Лекция 12 Портландцемент
Общие сведения. Это гидравлическое вяжущее вещество, получаемое в результате тонкого помола клинкера с добавкой гипса (3-5 %). Клинкер представляет собой зернистый материал, полученный обжигом до спекания (при Т=14500 С) сырьевой смеси, состоящей в основном из углекислого кальция и алюмосиликатов. Добавка гипса вводится для регулирования сроков схватывания.
Химический состав портландцемента (клинкера): СаО – 63–66 %, SiO2 – 21-24 %, Al2O3 – 4-8 %, Fe2O3 2-4 %.
Минералогический состав:
3СаОSiO2 (С3S): 45-60 %,
2СаОSiO2 (C2S): 20-30 %,
3СаОАl2O3 (C3A): 4-12 %,
4CaOAl2O3Fe2O3 (C4AF): 10-20 %.
Производство портландцемента. Сырьевыми материалами для изготовления портландцементного клинкера являются карбонатные (известняк, мел CaCO3) и глинистые породы (в основном, глины Al2O3nSiO2mH2O). Для получения клинкера материалы берутся в соотношении 3:1 (известняк/глина).
Производство портландцемента включает в себя следующие операции: приготовление сырьевой смеси, обжиг этой смеси и получение клинкера, помол клинкера с добавкой природного гипса.
Приготовление сырьевой смеси заключается в измельчении сырьевых материалов и их смешении. Эта операция может осуществляться сухим или мокрым способом. При сухом способе сырьевые компоненты дробятся до размера не более 5 мм, а затем подвергаются совместному помолу до размера менее 1 мм в шаровых мельницах. При совместном помоле одновременно происходит измельчение зерен и их перемешивание, благодаря чему образуется однородная сырьевая смесь. При этом способе компоненты должны иметь влагу не более 1-2 %. Сушка компонентов может быть организована в сушильных барабанах до их совместного помола или при их помоле в шаровой мельнице. Сухой способ особенно выгоден, если влажность сырья небольшая.
Мокрый способ производства применяют при значительной влажности материалов. Для этого мягкие, распускающиеся в воде материалы – мел, глину измельчают и перемешивают в воде. Влажность получаемой смеси настолько велика, что образуется текучая масса, называемая сырьевым шламом. Преимущество данного способа заключается в том, что помол в водной среде более эффективен, чем в воздушной, так как вода устраняет эффект налипания мелких частиц на мелющие тела вследствие приобретения статического заряда. В этом случае скорость помола увеличивается, а затраты на его проведение снижаются. Недостаток этого способа состоит в том, что воду, содержащуюся в шламе, затем приходится удалять испарением в цементной печи, что приводит к повышенным затратам топлива и энергии (в 1,5-2 раза больше, чем при сухом способе).
Обжиг сырьевой смеси (шлама) проводят во вращающихся печах, которые представляют собой огромные цилиндрические барабаны диаметром до 5 м и длиной 60-90 м при сухом способе, 180-230 м - при мокром способе (рис. 9). Угол наклона продольной оси барабана к горизонту - 3-40. Благодаря этому, сырьевая смесь загружается в верхнюю часть печи, при медленном вращении барабана постепенно перемещается к нижнему выходному концу. В печи смесь постепенно нагревается, при этом в ней протекают следующие процессы: сушка (100-1100С), выгорание органических примесей (4000С), декарбонизация (900-10000С), жидкофазные реакции (14500С).
Рис. 9 Вращающаяся печь для получения цементного клинкера
Из печи выходят прочные камневидные окатанные гранулы – клинкер. Далее его охлаждают до температуры 100-2000 С в холодильниках. После этого выдерживают на складе в течение 1-2 недель.
Помол клинкера с добавкой гипса – заключительная операция производства портландцемента. Измельчение осуществляется в шаровой мельнице. Природный гипс вводится в количестве до 15 % для корректировки сроков схватывания. В результате получают тонкодисперсный порошок темно-серого цвета, который и называют портландцемент.
Гидратация и твердение цемента. Сразу после затворения цемента водой начинаются химические реакции. Уже в начальной стадии процесса гидратации цемента происходит быстрое взаимодействие алита с водой с образованием ГСК и гидроксида:
2(3СаОSiO2) + 6H2O = 3CaO2SiO23H2O + 3Ca(OH)2
Позже начинает гидратировать двухкальциевый силикат:
2(2СаОSiO2) + 4H2O = 3CaO2SiO23H2O +Ca(OH)2
Взаимодействие трехкальциевого алюмината с водой приводит к образованию гидроалюмината кальция:
3СаОАl2O3 + 6 Н2О = 3СaOАl2O36Н2O
Вводимый в состав цемента гипс реагирует с трехкальциевым алюминатом с образованием гидросульфоалюмината кальция (эттрингит):
3СаОАl2O3 + 3 СаSO4 2H2O + 26 H2O = 3 CaOAl2O3 3 CaSO4 32H2O
В начале эттрингит выделяется в коллоидном тонкодисперсном состоянии, осаждаясь на поверхности частиц С3А, замедляет их гидратацию и затягивает начало схватывания цемента. В определенный момент времени эттрингит начинает выделяться в виде длинных иглоподобных кристаллов. Они обуславливают раннюю прочность цемента, кроме этого, уплотняют структуру и повышают механическую прочность.
Четырехкальциевый алюмоферрит взаимодействует с водой с образованием гидроалюмината и гидроферрита:
4CaOAl2O3Fe2O3 + m H2O = 3СaOАl2O3Н2O + CaO Fe2O3n H2O
При затворении водой начинают происходить описанные выше реакции. Гидратные соединения, образующиеся по данным реакциям, выделяются в коллоидальном состоянии в виде студней-гелей. Получающиеся после затворения портландцемента водой коллоидальные образования благодаря своей вязкости временно сообщают цементному тесту характерную пластичность, не позволяющую составным частям бетонной смеси отделяться от всей массы. По мере дальнейшего твердения цемента коллоидальные массы постепенно уплотняются, что сопровождается потерей пластичности и наступлением схватывания портландцемента.
В дальнейшем студни начинают кристаллизоваться, это сопровождается уплотнением структуры и нарастанием механической прочности. Наиболее быстро твердеющими клинкерными минералами являются С3А и C3S. Соответственно для получения быстротвердеющего цемента повышают содержание данных минералов в цементе.
Основные свойства цемента. Тонкость помола цемента оценивается путем просеивания через сито № 008. Тонкость помола должна быть такой, чтобы через сито проходило не менее 85 % от массы просеиваемой пробы.
Сроки схватывания определяются с помощью прибора «Вика», путем погружения иглы в тесто нормальной густоты. Начало схватывания должно наступать не ранее 45 мин после затворения. Конец схватывания – не позднее 10 ч.
Прочность цемента устанавливается на образцах балочках размером 4*4*16 см. Марку цемента назначают по результатам испытания образцов, хранившихся в нормальных условиях в течение 28 сут. Марки цемента могут быть: 400, 500, 550,600.
Виды портландцемента. Сульфатостойкий ПЦ, характеризуется сниженным содержанием: С3А < 5% и С3S < 50 %. С3А ограничивается для того, чтобы снизить вероятность протекания гидросульфоалюминатной коррозии, которая возникает при взаимодействии гидроалюмината кальция с сульфатами, находящимися в окружающей среде.
С3S ограничивается, т.к. его гидратация приводит к образованию Са(ОН)2, который при взаимодействии с сульфат-ионами из окружающей среды образует двуводный сульфат кальция, что также вызывает коррозию.
Применяется для наружных зон гидротехнических и иных сооружений, работающих в условиях сульфатной агрессии.
Пуццолановый портландцемент получается при помоле клинкера с введением АМД в количестве 25-40 %. Технический эффект основан на реакции пуццоланизации. В качестве добавок используется диатомит, трепел, опока. Имеет пониженную морозостойкость, воздухостойкость (из-за пониженной водопортебности).
Шлакопортландцемент изготавливается совместным помолом портландцементного клинкера и доменного гранулированного шлака до 60%. Быстрое охлаждение шлаков препятствует кристаллообразованинию, поэтому шлак имеет стекловидную структуру, обладает высокой реакционной способностью, в размолотом виде медленно твердеет, а в присутствии Са(ОН)2 процесс ускоряется.
Специфика ШПЦ по сравнению с ПЦ:
- более стоек в пресных водах;
- медленное твердеет в нормальных условиях;
- при ТВО твердеет быстрее, чем ПЦ;
- худшая морозостойкость;
- более дешевый.
Применяются в подводных и подземных сооружениях, при производстве пропариваемых изделий, для изготовления массивных бетонных конструкций.
Отдельный вид портландцемента - это белый портландцемент. Он изготавливается из чистых известняков и белых глин, в условиях препятствующих попаданию частиц железа.