Портландцемент
Это гидравлическое вяжущее вещество, продукт тонкого измельчения клинкера с добавлением гипса (от 3 до 5%), регулирующего сроки схватывания цемента. По составу различают портландцемент без добавок, с минеральными добавками, шлакопортландцемент и др.
Начало схватывания портландцемента при температуре воды в растворе 20° С должно наступать не ранее 45 минут с момента приготовления раствора и заканчиваться не позднее чем через 10 часов. Если при изготовлении раствора используется вода с температурой более 40° С, схватывание может наступить слишком быстро.
Прочность портландцемента характеризуется марками 400, 500, 550 и 600. Для того чтобы приблизить российские стандарты к европейским, цемент разделен на классы — 22,5; 32,5; 42,5; 55,5 МПа.
Общие сведения. Гидравлическая известь, которую строители использовали издавна, обладает рядом недостатков. Главные из них: необходимость твердения на воздухе первые 7…14 сут, низкие прочность, морозо- и воздухо- стойкость. 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 гипсовое вяжущее. Для улучшения некоторых свойств и снижения стоимости портландцемента допускается введение минеральных добавок (до 15%). Кроме портландцемента на основе портландцементного клинкера выпускают много других видов цементов.
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 портланд- цементный клинкер имел следующий химический состав (в %): 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.
Тщательно подготовленную сырьевую смесь подают на обжиг во вращающуюся печь, 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 об/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 оксидами SiOo, А1203 и Fe203, образующимися при разложении глины. Продукты взаимодействия, частично плавясь и спекаясь друг с другом, образуют так называемый портландцементный клинкер — плотные твердые куски серого цвета. В состав портландцементного клинкера входят несколько минералов и небольшое количество стеклообразного вещества.
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 упакованным в многослойные бумажные или полиэтиленовые мешки.
Твердение. При смешивании с водой частицы портландцемента начинают растворяться, причем одновременно происходят гидролиз (разложение водой) и гидратация (присоединение воды) продуктов растворения с образованием гидросиликатов, гидроксида кальция и других гидратных соединений. В качестве примера рассмотрим взаимодействие с водой силикатов кальция:
ЗСаО • Si02 + (п + 1) Н20 — Са(ОН)2 + 2СаО. Si02 • п Н20 2СаО Si02 + п Н20 — 2СаО • Si02 • п Н20
Основной продукт твердения — гидросиликаты кальция — практически нерастворимы в воде. Они, выпадая из раствора, сначала в виде геля (жесткого студня), а затем, кристаллизуясь, придают прочность твердеющему цементу. Алюминат С3А и алюмоферрит C4AF кальция ведут себя подобным же образом. Различие между минералами наблюдается в скорости взаимодействия с водой, т. е. в скорости твердения. Быстрее всех твердеет трехкальциевый алюминат С3А и трехкальциевый силикат C3S.
Процесс твердения портландцемента из-за малой растворимости его компонентов растягивается на длительное время (месяцы и годы). Однако нарастание прочности с течением времени 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 все большую прочность, и вместе с тем, если вода (а еще хуже — водные растворы солей или кислот) начинает просачиваться (фильтроваться) сквозь цементный камень, он постепенно разрушается. Этот процесс называется коррозией цементного камня; развитие его приводит к разрушению цементных бетонов и растворов. В зависимости от вида коррозионных агентов различают несколько видов коррозии.
Физическая коррозия (выщелачивание). Один из продуктов твердения трехкальциевого силиката (C3S) — гидроксид кальция Са(ОН)2 — вещество, заметно растворимое в воде (около 2 г/л). Поэтому при фильтрации пресной воды через цементный камень происходит вымывание Са(ОН)2 и перенос его на поверхность. На бетоне и растворе появляются белесые выцветы. Чем больше вымывается Са(ОН)2 из цементного камня, тем более пористым становится бетон.
Процесс коррозии продолжается вплоть до полного разрушения материала. Чтобы увеличить стойкость цементного камня к выщелачиванию, добавляют активные минеральные добавки, связывающие Са(ОН)2 в нерастворимые гидросиликаты.
Солевая и сульфатная коррозии. Еще сильнее разрушается цементный камень при фильтрации через него минерализованных вод: внутри цементного камня происходят различные химические реакции между растворенными в воде солями и продуктами твердения цемента.
Объем этого новообразования за счет большого содержания кристаллизационной воды в 2,5 раза превышает объем исходного гидроалюмината, что и вызывает разрушение затвердевшего цементного камня. Этот процесс называется сульфатной коррозией.
Для предотвращения коррозии цементного камня нужно правильно выбирать тип цемента и самое главное тщательно защищать цементные бетоны и растворы от фильтрации через них воды (гидроизоляционная защита).
Свойства портландцемента. К основным свойствам портландцемента относятся: плотность и насыпная плотность, тонкость помола, сроки схватывания, равномерность изменения объема при твердении и марочная прочность цемента.
Плотность портландцемента в зависимости от вида и количества добавок составляет 2900…3200 кг/м3, насыпная плотность в рыхлом состоянии 1000…1100 кг/м3, в уплотненном — до 1700 кг/м3.
Тонкость помола характеризуется количеством цемента, проходящим через сито № 008 (размер отверстий 0,08 мм), и его удельной поверхностью. Согласно ГОСТ 10178—85 через сито № 008 должно проходить не менее 85% цемента; при этом удельная поверхность у обычного портландцемента должна быть в пределах 2000. . .3000 см2/г и у быстротвердеющего портландцемента — 3500… 5000 см2/г.
Сроки схватывания портландцемента должны быть: начало — не ранее 45 мин с момента затворения; конец — не позднее 10 ч с момента затворения, Эти показатели определяют при температуре 20°С. Если цемент затворяют горячей водой (более 40°С), может произойти очень быстрое схватывание (так называемое «ложное схватывание»).
Прочность портландцемента характеризуется маркой, которая определяется по пределу прочности при сжатии и изгибе образцов-балочек размером 40X40X160 мм, изготовленных из цементно-песчаного раствора (состав 1 : 3 по массе) стандартной консистенции (водоцементное отношение В/Ц«0,4) и твердевших 28 сут (первые сутки в формах на воздухе и 27 сут в воде комнатной температуры).
Промышленность выпускает портландцемент четырех марок:
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 — одно из важных требований к портландцементу. При твердении цементное тесто уменьшается в объеме. Усадка на воздухе составляет около 0,5…1 мм/м. При твердении в воде цемент немного набухает (до 0,5 мм/м). Однако 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.
Гидравлическая известь обладает рядом недостатков. Главные из них: необходимость твердения на воздухе первые 7… 14 сут, низкие прочность, морозо- и воздухо-стойкость. 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 (до 15%). Кроме портландцемента на основе портландцементного клинкера выпускают много других видов цементов.
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 портланд-цементный клинкер имел следующий химический состав (в %): СаО — 62…68, Si02 — 18…26, А1203 — 4…Э, Fe2Os — 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.
Тщательно подготовленную сырьевую смесь подают на обжиг во вращающуюся печь (рис. 1), 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 об/мин), благодаря чему сырьевая смесь перемещается в ней от верхнего конца к нижнему, куда подается топливо. Максимальная температура обжига 1450 °С.
Продукты взаимодействия, частично плавясь и спекаясь друг с другом, образуют так называемый порт-ландцементный клинкер — плотные твердые куски серого цвета. В состав портландцементного клинкера входят несколько минералов и небольшое количество стеклообразного вещества.
В скобках сокращенное обозначение клинкерных минералов.
Как видно из таблицы, портландцементный клинкер в основном (на 60…80%) состоит из силикатов кальция.
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 происходят гидролиз (разложение водой) и гидратация (присоединение воды) продуктов растворения с образованием гидросиликатов и гидроксида кальция и других гидратных соединений.
Основной продукт твердения — гидросиликаты кальция — практически нерастворим в‘воде. Они, выпадая из раствора, сначала в виде геля (жесткого студня), а затем, кристаллизуясь, придают прочность твердеющему цементу. Алюминат С3А и алюмоферрит C4AF кальция ведут себя подобным же образом. Различие между минералами наблюдается в скорости взаимодействия с водой, т. е. в скорости твердения. Быстрее всех твердеет трехкальцие-вый алюминат С3А и трехкальциевый силикат C3S.
Процесс твердения портландцемента из-за малой растворимости его компонентов растягивается на длительное время (месяцы и годы). Однако нарастание прочности с течением времени 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 все большую прочность, и вместе с тем, если вода (а еще хуже — водные растворы солей или кислот) начинает просачиваться (фильтроваться) сквозь цементный камень, он постепенно разрушается. Этот процесс называется коррозией цементного камня; развитие его приводит к разрушению цементных бетонов и растворов. В зависимости от вида коррозионных агентов различают несколько видов коррозии.
Физическая коррозия (выщелачивание). Один из продуктов твердения трехкальциевого силиката C3S — гидро-ксид кальция Са(ОН)2 — вещество, заметно растворимое в воде (около 2 г/л). Поэтому при фильтрации пресной воды через цементный камень происходит вымывание Са(ОН)2 и перенос его на поверхность. На бетоне и растворе появляются белесые выцветы. Чем больше вымывается Са(ОН)2 из цементного камня, тем более пористым становится бетон. Процесс коррозии продолжается вплоть до полного разрушения материала.
Чтобы увеличить стойкость цементного камня к выщелачиванию, к цементу добавляют активные минеральные добавки, связывающие Са(ОН)2 в нерастворимые гидросиликаты.
Солевая и сульфатная коррозии. Еще сильнее разрушается цементный камень при фильтрации через него минерализованных вод: внутри цементного камня происходят различные химические реакции между растворенными в воде солями и продуктами твердения цемента.
Объем этого новообразования за счет большого содержания кристаллизационной воды в 2,5 раза превышает объем исходного гидроалюмината, что и вызывает разрушение затвердевшего цементного камня. Этот процесс называется сульфатной коррозией.
Для предотвращения коррозии цементного камня нужно правильно выбирать тип цемента и самое главное тщательно защищать цементные бетоны и растворы от фильтрации через них воды (гидроизоляционная защита).
Свойства портландцемента. К основным свойствам портландцемента относятся: плотность и объемная насыпная масса, тонкость помола, сроки схватывания, равномерность изменения объема при твердении и прочность затвердевшего цементного камня.
Плотность портландцемента в зависимости от вида и количества добавок составляет 2,9…3,2 г/см3, насыпная плотность в рыхлом состоянии 1000…1100 кг/м3, в уплотненном— до 1700 кг/м3.
Тонкость помола характеризуется количеством цемента, проходящим через сито № 008 (размер отверстий 0,08 мм), и его удельной поверхностью. Согласно ГОСТ 10178—76 через сито № 008 должно проходить не менее 85 % цемента; при этом удельная поверхность у обычного портландцемента должна быть в пределах 2000…3000 см 2/г и у быстротвердеющего портландцемента 3500…5000 см 2/г.
Сроки схватывания портландцемента должны быть: начало — не ранее 45 мин от момента затворения; конец — не позднее 10 ч с момента затворения. Эти показатели определяют при температуре 20° С. Если цемент затворяют горячей водой (более 40 °С), может произойти очень быстрое схватывание.
Прочность портландцемента характеризуется маркой, которая определяется по пределу прочности при сжатии и изгибе образцов-балочек размером 40X40X160 мм, изготовленных из цементно-песчаного раствора (состав 1:3 по массе) стандартной консистенции и твердевших 28 сут (первые сутки в формах на воздухе и 27 сут в воде комнатной температуры).
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 около 0,5…1 мм/м. При твердении в воде цемент немного набухает (до 0,5 мм/м). Однако 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.
Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое при тонком помоле портландцементного клинкера, активных минеральных добавок и гипса. Портландцемент твердеет в воде и на воздухе.
Портландцемент в настоящее время самый распространенный гидравлический вяжущий материал. Впервые он был получен и описан в 1825 г. русским военным строителем Е. Г. Челиевым при обжиге «до белого каления» смеси извести и глины.
Производство портландцемента включает в себя два основных технологических процесса — получение клинкера из сырьевой смеси и измельчение (помол) клинкера с добавлением.
Портландцементный клинкер получают обжигом до спекания при температуре 1400—1450 °С определенного состава сырьевой смеси: известняка и глины или мергля, доменного шлака и других материалов. Известняк состоит из окислов СаО и С02, а глина из различных минералов, представленных окислами алюминия, железа, кремния и некоторых других элементов.
Производство портландцемента осуществляется по мокрому или по сухому способу. При мокром способе сырьевые материалы размалываются с водой, образуя шлам, который затем подвергается обжигу во вращающихся печах.
Наиболее прогрессивным является сухой способ получения клинкера. При этом способе обжигается высушенный порошок. Современные цементные печи имеют длину до 185—200 м, диаметр 3—5 м. Барабан печи установлен в наклонном положении. Шлам или порошок подается в печь с верхнего конца барабана, а топливо — через нижний конец печи. При ее вращении сырьевые материалы перемещаются по длине печи навстречу тепловому потоку, проходя через зоны с различными возрастающими температурами. Из печи выгружается расплавленный портланд-цементный клинкер, который поступает в холодильники-рекупера-торы, вращающиеся вместе с печью, а затем на склад для вылеживания в течение 10—20 сут в целях окончательного охлаждения и гашения влагой воздуха оставшейся в клинкере свободной извести.
Охлажденный клинкер размалывается совместно с гипсом и активными минеральными добавками в шаровых мельницах, после чего выдается потребителю.
Основным свойством портландцемента является его способность при затворении водой образовывать пластичное клейкое цементное тесто, постепенно густеющее и переходящее в камневид-ное состояние.
Твердение портландцемента представляет собой ряд весьма сложных химических и физических процессов. Тонко измельченный клинкер имеет сроки схватывания 3—5 мин, в результате чего в чистом виде он непригоден для практических целей. Для регулирования срока схватывания в клинкер вводится от 1,5 до 3,5% гипса. Портландцемент с таким содержанием гипса удовлетворяет требованиям стандарта, а именно начало схватывания его наступает не ранее 45 мин и заканчивается не позднее 12 ч от момента затворения водой.
Схватывание является первой стадией процесса твердения, после которой начинается собственно твердение, т. е. превращение в камневидное тело.
Прочность портландцемента характеризуется пределами прочности при сжатии и изгибе. Марка цемента устанавливается по пределу прочности при изгибе образцов-балочек размером 40Х X 40×160 мм и при сжатии их половинок, изготовленных из пластического раствора 1:3 и испытанных через 28 сут; образцы в течение этого периода хранятся во влажных условиях при температуре 20 °С. Предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут называется активностью цемента.
Предел прочности при сжатии, выраженный в МПа, определяет марку цемента. Промышленностью выпускается цемент марок 300, 400, 500, 600 и более. Прочность цемента возрастает неравномерно: на третьи сутки она достигает примерно 40—50% марочной прочности, а на седьмые сутки 60—70%. В последующий Период рост прочности еще более замедляется и на 28-е сутки набирает марочную прочность. Однако при благоприятных усло-иях твердение портландцемента может продолжаться месяцы и аже годы, в 2—3 раза превысив марочную прочность.
Портландцемент получил самое широкое применение в строительстве. Недаром его образно называют хлебом строительства.
реходят в вязкотекучее состояние: при охлаждении они полностью (обратимо) восстанавливают свое первоначальное состояние и свойства (вязкость, прочность и т. п.), при действии на них растворителями они растворяются, а по мере испарения растворителей восстанавливают свое состояние и свойства.
Основным условием применения твердых термопластичных органических вяжущих является их расплавление и растворение. Вяжущие свойства таких материалов проявляются в результате обратимого восстановления свойств при охлаждении или по мере испарения растворителей.
Термореактивные материалы при нагревании выше некоторого предела температуры меняют свои свойства необратимо: например, жидкие материалы могут затвердеть, твердые — разлагаться, минуя вязкотекучее состояние, т. е. нагревание приводит к химическим превращениям вещества. Твердые термореактивные материалы не растворяются растворителями.
Для применения термореактивных органических вяжущих необходимо, чтобы их исходное состояние было жидким. Вяжущие свойства таких материалов проявляются в результате отвердения при нагревании, или при введении специальных веществ-отверди-телей, или вследствие того и другого одновременно.
Выбор стройматериалов - Портландцемент
Остались вопросы по теме - "Портландцемент", задайте их на