10.3. Портландский цемент

Это гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе. Применяется для изготовления бетона и железобетона.

Получение портландцемента включает следующие этапы:

- изготовление сырьевой смеси требуемого состава;

- обжиг до спекания, при этом получают цементный клинкер;

- размалывание до получения тонкого порошка.

Элементарный химический состав клинкера принято условно выражать в пересчете на соответствующие оксиды (в вес. %):

- СаО 62-68;

- SiO₂ 18-26;

- Al₂O₃ 4-9;

- Fe₂O₃ 03-6;

В качестве сырья применяют породы, состоящие в основном из карбонатов кальция и силикатов алюминия (известняки и глины) в соотношении 1:3 (по массе).

Сырьевую смесь изготавливают мокрым способом – измельчением и смешиванием сырьевых материалов с водой (шлам). Затем:

- шлам подсушивается;

- дегидратация минералов глины (500-800⁰С);

- диссоциация карбоната кальция (900-1200⁰С) и образование СаО∙Al₂O₃ и 2СаО∙SiO₂;

- завершается образование 2СаО∙SiO₂;

СаО∙Al₂O₃ → 5CaO∙3Al₂O₃ и 3CaO∙Al₂O₃ при температуре 1000-1250⁰С.

- частичное плавление материала при температуре 1450⁰С; завершение образования силикатов и алюминатов кальция. Материал спекается, образуя зернистую массу, называемую клинкером;

- охлаждение до 1000-1200⁰С и быстрое охлаждение в специальном устройстве, называемом холодильником;

- помол клинкера.

В химии силикатных материалов при выражении состава минералов приняты сокращения:

- СаО – С;

- SiO₂ – S;

- Al₂O₃ – A;

- Fe₂O₃ – F;

- H₂O – H;

Состав цементного клинкера

Название минерала	Формула	Условные обозначения	Примерное содержание в клинкере
Трехкальциевый силикат	3CaO∙SiO2	C3S	40 – 65
Двухкальциевый силикат	2CaO∙SiO2	C2S	15 – 4
Трехкальциевый алюминат	3CaO∙Al2O3	C3A	5 – 15
Четырехкальциевый алюмоферрит	4CaO∙Al2O3∙Fe2O3	C4AF	10 – 20

Взаимодействие минералов цементного клинкера с водой происходит через процессы гидролиза, гидротации и образования гидритных соединений:

- при действии воды на трехкальциевый силикат некоторая его часть растворяется в воде с гидролитическим расщеплением; продукты гидролиза гидротируются. В результате из раствора выделяется труднорастворимый двухкальциевый гидросиликат:

3СаО∙SiO₂ + (n+1)H₂O = 2CaO∙SiO₂∙nH₂O + Ca(OH)₂

- при взаимодействии с водой двухкальциевый силикат практически не подвергается гидролизу, а гидратируется:

2СаО∙SiO₂ + nH₂O = 2CaO∙SiO₂∙nH₂O

- при смешивании с водой 3СаО∙Al₂O₃ переходит в раствор, выделяясь из него в осадок в виде гидроалюминатов кальция

3СаО∙Al₂O₃ + 6H₂O = 3CaO∙ Al₂O₃∙6H₂O

При добавлении гипса (для регулирования сроков схватывания):

3CaO∙ Al₂O₃∙6H₂O + 3CaSO₄ +25(26)H₂O = 3CaO∙ Al₂O₃∙3CaSO₄∙31(32)H₂O

гипс

- четырехкальциевый алюмоферрит при действии воды гидролитически расщепляется с образованием шестиводного трехкальциевого алюмината и гидроферрита кальция:

4CaO∙Al₂O₃∙Fe₂O₃ + (m+6)H₂O = 3CaO∙Al₂O₃∙6H₂O + CaO∙Fe₂O∙mH₂O

Это основные химические реакции, происходящие при взаимодействии основных клинкерных минералов с водой.

Цементный камень, образующийся в результате взаимодействия минералов цементного клинкера с водой, включает следующие основные части:

- гидроокись кальция;

- гидросиликаты кальция;

- гидроалюминаты кальция;

- гидрофериты кальция.