО * 2Si02 * ЗН20 + Са(ОН)2

Необходимо подчеркнуть особенности этих реакций: – C3S взаимодействует с водой намного активнее, чем C2S; – при взаимодействии силикатов кальция с водой выделяется растворимый в воде компонент Са(ОН)2 —- воздушная известь, создающая щелочную реакцию в твердеющем цементе; – C3S выделяет Са(ОН)2 в 3 раза больше, чем C2S; общее количество Са(ОН)2 достигает 15 % от массы цементного камня.

Алюминат кальция С3А подвергается только гидратации, причем этот процесс идет очень быстро с образованием крупных кристаллов:

ЗСаО А1203 + 6Н20 -> ЗСаО – А1203 * 6Н20

Добавка гипса, вводимая при помоле клинкера, изменяет характер начального периода твердения С3А и замедляет схватывание цемента на несколько часов из-за образования этгрингита ЗСаО х хА1203 * 3CaS04 * 32Н20.

Четырехкальциевый алюмоферрит C4AF взаимодействует с водой медленнее, чем С3А, образуя гидроалюминат и гидроферрит кальция.

Основной продукт твердения портландцемента — гидросиликаты кальция — практически нерастворимы в воде. Они выпадают из раствора сначала в виде геля (жесткого студня). Этот гель пронизывают, укрепляя его, кристаллы Са(ОН)2. Гель гидросиликатов кальция со временем кристаллизуется. Остальные продукты взаимодействия клинкера с водой также участвуют в формировании структуры цементного камня и, естественно, влияют на его свойства.

Процесс гидратации зерен портландцемента из-за малой их растворимости растягивается на длительное время (месяцы и годы) (рис. 8.4). Для его протекания необходимо постоянное присутствие воды в твердеющем материале. Однако нарастание прочности со временем замедляется, поэтому качество цемента принято оценивать по прочности, набираемой им в первые 28 сут твердения.

Коррозия цементного камня. Портландцемент, будучи гидравлическим вяжущим, при нахождении в воде твердеет, набирая со временем все большую прочность. Вместе с тем, если вода (а еще хуже — водные растворы солей и кислот) начинает фильтроваться (просачиваться) сквозь цементный камень, то начинается его разрушение.

Рис. 8.4. Твердение цемента:
а — рост цемента (Лсж) во времени (л); б — схема взаимодействия зерен цемента с водой в различные сроки; 1 — зерно цемента; 2 — вода; 3 — гидратные новообразования; 4 — воздушные пары

Этот процесс называют коррозией цементного камня. Коррозия протекает тем интенсивнее, чем выше капиллярная пористость цементного камня. А пористость — это неизбежная плата за высокое водосодержание (в 2…2,5 раза выше теоретически необходимого) для обеспечения удобоукладываемости бетонных и растворимых смесей. Развитие коррозии приводит к разрушению растворов и бетонов. В зависимости от действующих коррозионных агентов различают несколько видов коррозии.

Физическая коррозия (выщелачивание). Один из продуктов взаимодействия с водой силикатов кальция (алита и в меньшей степени бе-лита) — гидроксид кальция Са(ОН)2, количество которого достигает 15 % от объема всех продуктов твердения. Это вещество заметно растворимо в воде (около 2 г/л), поэтому при фильтрации пресной воды через цементный камень происходит вымывание Са(ОН)2 и вынос его на поверхность. На бетоне появляются белесые выцветы. Чем больше вымывается Са(ОН)2 из цементного камня, тем более пористым он становится. Это вызывает усиление фильтрации воды и т. д.
188

Для увеличения стойкости цементного камня к выщелачиванию используют цементы с пониженным содержанием C3S, а также добавляют к цементу активные минеральные (пуццолановые) добавки, связывающие Са(ОН)2 в нерастворимые гидросиликаты:

Са(ОН)2 + Si02 + Н20 -> лСаО * Si02 * mH20

Солевая и сульфатная коррозия. Еще сильнее разрушает цементный камень фильтрующаяся через него минерализованная (содержащая соли) вода. В этом случае внутри цементного камня происходят различные химические реакции между растворенными в воде солями и продуктами твердения цемента.

Особенно опасна сульфатная коррозия, вызываемая водой, содержащей сульфат-ион SO4” (в частности, растворы CaS04). Строители столкнулись с разрушением бетона от этого вида коррозии в начале XX в. Бетон на портландцементе в морских сооружениях часто растрескивался, а в трещинах была видна белая масса из крупных кристаллов (они за свой нрав получили название «дракончики» или «цементная бацилла»). Впоследствии было установлено, что причиной разрушения является образование в цементном камне сложного комплексного соединения: гидросульфоалюмината кальция (эттрин-гита). Эттрингит образуется при взаимодействии гидроалюмината кальция, находящегося в цементном камне и с поступающими с водой ионами Са2+ и SO^”, по следующей схеме:

ЗСаО * А1203 * 6Н20 + ЗСа2+ + 3SO^ + 26Н20 = ЗСаО * А1203 * 3CaS04 * 32Н20

Объем эттрингита за счет большого содержания химически связанной (кристаллизационной) воды в 2,5 раза превышает объем исходного гидроалюмината, что и вызывает разрушение затвердевшего цементного камня. Необходимо отметить, что эта же реакция образования эттрингита, но проводимая целенаправленно, используется для получения расширяющихся цементов — «дракончик» оказался ручным.

Основные пути защиты цементных материалов от коррозии следующие: – правильный выбор типа цемента; – снижение капиллярной пористости цементного камня, например, за счет уменьшения количества воды затворения (снижение В/Ц); – надежная гидроизоляция, не допускающая фильтрации воды сквозь материал.

Технические характеристики портландцемента. К основным характеристикам портландцемента относятся истинная и насыпная плотность, тонкость помола, сроки схватывания, равномерность изменения объема при твердении и прочность затвердевшего цементного камня.

Плотность зерен портландцемента в зависимости от вида и количества добавок составляет 2700…3200 кг/м3; насыпная плотность в рыхлом состоянии 1000… 1100 кг/м , вуплотненном — до 1700 кг/м3.

Тонкость помола характеризуется количеством цемента, проходящим через сито с сеткой № 008 (размер отверстий 0,08 мм) и его удельной поверхностью. Согласно ГОСТу, через сито с сеткой № 008 должно проходить не менее 95 % цемента. При этом удельная поверхность у обычного портландцемента в пределах 2000…3000 см /г, а у быс-тротвердеющего — 3500…5000 см /г.

Сроки схватывания портландцемента, рассчитываемые от момента затворения, должны быть: начало — не ранее 45 мин; конец — не позднее 10 ч. Эти показатели определяют при температуре 20 °С. При затворении цемента горячей водой (более 40 °С) может произойти очень быстрое схватывание.
Прочность портландцемента характеризуется его маркой. Марку портландцемента определяют по пределу прочности при сжатии и изгибе образцов-балочек 40 х 40 х 160 мм, изготовленных из цемент-но-песчаного раствора (состава 1 : 3) стандартной консистенции и твердевших 28 сут (первые сутки в формах на влажном воздухе и 27 сут в воде при 20 °С).

Промышленность выпускает портландцемент четырех марок: 400; 500; 550 и 600 (цифра соответствует округленной в сторону уменьшения средней прочности образцов при сжатии, выраженной в кгс/см ). Подробнее об определении марки портландцемента см. лабораторную работу № 7.

Тепловыделение при твердении. Твердение портландцемента сопровождается выделением большого количества теплоты. Так как эта теплота выделяется в течение длительного времени (дни, недели), заметного разогрева цементного бетона или раствора не происходит. Однако если объем бетона велик (например, при бетонировании плотин, массивных фундаментов), то потери теплоты в окружающее пространство будут незначительны по сравнению с общим количеством выделяющейся теплоты и возможен разогрев бетона до температуры 70…80 °С, что приведет к его растрескиванию.

Равномерность изменения объема. При твердении цементное тесто уменьшается в объеме. Усадка на воздухе составляет до 2,5 мм/м. При твердении в воде цемент немного набухает (до 0,5 мм/м). Однако в любом случае изменение объема при твердении должно быть равномерным. Это свойство проверяют на лепешках из цементного теста, которые не должны растрескиваться после пропаривания в течение 3 ч (до пропаривания лепешки 24 ч твердеют на воздухе). Неравномерность изменения объема возникает из-за присутствия в цементе свободных СаО и MgO, находящихся в виде пережога.



Читать далее:
Глиноземистый и расширяющиеся цементы
Цементы с минеральными добавками
Специальные виды портландцемента
Свойства портландцемента
Схватывание и твердение портландцемента
Производство портландцемента
Неорганические вяжущие вещества
Разные материалы для штукатурных работ
Заполнители для штукатурных работ
Вяжущие материалы для штукатурных работ



Ваш отзыв