Портландцемент (стор. 1 із 2)
Луганський Національний Аграрний Університет
Лекція 8. ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ
8.1 Сировина та технологія виготовлення портландцементу
Портландцемент - гідравлічне в'яжуче, що отримується тонким подрібненням портландцементного клінкеру і невеликої кількості гіпсу (1,5. 3%). Клінкер одержують випалом до спікання сировинної суміші, що забезпечує в портландцементі переважання силікатів кальцію. До клінкеру для уповільнення схоплювання цементу додають гіпс. Для покращення деяких властивостей та зниження вартості портландцементу допускається введення мінеральних добавок.
Виробництво. Основні операції при отриманні портландцементу: приготування сировинної суміші, випал до отримання цементного клінкеру і помел його спільно з добавками. Клінкер має наступний хімічний склад (%): СаО – 62. 68, SiO2 – 18. 26, А12 О3 – 4. 9, Fе2 О3 – 2. 6. Найчастіше використовують вапняк та глину у співвідношенні 3:1. У сировинну суміш вводять коригувальні добавки та промислові відходи, що забезпечують необхідний склад клінкеру.
Ретельно підготовлену сировинну суміш (рис.8.1.) подають на випал у піч, що обертається, діаметром до 7 м і довжиною до 185 м. Зсередини піч викладена вогнетривкою цеглою. Пекти встановлена під невеликим (3. 4˚) кутом до горизонту і обертається (0,8. 1,3 хв -1 ), завдяки цьому сировинна суміш переміщається в ній від верхнього кінця до нижнього, куди подається паливо. Максимальна температура випалу 1450° С. При таких високих температурах оксид кальцію СаО, що утворився в результаті розкладання вапняку, взаємодіє з оксидами SiO2 А12 О3 і Fе2 О3 утворюються при розкладанні глини. Продукти взаємодії, частково плавлячись та спікаючись один з одним, утворюють портландцементний клінкер – щільні тверді гранули сірого кольору. В складпортландцементного клінкеру входять чотири основні мінерали (табл. 8.1) та невелика кількість склоподібної речовини.
Таблиця 8.1. Мінеральний склад портландцементного клінкеру
Примітка: У дужках скорочено позначення клінкерних мінералів.
Портландцементний клінкер (на 60...80%) складається із силікатів кальцію, через що портландцемент називають силікатним цементом.
Для отримання портландцементу клінкер розмелюють у трубних або кульових млинах із гіпсом та іншими добавками. Властивості портландцементу залежать від його мінерального складу та тонкості помелу клінкеру. При взаємодії із вологою повітря активність портландцементу падає, тому його оберігають від дії вологи. Портландцемент зберігають у силосах, а транспортують у спеціальних вагонах, автомобілях-цементовозах.
8.2 Твердіння та властивості портландцементу
Твердіння. При змішуванні з водою частинки портландцементу починають розчинятися, причому одночасно може відбуватися гідроліз (розкладання водою) та гідратація (приєднання води) продуктів розчинення з утворенням гідратних сполук. За цією схемою взаємодіють з водою головні компоненти клінкеру аліт С3 S і біліт С2 S:
Трикальцієвий силікат С3 S взаємодіє з водою набагато активніше, ніж С2 S; при взаємодії силікатів кальцію з водою виділяється розчинний у воді компонент Са(ОН)2 –що створює лужну реакцію в цементі, що твердне; С3 S виділяє Са(ОН)2 у 3 рази більше, ніж С2 S; загальна кількість Са(ОН)2 досягає 15% маси цементного каменю.
Алюмінат кальцію С3 А піддається лише гідратації. Цей процес йде дуже швидко з утворенням великих кристалів 3СаО · А12 О3 + 6Н2 Про → 3СаО · А12 О3 · 6Н2 О
Добавка гіпсу, що вводиться при помелі клінкеру,уповільнює схоплювання цементу на кілька годин через утворення еттрингіту 3СаО·А12 О3 ·3СаSО4 · (31-33)Н2 О, що має розгорнуту поверхню і екранування частинок мінералу С3 А.
Чотирьохкальцієвий алюмоферит С4 АF взаємодіє з водою повільніше, ніж С3 А, утворюючи гідроалюмінат та гідроферит кальцію.
Основний продукт твердіння портландцементу – гідросилікати кальцію – практично нерозчинні у воді. Вони випадають із розчину спочатку у вигляді гелю Гель гідросилікатів кальцію з часом кристалізується. Інші продукти взаємодії клінкеру з водою також беруть участь у формуванні структури цементного каменю і впливають на його властивості. Процес гідратації зерен портландцементу через малу їх розчинність розтягується на тривалий час. Процес може протікати за наявності води в твердінні матеріалі. Якість цементу прийнято оцінювати за міцністю, яку він набирає через 28 діб твердіння.
8.3 Корозія цементного каменю
Корозії цементного каменю. Якщо вода або водні розчини солей і кислот фільтруються крізь цементний камінь, то починається його руйнація. Корозія протікає тим інтенсивніше, чим вище капілярна пористість цементного каменю.
Ще сильніше руйнує цементний камінь мінералізована вода, що фільтрується через нього. У цьому випадку всередині цементного каменю відбуваються різні хімічні реакції між розчиненими у воді солями і продуктами твердіння цементу. причиною руйнування є утворення в цементному камені складної комплексної сполуки: гідросульфоалюмінату кальцію (еттрингіт). Він утворюєтьсяпри взаємодії гідроалюмінату кальцію, що знаходиться в цементному камені з іонами Са 2+ і SО 2- 4, що надходять з водою, за наступною схемою:
Об'єм еттрингіту в 2,5 рази перевищує обсяг вихідного гідроалюмінату, що викликає руйнування затверділого цементного каменю. Це ця ж реакція утворення еттрингіту, але проведена цілеспрямовано, використовується для отримання цементів, що розширюються. Основні шляхи захисту цементних матеріалів від корозії такі: правильний вибір типу цементу та зниження капілярної пористості цементного каменю.
Властивості портландцементу До них відносяться, тонкість помелу, терміни схоплювання, рівномірність зміни обсягу при твердінні та міцність цементного каменю, що затвердів. Справжня щільність портландцементу становить 2900. 3200 кг/м 3 , насипна щільність в пухкому стані 1000. 1100 кг/м 3 в ущільненому - до 1600 кг/м 3 .
Тонкість помелу характеризується кількістю цементу, що проходить через сито з сіткою №008 (розмір отворів 0,08 мм) та його питомою поверхнею. Згідно з ГОСТом через сито з сіткою № 008 має проходити не менше 95% цементу, при цьому питома поверхня у звичайного портландцементу повинна бути в межах 2000. 3000 см 2 /р. Терміни схоплювання портландцементу-початок, не раніше 45 хв; кінець – не пізніше 10 год. Марку портландцементу визначають за межею міцності при стисканні та згинанні зразків-балочок 40х40х160мм, виготовлених з цементно-піщаного розчину (складу 1:3) стандартної консистенції та тверділої 28 діб. Портландцемент випускають марок: 400; 500; 550 та 600. Твердіння портландцементу супроводжується виділенням великої кількості теплоти. Так як ця теплота виділяється протягом тривалого часу (дні, тижні), помітного розігріву цементного бетону чи розчину не відбувається. Однак, якщооб'єм бетону великий (наприклад, при бетонуванні гребель, масивних фундаментів), можливий розігрів бетону до температури 70...80° С, що призведе до його розтріскування.
При твердінні цементне тісто зменшується в обсязі. Усадка на повітрі становить близько 0,5. 1мм/м. При твердінні у воді цемент трохи набухає (до 0,5 мм/м). Зміна обсягу при твердінні має бути рівномірною. Цю властивість перевіряють на коржиках із цементного тесту, які не повинні розтріскуватися після пропарювання протягом 3 год. Нерівномірність зміни обсягу виникає через присутність у цементі вільних СаО та. МgО, що у вигляді перепалу. Портландцементи та шлакопортландцементи застосовують для виготовлення бетонів та залізобетонних конструкцій.