7.6. Гидравлическая известь
Гидравлической известью (ГОСТ 9179—77) называют гидравлическое 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 - А12О3 -Si02-Fe2О3, образуя силикаты 2CaO-Si02, алюминаты СаО - А12О3 и ферриты кальция 2СаО Fe2О3, 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...1100кг/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 вещество — 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 около 75...78% известняка и 22...25% глины. Таким природным сырьем являются известняковые мергели, известняки, 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 А12О3, железа Fe2О3, 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; 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
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 (Н2О 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 алюмоферрит. При температуре 1300 °С трехкальциевый алюминат ЗСаО А12О3 и четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО А12О3 Fe2О3 расплавляются и образуют клинкерную жидкость, в которой растворяются СаО и 2СаО Si02 с образованием трехкальциевого силиката 3CaO-SiO2, который кристаллизуется из расплава при 1450 °С. Трехкальциевый силикат — важнейший минерал клинкера. При понижении температуры до 1300 °С жидкий расплав застывает, заканчивается процесс спекания.
Клинкер представляет собой зерна серовато-зеленого цвета, твердые, размером до 25 мм. Раскаленный клинкер 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 3CaO-SiO2 —алит (C3S), двухкальциевый силикат 2СаО SiO2 — белит (C2S), трехкальциевый алюминат ЗСаО А12О3 (С3А), четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО А12О3 –Fe2О3 (C4АF) (C3S; C3S; С3А; C4АF — 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 ЗСаО SiO2 (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 2CaO-SiO2 (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 ЗСаО-А12О3 (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 А12О3- - Fe2О3 (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 — растворение, 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 Si02 + (n + 1)Н2О = 2СаО SiO2 Н20 + Са (ОН)2.
Четырехкальциевый алюмоферрит при действии на него воды гидролизуется по реакции, образуя гидроалюминаты и гидроферриты кальция: 4СаО А12О3 Fe2О3+ nН2О = ЗСаО А12О3 6Н2О + СаО Fe2О3 nН2О.
Двухкальциевый силикат и трехкальциевый алюминат только гидратируются (присоединяют к себе воду), образуя соответственно гидросиликат и гидроалюминат кальция:
2СаО SiО2 + Н2О = 2СаО SiO2 Н2О, ЗСаО А12О3 + 6Н2О = ЗСаО А12О3 6Н2О.
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 тесто теряет пластичность, т.е. начинает схватываться.
Третий период — кристаллизация. Более устойчивые в коллоидном состоянии гидроксид и трехкальциевый гидроалюминат постепенно 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 свойствам портландцемента относятся тонкость помола, водопотребностъ, сроки схватывания, 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/см33
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 позднее10 ч от начала затворения (обычно через 4...6 ч). Окончание твердения — через 28 сут.
Рис. 7.5. Прибор Вика:
а — вид сбоку; б — вид спереди; 1 — стержень с грузом; 2 — дополнительный груз; 3 — обойма; 4 — шкала; 5 — указатель; 6 — зажимный винт; 7 — кольцо для цементного теста; 8 — пестик
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, сетки 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 40x40x160 мм и при сжатии их половинок, изготовленных из цементно-песчаного 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 должно состоять из: наименования вида цемента — портландцемент (ПЦ); марки цемента; содержания добавок; обозначения стандарта.
Например, ПЦ-400Д20 ГОСТ 10178—85 — портландцемент марки 400, добавок 20%.
Коррозия цементного камня. Коррозия портландцемента (в бетонах 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 вымывают выделяющуюся при твердении портландцемента Са (ОН)2, которая больше растворяется в воде по сравнению с другими продуктами гидратации. Удаляющийся из цементного камня гидроксид кальция разлагает другие гидраты, вследствие чего бетоны становятся более пористыми и постепенно разрушаются.
Ко второму виду коррозии относятся процессы, происходящие под действием вод, содержащих химические вещества (соли), вступающие 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 третьему виду коррозии относятся процессы, связанные с образованием 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 гидросульфоалюминат 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 шлакопортландцемент), 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%.