5. Гидравлическая известь и романцемент

Гидравлические свойства вяжущих обусловлены наличием в их составе силикатов, алюминатов, ферритов кальция. Химический состав сырья и гидравлические свойства готового вяжущего характеризуют гидравлическим или основным модулем:

m₀ = %СаО/%(SiO₂ + Al₂O₃ + Fe₂O₃)

Для воздушной извести m₀ > 9, гидравлической извести m₀ = 1,7...9, романцемента m₀ = 1,1...1,7.

Гидравлическая известь - тонкомолотый продукт, полученный обжигом при 900...1100⁰С мергелистых известняков, содержащих 6...25% равномерно распределенной глины. Романцемент - сильная гидравлическая известь, получаемая при обжиге карбонатного сырья с содержанием глины более 25%.

При обжиге наряду с СаО из минералов глины образуются SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃. За счет реакции в твердой фазе образуются минералы 2СaO*SiO₂, CaO*Al₂O₃, 2CaO*Fe₂O₃.

Затворенная водой гидравлическая известь твердеет сначала (7...18 сут) на воздухе, а затем она продолжает твердеть в воде за счет гидратации соединений кальция. Гидравлическую известь и романцемент можно применять для изготовления штукатурных и кладочных растворов, бетонов низких марок (25, 50, 100), эксплуатируемых во влажных условиях, что позволяет экономить дорогой портландцемент.

Однако если температуру обжига сырьевой смеси с m₀ = 2 довести до 1450⁰С, то образуются другие соединения, обладающие большой прочностью и гидравличностью. В результате получают новое вяжущее - портландцемент, обладающий более высокой прочностью по сравнению с романцементом.

6. Портландцемент.

Запатентован Дж. Аспдином в начале XIX века, за сходство по цвету с Портландским камнем назван портландцементом. Реально современная технология получения портландцемента разработана в 1824 г. Е.Г. Челиевым, который получил вяжущее из смеси извести и глины путем обжига до спекания.

Портландцемент - гидравлическое вяжущее, получаемое путем тонкого совместного измельчения клинкера (95...97%) и двуводного гипса (3...5%).

Клинкер - продукт обжига до спекания сырьевой смеси состава, обеспечивающего преобладание в нем силикатов кальция.

СаО - 62...68%

SiO₂ - 18...26%

Al₂O₃ - 4...9%

Fe₂O₃ - 0,3...6%

Качество цемента определяется минералогическим составом клинкера, который колеблется в следующих пределах

Минерал	Формула	Условное обозначение	Содержание, %
Трехкальциевый силикат	3СаO*SiO2	C3S алит	40...65%
Двухкальциевый силикат	2CaO*SiO2	C2S белит	20...30%
Трехкальциевый алюминат	3CaO*Al2O3	C3A	5...12%
Четырехкальциевый алюмоферрит	4CaO*Al2O3*Fe2O3	C4AF целит	10...20%

Алит очень активен в реакции с водой, быстро твердеет, достигая большой прочности в ранние сроки твердения. Активность белита значительно меньше, набирает достаточно высокую прочность в поздние сроки твердения. Алюминат наиболее активный минерал, твердеет чрезмерно быстро, что сдерживается добавкой гипса. Дает низкую прочность. Целит отличается средней активностью и быстротой твердения.

Исходя из этого, для производства портландцемента следует применять сырьевые материалы, которые содержат много карбоната кальция и алюмосиликатов.

Состав сырья:

а) известковый компонент - известняки, мел, ракушечник;

б) глинистый компонент, содержащий алюмосиликаты и оксид железа, - легкоплавкие глины, мергели;

в) корректирующие добавки - глинистые, кремнеземистые (кварц, песок, опока, трепел), железосодержащие.

Гипсовый камень вводят в состав портландцемента на завершающей стадии производства при помоле клинкера. Он выполняет роль добавки, замедляющей сроки схватывания цемента.

Общая технологическая схема производства:

1. Добыча сырьевых материалов.

2. Приготовление сырьевой смеси включает дробление, помол и смешивание компонентов. Существует 3 способа: мокрый - измельчение и смешивание производят в присутствии большого количества воды (32...45%) с последующей гомогенизацией в шлам-бассейнах; сухой - сушка, дробление, измельчение и смешивание компонентов при помощи сжатого воздуха; комбинированный - полученный шлам обезвоживают до 16...18%, гранулируют и обжигают в коротких печах.

3. Обжиг сырьевой смеси производят во вращающихся печах (диаметром 3...7 м., длиной 185...230 м) по принципу противотока. По ходу движения в печи сырье претерпевает множество физико-химических превращений: испарение влаги и грануляция (100...200⁰С), выгорание органики и дегидратация глинистых минералов (до 600⁰С), декарбонизация известкового компонента (800...1200⁰С), идут реакции в твердой фазе с образованием минералов C₂S, C₃A, C₄AF (800...1300⁰С), частичное плавление сырья в зернах гранулах и растворение образовавшихся минералов с образованием нового соединения C₃S, охлаждение (1300...1100⁰С) с кристаллизацией большей части расплава, примерно 6...10% застывает в виде клинкерного стекла.

4. Помол гранул клинкера совместно с гипсовым камнем и другими добавками в трубных шаровых многокамерных мельницах.

Твердение портландцемента - сложный комплекс химических, физико-химических и физических процессов, которые переплетаются и взаимно обусловливают друг друга.

С химической точки зрения твердение цемента - это переход безводных клинкерных минералов в водные за счет реакции гидратации

2(3СaO*SiO₂) + 6H₂O = 3CaO*SiO₂*3H₂O + 3Ca(OH)₂

2CaO*SiO₂ + 4H₂O = 3CaO*SiO₂*3H₂O + Ca(OH)₂

3СaO*Al₂O₃ + 6H₂O = 3CaO*Al₂O₃*6H₂O

4СaO*Al₂O₃*Fe₂O₃ + 3Ca(OH)₂ + 16H₂O = 3CaO*Al₂O₃*6H₂O + 4CaO*Fe₂O₃*13H₂O

Этот сложный механизм твердения сопровождается физико-химическими процессами превращения превращения порошка вяжущего в пластичное тесто после затворения водой, которое затем загустевает и затвердевает, превращаясь в искусственный камень.

Обязательным условием полноценного протекания процесса твердения цементного камня в растворах и бетонах является создание влажных условий следующими способами:

а) средой насыщенного пара;

б) поливкой бетона водой;

в) покрытие поверхности бетонных изделий мокрой тканью или опилками, а также паронепроницаемыми пленками;

г) твердение изделий в бассейнах с водой.

Повышение температуры при сохранении влажной среды способствует значительному ускорению твердения бетона: 15...20⁰С - нормальная температура, 60...100⁰С - температура тепловлажностной обработки, до 200⁰С при давлении до 1,6 МПа - автоклавная обработка.

При отрицательных температурах вода переходит в лед, гидратация прекращается. Твердение бетона в таких условиях обеспечивается только при прогреве или применении противоморозных добавок.

Существуют добавки-ускорители и замедлители твердения бетона. к ускорителям относятся неорганические соли - поташ, хлорид кальция и др. К замедлителям относятся некоторые органические кислоты, сахара, ПАВ.

Основные свойства ПЦ должны отвечать требованиям ГОСТ 10178-98.

1. Прочность характеризуется двумя показателями предела прочности при сжатии и изгибе, полученными в результате испытаний стандартных образцов балочек размерами 4х4х16 см, изготовленных из цементно-песчаного раствора состава 1:3 и испытанных после твердения в течении 28 суток в нормальных влажных условиях.

Марка	Предел прочности, МПа, не менее
ПЦ	Rсж	Rизг
400 500 550 600	39,2 49,0 53,9 58,8	5,4 5,9 6,1 6,4

2. Тонкость помола характеризуется проходом через сито N008 не <85%.

3. Удельная поверхность 2500...3000 см²/г.

4. Водопотребность характеризуется количеством воды, которое необходимо для приготовления теста нормальной густоты (24...28%).

5. Сроки схватывания: начало не ранее 45 мин., конец не позднее 10 часов.

6. Плотность вещества клинкерных зерен 3,05...3,2 г/см³, насыпная плотность 900...1300 кг/м³.

Помимо рядового существует множество разновидностей портланцемента: быстротвердеющий, сульфатостойкий, пластифицированный и гидрофобизированный, белый и цветной, пуццолановый и шлакопортландцемент, ГЦПВ, глиноземистый, расширяющийся и напрягающий. Это определяет широкую область применения портландцемента:

1. Производство сборного железобетона.

2. Изготовление монолитных бетонных и железобетонных конструкций.

3. Производство строительных растворов высоких марок.

4. Производство асбестоцементных изделий.

5. Производство изделий автоклавного твердения.

6. Производство теплоизоляционных материалов и изделий.

7. Для архитектурно-отделочных работ.

8. Аварийные, ремонтные и восстановительные работы.

В процессе эксплуатации цементный камень в бетонах и растворах может подвергаться коррозии и разрушению. Одним из самых агрессивных воздействий на цементный камень является воздействие воды, поэтому наиболее эффективными конструктивными и технологическими мерами защиты цементного камня являются:

а) интенсивное уплотнение бетонных смесей при укладке;

б) использование смесей с минимальным водоцементным отношением;

в) использование добавок-гидрофобизаторов;

г) применение защитных гидроизоляционных покрытий: облицовки, обмазки, оклейки.