4.3. Гидравлические вяжущие вещества

К гидравлическим вяжущим относятся гидравлическая известь, романцемент, портландцемент и его разновидности. Свойства ука­занных вяжущих веществ зависят от гидравлического модуля и тем­пературы обжига сырья. Гидравлический модуль m выражает содержание основного оксида СаО по отношению к суммарному количеству оксидов:

(11)

Для каждого вяжущего вещества характерен свой гидравлический модуль. У гидравлической извести m=1,7-9; у ро­манцемента m<1,7, у порт­ландцемента m=1,9-2,4.

Гидравлическую известь получают из мергелистых известняков, содержащих 6-20% глины путем обжига в шахтных печах при температуре 900-1100°С не допуская при этом спекания. Полученную известь размалывают и применяют в виде порошка либо гасят в пушонку. Гидравлическая известь начинает твердеть на воздухе (первые 7 сут.) и продолжает твердеть и увеличивать свою прочность в воде. Предел прочности при сжатии после 28 суток комбинированного хранения образцов из раствора из извести и песка 1:3 по массе (7 суток во влажном воздухе и 21 сутки в воде) составляет 2-5 МПа. Гидравлическую известь применяют для изготовления строительных растворов, бетонов низких марок и бетонных камней.

Романцемент – гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким помолом обожженных не до спекания (900°С) известняковых или магне-зиальных мергелей, содержащих более 20% глины. Образующиеся при обжиге низкоосновные силикаты и алюминаты каль­ция придают романцементу свойство твердеть и сохранять прочность в воде. Романцемент выпускают трех марок: М25, М50 и Ml00. Он применяется для изготовления строительных растворов, бетонов, бетонных камней.

Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, в составе которого преобладают силикаты кальция (70-80%). В сред­нем на 1 т цемента расходуется около 1,5 т минерального сырья. Порт­ландцемент – продукт тонкого измельчения клинкера с добавкой гип­са (3-5%). Клинкер представляет собой зернистый материал («горошек»), полученный обжигом до спекания (при 1450°С) сырье­вой смеси, состоящей в основном из углекислого кальция (известняки различного вида) и алюмосиликатов (глины, мергеля, доменного шлака и др.). Небольшая добавка гипсового камня регулирует сроки схватыва­ния портландцемента.

Производство портландцемента включает в себя: добычу в карьере и доставку на завод сырьевых материалов – известняка и глины; приготовление сырьевой смеси; обжиг сырьевой смеси до спекания – получение клинкера; помол клинкера с добавкой гипса – получение портландце­мента.

Приготовление сырьевой массы состоит в тонком измельчении и смешении взятых в установленном соотноше­нии компонентов, что обеспечивает полноту прохождения химиче­ских реакций между ними и однородность клинкера. Приготовление сырьевой смеси осуществляется сухим, мокрым или комбинированным способами.

Сухой способ заключается в измельчении и смеше­нии сухих (или предварительно высушенных) сырьевых материалов, до получения минерального порошка, называемого сырьевой мукой. Тонкое совместное измельчение из­вестняка и глины осуществляют в трубных (шаровых) мельницах, в которых совмещаются помол и сушка сырьевых материалов до оста­точной влажности 1-2%. Сырьевую муку направляют в силосы, в них корректируется со­став сырья и создается запас, необходимый для бесперебойной рабо­ты печей. Данный способ менее энергоемкий.

Мокрый способ приготовления сырьевой смеси применяют, если сырье имеет значительную влажность (мел, глины). Тон­кое измельчение и смешение исходных материалов осуществляется в водной среде, поэтому сырьевая смесь получается в виде жидко-текучей массы – шлама с большим содержанием воды (35-45%). Из трубных мельниц, где производится совместное измельчение известняка и глины, известково-глиняный шлам перекачивают насосами в вертикальные или горизонтальные резервуары (шламбассейны), в них корректируют и усредняют хими­ческий состав шлама.

Обжиг сырьевой смеси как при сухом, так и при мокром способе производства осуществляется в основном во вращающихся печах (рис. 5).

Рис. 5. Схема вращающейся печи: 1 - сырьевая шихта; 2 - горячие газы; 3 - вращающаяся печь; 4 - цепные заве­сы, улучшающие теплообмен; 5 - привод; 6 - водяное охлаждение зоны спе­кания печи; 7 - факел; 8 – форсунка для подачи топлива; 9 - клинкер; 10 - холодильник; 11 - опоры

Вращающаяся печь представляет собой длинный, рас­положенный слегка наклонно цилиндр (барабан), сваренный из лис­товой стали с огнеупорной футеровкой внутри. Длина печей 95-230 м, диаметр 5-7 м.

Вращающиеся печи работают по принципу противотока. Сырье в виде порошка (сухой способ) или в виде шлама (мокрый способ) по­дается автоматическим питателем в печь со стороны ее верхнего (хо­лодного) конца, а со стороны нижнего (горячего) конца вдувается топливо (природный газ, мазут, воздушно-угольная смесь), сгораю­щее в виде факела на протяжении 20-30 м длины печи. Горячие газы поступают навстречу сырью. Сырье занимает только часть печи по поперечному сечению, и при ее вращении со скоростью 1-2 об/мин медленно движется к нижнему разгрузочному концу. Цементный клинкер выходит из вращающейся печи в виде мелких камнеподобных зерен-гранул («горошка»), интенсивно охлажда­ется с 1000°С до 100-200°С, после чего выдерживается на складе 1-2 недели.

Помол клинкера в тонкий порошок производится пре­имущественно в трубных (шаровых) мельницах. Трубная мельница представляет собой стальной барабан длиной до 16м и диаметром до 4м, облицованный внутри сталь­ными броневыми плитами и разделенный дырчатыми перегородками на 2-4 камеры. Материал в трубных мельницах измельчается под действием за­груженных в барабан мелющих тел – стальных шаров (в камерах гру­бого помола) и цилиндров (в камерах тонкого помола). При враще­нии мельницы мелющие тела поднимаются на некоторую высоту и падают, дробя и истирая зерна материала.

Готовый портландцемент - очень тонкий порошок темно-серого или зеленовато-серого цвета; по выходе из мельницы он имеет температуру (80-120°С) и направляется пневматическим транс­портом для хранения в силосы, которые обычно выполняются в виде железобетонных банок диаметром 8-15 м и высотой 25-30 м, где выдерживается до его охлаждения и гашения ос­татков свободного оксида кальция.

Качество клинкера определяет все свойства портландцемента, до­бавки же, вводимые в цемент, лишь регулируют его свойства. Каче­ство клинкера зависит от его химического и минерального состава, тщательности подбора сырьевой смеси, условий проведения ее обжи­га и режима охлаждения получившегося клинкера.

Химический состав клинкера выражают содержанием оксидов (% по массе). Главными являются: СаО – 63-66%, SiO₂ – 21-24%, Аl₂О₃ – 4-8% и Fe₂O₃ – 2-4%. Основными минералами клин­кера являются: алит (3CaO∙SiO₂ или C₃S); белит (2CaO·SiO₂ или C₂S), трехкальциевый алюминат (3CaO∙Al₂O₃ или С₃А) и четырехкальциевый алюмофер­рит (4CaO∙ Al₂O₃∙Fe₂O₃ или C₄AF).

Рис. 6. Нарастание прочности минералов клинкера портландцемента: 1 - C3S; 2 - C4AF; 3 - C2S; 4 - С3А.

Цементное тесто, приготовленное путем смешивания цемента с водой, имеет три периода твердения. Вначале, в течение 1-3 ч после затворения цемента водой, оно пластично и легко формуется. Потом наступает схваты вание, заканчивающееся через 5-10 ч после затворе­ния; в это время цемент-ное тесто загустевает, утрачивая подвиж­ность, но его механическая прочность еще невелика. Переход загус­тевшего цементного теста в твердое состояние означает конец схва­тывания и начало твердения, которое характерно заметным возрас-та­нием прочности. Твердение цемент- ного камня при благоприятных условиях длится годами – вплоть до полной гидратации цемента.

Скорость набора прочности различными минералами цементного камня различна (рис. 6).

Портландцемент разделяют на марки по прочности 300, 400, 500, 550, 600. Подробнее технические характеристики портландцемента и методы их определения приведены в главе 1 второго раздела настоящего пособия.

При производстве тех или иных строительных работ необходимы цементы со специальными свойствами. Для получения портландцемента с заданными специальными свойствами используют следующие основные пути: регулирование минерального состава и структуры цементного клинкера, введение минеральных и органических добавок и регулирование тонкости помола и зернового состава цемента. К специальным видам цементов относятся: быстротвердеющий портландцемент (БТЦ); особобыстротвердею- щий высокопрочный портландцемент (ОБТЦ); сверхбыстротвердеющий цемент (СБТЦ); сульфатостойкий портландцемент; цементные вяжущие низкой водопотребности (ВНВ); пуццолановый портландцемент (ПЦ); шлакопортландцемент (ШПЦ); белый и цветные портландцементы; тампо-нажный портландцемент; расширяющиеся и безусадочные цементы и др.