7.6. Гидравлическая известь

Jp^zyj^ (ГОСТ 9179—77) называют гидрав­

лическое вяжущее вещество, получаемое умеренным обжигом (не до спекания) при 900... 1100 °С мергелистых известняков, содержащих от 6 до 20% глинистых примесей. В процессе обжига часть образующего СаО связывается с составными частями глины А1₂0₃ -Si0₂ -Fe₂0₃,

образуя силикаты 2Ca0Si0₂, алюминаты Са0А1₂0₃ и ферриты кальция 2Ca0-Fe₂0₃, придающие извести способность гидравличе­ского твердения: порошок гидравлической извести, затворенный во­дой, после затворения на воздухе продолжает твердеть и под водой.

Температура и режим обжига гидравлической извести зависит от состава и структуры обжигаемого сырья. Кроме глинистых и песча­ных примесей мергелистые известняки содержат 2...5% углекислого магния и некоторые другие примеси. Для получения качественного продукта, необходимо применять мергелистые известняки с возможно более равномерным распределением глинистых и других включений.

Гидравлическую известь гасят водой, гасится она не полностью. Смоченная водой гидравлическая известь гасится и рассыпается в порошок, а залитая водой образует пластичное тесто. Приготовленное тесто дольше суток хранить нельзя, так как оно затвердевает. Гид­равлическую известь делят на слабогидравлическую и сильногидрав­лическую. Слабогидравлическая содержит активных СаО + MgO в пересчете на сухое вещество не менее 15 и не более 60%, сильногид­равлическая — соответственно не менее 1 и не более 15%, так как чем больше содержание свободного СаО, тем меньше у извести способ­ность к гидравлическому твердению.

Негашеная гидравлическая известь представляет собой поро­шок желтоватого цвета. Истинная плотность 2,2...3,0 г/см³, средняя плотность в рыхлом состоянии 500...800 кг/м³, в уплотненном — 850... 1100 кг/м³.

Тонкость помола характеризуется остатком на ситах № 02 и 008 соответственно 1 и 10%. Предел прочности при сжатии определяют на образцах в возрасте 28 сут комбинированного твердения (7 сут при влажном воздухе и 21 сут— в воде). Для слабогидравлической извес­ти предел прочности при сжатии не менее 2 МПа, для сильногидрав­лической — не менее 5 МПа.

Применяют гидравлическую известь для приготовления штука­турных и кладочных растворов, предназначенных для сухой и влаж­ной среды, бетонов низких марок. Эта известь дает более прочный раствор, но менее пластичный по сравнению с воздушной известью.

Гидравлическую известь следует хранить в сухих закрытых по­мещениях. На стройку транспортируют в цементовозах, контейнерах или бумажных битуминизированных мешках.

7.7. Портландцемент

Портландцементом (ГОСТ 10178—85) называют гидравлическое вяжущее вещёстЁО' — продукт тонкого измельчения цементного клинкера, который получают путем обжига до спекания природного сырья или искусственной сырьевой смеси определенного состава, обеспечивающей в цементе преобладание силикатов кальция.

Для регулирования сроков схватывания цемента при помоле клинкера добавляют до 3,5% гипса по массе цемента. Для получения специальных свойств портландцемента вводят активные минераль­ные добавки.

По производству и применению портландцемент занимает пер­вое место среди других вяжущих веществ. Его широко используют для получения сборного, монолитного железобетона в промышленном, жилищном, ^гидротехническом, дорожном и других отраслях строи­тельства.

Для производства бетона и растворов требуется ориентировочно несколько тысяч тонн цемента. Область применения цемента крайне широка, поэтому его справедливо называют «хлебом строительства».

Производство портландцемента. Сырье, пригодное для по­лучения портландцемента, должно содержать околдДЁи^18% извещу няка и 22...25% глины. Таким природным сырьем являются известня- изв^стняки^ мел, ракушечник, известняковый туф и глинистые горные породы, С известняковыми породами в состав це­мента вводится оксид кальция СаО, а с глиной — оксиды кремния Si0₂, алюминия А1₂0₃ , железа Fe₂0₃, в известняковом мергеле есть

все необходимые оксиды.

В зависимости от способа подготовки сырьевой смеси различают мокрый и сухой способы производства портландцемента.

Мокрый способ производства портландцемента (рис. 7.4). Сырьевые материалы, доставляемые из карьера на завод в кусках, под­вергают предварительному измельчению (до размеров не более 5 мм).

Рис. 7.4. Технологическая схема производства портландцемента мокрым способом: 1 — шнековая дробилка; 2 — молотковая дробилка; 4. 3 — объединенный склад; 4 — валковая дробилка; 5 — болтушки; 6 — ковшовый питатель; 7 — бункера сырьевых мельниц; 8 — тарель­чатые питатели; 9 — сырьевая мельница; 10 — коррекционные верти­кальные шламбассейны; 11 — горизонтальные шламбассейны; 12 — вращающаяся печь; 13 — холодильник; 14 — цементные силосы; 15 — упаковочная машина; 16 — отгрузка цемента

"X

Твердые породы измельчают в дробилках, а более мелкие (глина, мел) перемешивают в бассейнах — болтушках с водой. Для более тон­кого измельчения компонентов используют шаровые мельницы.

Из мельницы смесь известняка, глины и воды выходит в виде сметанообразной массы — шлама (Н₂0 содержит 36...42%).

Шлам насосами подается в коррекционные шламбассейны, представляющие собой стальные или железобетонные резервуары ци­линдрической формы, где окончательно корректируется химический состав шлама. Во избежание расслоения шлам в бассейне перемеши­вают сжатым воздухом. Подготовленный шлам перекачивают в гори­зонтальные шламбассейны большей емкости, в них создается запас шлама на 3...4 сут для бесперебойной работы печей.

Из бассейнов шлам равномерно подается на обжиг во вращаю­щиеся печи. Вращающаяся печь представляет длинный стальной ци­линдр, внутри футерованный огнеупорным материалом. Длина печи 150... 185 м, диаметр до 5 м.

Печь расположена под небольшим уклоном к горизонту (3...4⁰) и медленно вращается вокруг своей оси. Шлам загружают в верхней стороне печи, и он передвигается к нижнему ее концу. Навстречу ма­териалу перемещаются горячие газы и нагревают его до требуемой температуры. В шламе протекают следующие физико-химические процессы. Вначале масса высыхает и образуются комья. Затем выго­рают органические вещества и начинается дегидратация — удаление химически связанной гидратной воды. При 800... 1000 °С происходит интенсивный процесс диссоциации карбоната кальция с образовани­ем оксида кальция и углекислого кальция, который удаляется вместе с продуктами горения. Оксид кальция СаО вступает в химические ре­акции с оксидами глины.

Наиболее интенсивно реакции химического соединения СаО происходят при 1200.. 1250 °С, при этом образуются двухкальциевый силикат, трехкальциевый алюминат и четырехкальциевый алюмо- феррит. При температуре 1300 °С трехкальциевый алюминат ЗСаО - А1₂0₃ и четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО • А1₂0₃ • Fe₂0₃

расплавляются и образуют клинкерную жидкость, в которой раство­ряются СаО и 2СаО • Si0₂ с образованием трехкальциевого силиката

3Ca0-Si0₂, который кристаллизуется из расплава при 1450 °С.

Трехкальциевый силикат — важнейший минерал клинкера. При по­нижении температуры до 1300 °С жидкий расплав застывает, закан­чивается процесс спекания.

Клинк§р представляет собой зерна серовато-зеленого цвета, твеш^ поступает в холо­дильник, где охлаждается до 80... 100 °С холодным воздухом. Из холо­дильника клинкер поступает на склад, где находится в течение 1...2 нед. За это время снижается твердость зерен клинкера, что в даль­нейшем облегчает помол. Клинкер размалывают совместно с гипсом и активными минеральными добавками в трубных шаровых мельни­цах. Готовый цемент направляется в силосы на 2 нед. Затем цемент упаковывают в бумажные мешки по 50 кг.

ГОСТ 10178—85 предусматривает выпуск трех видов портланд­цемента: ДО — без добавок, Д5 — 5% активных минеральных добавок и Д20 — свыше 5% добавок, но не более 20%.

Сухой способ производства портландцемента применяют, когда сырье имеет невысокую влажность 8... 10%. Сущность технологиче­ских операции не меняется, однако они осуществляются иными приемами. Производство сухим способом проще, чем мокрым: отсутст­вует процесс образования шлама, можно совместить помол сырьевых материалов с подсушкой.

Таким образом, сырьевые материалы дробят, сушат, измельча­ют. Затем сухой порошок гранулируют или формуют в брикеты. Гра­нулы обжигают в циклонных теплообменниках, вращающихся печах, брикеты — в шахтных печах.

В условиях экономии топливно-энергетических ресурсов следует ориентировать цементную промышленность на расширение сухого способа производства.

Наряду с этими двумя основными способами применяют третий, комбинированный. Подготовку сырья осуществляют по схеме мокрого способа, затем полученную жидкую сметанообразную массу (шлам) частично обезвоживают, приготовляют из нее гранулы и обжигают по схеме сухого способа.

Минералогический состав клинкера. В результате обжига сырья до спекания при температуре до 1450 °С в клинкере образуют­ся клинкерные минералы: трехкальциевый силикат 3Ca0Si0₂ —

алит (C₃S), двухкальциевый силикат 2Ca0Si0₂— белит (C₂S), трехкальциевый алюминат ЗСаО-А1₂0₃ (С₃А), четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО- А1₂0₃ -Fe₂0₃ (C₄AF) (C₃S; C₂S; C₃A; C₄AF— со­кращенное обозначение минералов). В клинкере содержится также стекловидная масса переменного состава. От соотношения в клинкере основных клинкерных минералов и зависят главным образом свойст­ва портландцемента.

Клинкерные минералы характеризуются следующими свойствами.

Трехкальциевый силикат 3Ca0Si0₂ (алит) содержится в ко­личестве 45...65%, отличается высокой химической активностью, при­дает цементу свойства быстрого твердения и ранней высокой прочно­сти, обеспечивает получение высокомарочного цемента.

Двухкальциевый силикат 2Ca0-Si0₂ (белит) содержится в ко­личестве 15...40%, менее активен, твердеет медленно, отличается не­значительной экзотермией, придает цементу среднюю прочность, по­вышает стойкость в агрессивных водах, на протяжении нескольких лет набирает прочность.

Трехкальциевый алюминат ЗСа0-А1₂0₃ (2...15%) быстро твер­деет, много выделяет тепла в первые трое суток твердения, но проч­ность дает низкую. Продукт твердения боится воздействия сернокис­лых соединений.

Четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО • А1₂0₃ • Fe₂0₃

(10...20%) активнее, чем белит, так как твердеет быстрее и дает боль­шую прочность, но менее прочен, чем алит. Придает цементу темную окраску.

Отличительной особенностью портландцемента является то, что он имеет относительно постоянный химический и минералогический состав, обусловливающий стабильные физико-механические свойства.

Зная данные о минералогическом составе портландцементного клинкера и свойства минералов, можно заранее составить представ­ление об основных свойствах портландцемента и особенностях его твердения в различных условиях.

Твердение портландцемента — сложный физико-химический процесс, в результате которого в цементном камне образуются новые соединения, отсутствующие в цементном клинкере.

Различают три периода твердения портландцемента. Первый период —^ШДЖШЩие^или подготовительный. При соприкосновении цементных зерен с водой поверхностные слои клинкерных минералов вступают с ней в химические реакции. Трехкальциевый силикат под­вергается гидролизу, образуя два новых соединения — гидросиликат кальция и гидроксид кальция по реакции

ЗСаО iSi0₂ + (п + 1)Н₂0 = 2СаО • Si0₂ \ пЯ₂0 + Са(ОН)₂.

Четырехкальциевый алюмоферрит при действии на него воды гидролизуется по реакции, образуя гидроалюминаты и гидроферриты кальция:

4СаО IА1₂0₃ - Fe₂0₃ # пЯ₂0 = ЗСаО < А1₂0₃ • 6Н₂0 + СаО i Fe₂0₃ • дН₂0.

Двухкальциевый силикат и трехкальциевый алюминат только гидратируются (присоединяют к себе воду), образуя соответственно гидросиликат и гидроалюминат кальция:

2СаО • Si0₂ + тгН₂0 = 2СаО • Si0₂ • пЯ₂0, ЗСаО • А1₂0₃ + 6Н₂0 = ЗСаО • А1₂0₃ • 6Н₂0.

Образующиеся гидратные соединения, обладая сравнительно плохой растворимостью (особенно гидросиликат кальция), быстро на­сыщают раствор. Хотя в начале твердения гидратация кальциевых соединений идет интенсивно, во внутренние слои частиц цемента во­да проникает с большим трудом. Поэтому процесс взаимодействия во­ды с клинкерными минералами в общей сложности протекает мед­ленно и постепенно угасает.

^Второй период твердения цемента — коллоидация. В момент полного насыщения раствора, главным образом Са(ОН)₂, выделяю­щиеся гидратные соединения уже не растворяются, а находятся в со­стоянии коллоидного раздробления и геля (студня).

При дальнейшей гидратации клинкерных минералов, а следо­вательно, и уменьшении свободной воды в цементном тесте склеи­вающая способность геля, как и любого клея, увеличивается. Гель склеивает частицы цемента, при этом цементное тёщр теряет пла­стичность, т.е. начинает схватываться.

Третий, период—кристаллизация. Более устойчивые в колло­идном состоянии гидроксид и трехкальциевый гидроалюминат посте- зтейно начинают переходить в устойчивое кристаллическое состояние. Одновременно с этим медленно кристаллизующийся гель гидросили­ката кальция уплотняется. Образующиеся кристаллы гидроксида кальция и трехкальциевого гидроалюмината срастаются и, пронизы­вая коллоидные массы, состоящие главным образом из гидросиликата кальция, образуют прочный кристаллический сросток.

При твердении цемента на воздухе рассмотренные выше про­цессы дополняются карбонизацией кальция, что способствует повы­шению прочности цементного камня. Твердение цемента сопровожда­ется выделением теплоты.

В результате процессов коллоидации и кристаллизации образу­ется прочный цементный камень.

В первые З...7сут прочность нарастает довольно быстро (70%), затем в интервале 7...28 сут— рост прочности замедляется (30%). Че­рез 28 сут — марочная прочность (100%).

В дальнейшем повышение прочности относительно невелико, но может продолжаться в течение многих лет, особенно во влажной и теплой среде.

Свойства портландцемента. К основным

ландцемента относятся тонкость помола, водопотребность, срокзн ^^Мть1ванйя, равномерность изменения объема и прочность.

Портландцемент— порошок серо-зеленого цвета со средней плотностью в рыхлом состоянии — 1000... 1100 кг/м³, в уплотненном — 1400...1700 кг/м³, истинная плотность — 3,05...3,15 г/см³

Тонкость помола влияет на скорость схватывания. Чем тоньше измельчен цементный клинкер, тем быстрее и полнее протекает взаимодействие цемента с водой и тем выше будет его прочность. Тонкость помола можно определить двумя способами:

• ситовым анализом;

• определением его удельной поверхности. Удельная поверхность — это величина поверхности зерен

(в см²) в 1 г цемента. Остаток на сите № 008 составляет не более 15%. Удельная поверхность должна быть 2500...3000 см²/г.

Водопотребностъ и нормальная густота. Портландцемент затво­ряют водой. Под водопотребностью понимают то количество воды (в %),

которое необходимо ввести в цемент для получения теста нормальной густо­ты. Определение нормальной густоты производят с помо­щью прибора Вика (рис. 7.5).

При испытании нормальной густо­той теста считают такую его конси­стенцию, при кото­рой пестик прибора, погружаясь в коль­цо, заполненное тестом, не доходит до дна кольца на 5...7 мм.

Нормальная густота цементного теста 24...28% от массы цемента.

Сроки схва­тывания. Начало схватывания согласно ГОСТу не ранее 45 мин (обычно наступает через 1...2ч). Окончание схватывания не позднее

10 ч От начала затворения (обычно через 4...6 ч). Окончание тверде­ния через 28 сут.

Равномерность изменения объема цемента характеризует его доброкачественность. Данный показатель устанавливают по образ­цам» Лепешкам, которые кипятят в воде и выдерживают над паром. Если после испытания на лицевой поверхности лепешек нет трещин, сеткй морщин, то цемент считается доброкачественным. При нерав­номерном изменении объема снижается не только предел прочности, но и разрушается цементный камень.

Прочность характеризуется маркой. Марку устанавливают по пределу прочности при изгибе образцов-балочек размером 40х4йх160 мм и при сжатии их половинок, изготовленных из цемент- но-пйсчаного раствора состава 1:3 (по массе) и испытанных через 28 сут. Предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут называют ак­тивностью цемента.

Согласно ГОСТ 10178—85 портландцемент имеет следующие марки: М400, 500, 550, 600. Условное обозначение портландцемента доляйно состоять из: наименования вида цемента — портландцемент (ПЦ)5 марки цемента; содержания добавок; обозначения стандарта.

Например, ПЦ-400Д20 ГОСТ 10178—85 — портландцемент мар- " ки 400, добавок 20%.

Коррозия цементного камня. Коррозия портландцемента (в бетойах и растворах) происходит под действием агрессивной среды, создаваемой различными жидкостями и газами.

Различают три основных вида коррозии цементного камня. На практике редко наблюдается разрушение цементного камня под дей­ствием какого-то одного вида. Обычно одновременно протекает не­сколько видов коррозии.

Коррозия первого вида возникает от действия на цементный камень пресных вод.

Пресные воды, соприкасаясь с цементным камнем, растворяют и вымздвают вьщеляющуюся при твердении портландцемента Са(ОН)₂,

которая больше растворяется в воде по сравнению с другими продук- тамй гидратации. Удаляющийся из цементного камня гидроксид кальЪщя разлагает другие гидраты, вследствие чего бетоны становят­ся белее пористыми и постепенно разрушаются.

Ко₁второму виду коррозии относятся процессы, происходящие под действиемсодержа (соли), всту­

пающие в обменные реакции с составными частями цементного кам­ня. Образующиеся при этом продукты реакции либо легкорастворимы и уносятся водой, либо выделяются в аморфном виде, не обладая прочностью. Чаще всего наблюдается коррозия бетона под действием

углекислых вод, так как углекислота имеется во многих природных водах.

Вредное влияние на цементный камень оказывает также и со­ляная кислота, которая часто содержится в сточных водах промыш­ленных предприятий и просачиваясь в почву, разрушает подземные бетонные конструкции (фундаменты и др.).

К^гретъему виду коррозии относятся процессы, связанные с об- , разованием малорастворимых продуктов^ которые постепенно накап­ливаются в капиллярах, порах и других пустотах цементного камня. По мере увеличения объема этих отложений, цементный камень сна­чала уплотняется, а затем начинает разрушаться. Примером тому служит сульфатная коррозия — разрушение цементного камня под действием вод, в которых растворены соли сульфатов. Вследствие об­менных реакций образуется труднорастворимый гидросульфоалюми- нат кальция (цементная бацилла), который при кристаллизации уве­личивается в объеме до 2,86 раза и разрушает цементный камень.

Меры борьбы с коррозией. Самый надежный способ — примене­ние гидроизоляции, при этом вода не проникает внутрь цементного камня и разрушающих процессов не происходит. Защиту цементного камня осуществляют за счет применения цементов определенного минералогического состава (сульфатостойкий цемент), введения ак­тивных минеральных добавок (пуццолановый и шлакопортландце- мент), тщательного уплотнения бетонной смеси, а также применения защитных облицовок и покрытий — полимерными пленками, битум­ными обмазками, керамическими и стеклянными плитками, которые исключают воздействие агрессивной среды на конструкции.

Применение, транспортирование и хранение цементов. Области применения портландцемента обширны и разнообразны. Высокая прочность, свойство сравнительно быстро твердеть на возду­хе и в воде выдвигают портландцемент на первое место среди других видов цементов. Портландцемент применяют для изготовления бе­тонных и железобетонных конструкций, работающих в подземных, подводных и наземных условиях. Не следует применять его для изго­товления конструкций, подвергающихся действию воды морской, ми­нерализированной или даже пресной— проточной или подаваемой под большим давлением.

Транспортируют портландцемент в крытых или специальных железнодорожных вагонах и в автомобилях-цементовозах, приспособ­ленных для механической разгрузки. Загружают цемент в такие ем­кости главным образом пневматическим способом. Перевозят порт­ландцемент и в многослойных бумажных мешках, которые удобны при транспортировке.

Хранить цемент следует в закрытых складах с плотной крышей, стенами и деревянным полом, возвышающимся над землей. При этом следует учитывать, что при хранении даже в самых благоприятных условиях, активность цемента снижается в результате частичной гид­ратации и карбонизации. • При хранении 3 мес активность цемента снижается на 15...20%, через 6 мес — на 20...30%.