книги из ГПНТБ / Кропотов В.Н. Строительные материалы учеб. для [архитектур.] вузов

чается в результате обжига до спекания сырьевой смеси надлежащего состава, обеспечивающего преобладание в ней силикатов кальция.

Портландцемент может выпускаться с активными минеральными добавками в количестве до 15% от веса цемента.

По производству и применению портландцемент занимает первое место среди всех других вяжущих веществ. Его широко используют для получения сборного и монолитного бетона и железобетона в про­ мышленном, жилищном, гидротехническом, дорожном и других отраслях строительства.

Химический состав портландцемента отличается относительным постоянством. В него входят следующие окислы:

при получении портландцемента применяют все виды известняков независимо от содержания в них глины (например, известняк, глини­ стый известняк, известковый мергель, мергель).

Вторым компонентом сырьевой смеси чаще всего является глина, с которой вводится в цемент кремнезем Si02 , глинозем А12 03 и окись железа Fe2 03 . Третьим компонентом могут быть корректирующие добавки, чтобы довести до требуемой нормы содержание того или иного кислотного окисла или одновременно двух. Например, для повышения

134

Рис. 55. Технологическая схема производства портландцемента по мокрому способу:

диаметром 5—10 и высотой 2,5—3,5 м, на вертикальной оси вращается крестовина с подвешенными к ней на цепях стальными граблями для измельчения кусков глины.

Помол шлама, а также и клинкера осуществляется в шаровых труб­ ных мельницах. Принцип работы трубных мельниц заключается в том, что тяжелые металлические тела шарообразной и цилиндрической

135

формы, поднимающиеся вследствие достаточно быстрого вращения кор­ пуса мельницы, затем под влиянием силы тяжести свободно падают вниз, дробя и измельчая материал, попадающий между шарами или между падающими шарами и корпусом мельницы.

На рис. 57,а показан аксонометрический разрез многокамерной мельницы. Она представляет собой стальной цилиндр длиной до 15,

Рис. 57а. Шаровая многокамерная мельница:

диаметром до 3,2 м, вращающийся на полых цапфах, через которые мельницу с одной стороны загружают, а с другой разгружают. Мель­ ница разделена на три камеры. В первой и второй камерах помещены стальные или чугунные шары, а в третьей — небольшие цилиндрики. Трубные мельницы действуют непрерывно.

Тонкоизмельченная сметанообразная смесь (шлам) подается насо­ сом в шламбассейны, изготовленные из железобетона или стали ци­ линдрической формы. В них окончательно корректируется смесь, после чего она поступает в запасные баки, где смесь постоянно взбалты­ вается.

О б ж и г . Тонкоизмельченную перемешанную смесь подвергают обжигу при 1400—1500° в цементно-обжигательной вращающейся печи, представляющей собой цилиндр из листовой стали, стенки кото­ рого внутри офутерованы огнеупорным материалом.

Длина современных печей составляет 150 и 185 ж и при диаметре 2,2—5 м. Печь (рис. 57, б) устанавливают с наклоном в 3—4° к гори-

136

зонту; вращается она вокруг своей оси со скоростью 0,5—1,5 об/мин. В результате обжига образуется клинкер. Охлаждается клинкер в рекуператорных холодильниках, которые представляют собой несколько мелких барабанных холодильников, укрепленных непосредственно на корпусе печи и вращающихся вместе с ней. Диаметр такого барабана

Рис. 576. Вращающаяся цементная печь

равен 1,3 м, длина — 6 м. Количество барабанов, зависящее от длины печей, достигает 12 шт. Клинкер охлаждается интенсивно до 100°.

Вследствие вращения печи и некоторого наклона ее обжигаемый материал перемещается по направлению к нижнему концу. В зависи­ мости от длины и диаметра печей производительность их составляет от 170 до 1400 m в сутки.

П р о ц е с с ы в п е ч и п р и о б ж и г е к л и н к е р а . Шлам, имеющий температуру наружного помещения, поступает в печное пространство с резко повы­ шенной температурой и быстро нагревается до 100°, причем вода, механически сме­ шанная, испаряется. На следующей стадии (при 400—750°) разлагаются органические вещества и происходит дегидратация минералов, входящих в состав глин, в част­ ности из каолинита по уравнению

Al 2 0 3 - 2SiO a . 2H 2 0 — * A l 2 0 3 + 2Si02 + 2Hä O При 900° диссоциируют карбонатные соединения

СаС03 —*СаО + С 0 2

Образующийся углекислый газ вместе с продуктами горения удаляется из печи, а СаО вступает в химическое взаимодействие с продуктами распада каолинита и других минералов.

Реакция химического связывания СаО происходят в твердом состоянии и осо­ бенно интенсивно при температуре 1100—1200°. При этом образуются следующие

Помимо этого остается в свободном состоянии СаО. Выше 1300° минералы расплав­ ляются, и СаО частично соединяется с 2CaO-Si02 , который также находится в расп­ лавленном состоянии. Процесс протекает по следующей реакции:

2CaO-Si02 + CaO = 3CaO-Si02

Поскольку портландцемент не должен содержать свободной СаО, наличие жид­ кой фазы обязательно, т. е, обжиг следует вести до спекания,

137

В результате физико-химических процессов, протекающих при обжиге, и получается клинкер. При выходе из нижнего конца печи клинкер имеет высокую температуру. Скорость охлаждения клинкера оказывает большое влияние на качество цемента. Охлаждение клин­ кера производится холодным воздухом, который просасывается на­ встречу с движением клинкера. Нагретый воздух вдувается в печь.

П о м о л к л и н к е р а . Клинкер, охлажденный приблизительно до 100°, поступает на склад для вылеживания в течение не менее 15 суток с целью гашения свободной извести СаО, которая может содержаться в клинкере. Кроме того, облегчается помол, так как воз­ никающие в процессе гашения внутренние напряжения повышают хрупкость клинкера и частично разрушают его.

Помол клинкера осуществляется в трубчатых шаровых мельницах. При помоле в мельницу добавляют 2—5% гипса для регулирования сроков схватывания цемента.

Цемент после помола направляют в силосы, где он вылеживается в течение нескольких дней до полного охлаждения после нагревания во время помола. Из силосов цемент поступает на упаковку в бумаж­ ные многослойные мешки емкостью 50 кг. Цемент транспортируется также в крытых вагонах или же в автоцистернах.

СХВАТЫВАНИЕ И ТВЕРДЕНИЕ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

Под твердением понимают процесс постепенного нарастания меха­ нической прочности цементного камня. В результате твердения в це­ ментном камне образуются новые соединения, отсутствующие в цемент­ ном клинкере.

Основы теории твердения портландского цемента были разработаны академиком А. А. Байковым. В дальнейшем в этом направлении рабо­ тали профессора В. Н. Юнг, П. А. Ребиндер, А. Е. Щейкин, С. Д. Око­ роков, Ю. М. Бутт, А. В. Волженский и многие другие.

ляющими цемента без перехода последних в раствор. При этом происходят химические

циевый гидросиликат

2СаО • SiO, + 4 Н 2 0 = 2СаО • Si0 2 • 4 Н , 0

Трехкальциевый алюминат гидратируется, образуя гидроалюминат кальция

ЗСаО • AI2 0 3 + 6Н2 0 = ЗСаО • А1г 0 3 • 6Н 2 0

138

в которой высокодисперсная твердая фаза адсорбционно оказывает значительное количество воды. Этот период взаимодействия цемента с водой, когда образуется кол­ лоидная система и цементное тесто начинает загустевать (период схватывания), назы­

наступает твердение — переход цементного теста в камневидное состояние с посте­ пенным повышением прочности цементного камня. Период, в течение которого про­

н кристаллическое, образуя кристаллический сросток цементного камня. Двухкаль-

Под капиллярным пространством 3 понимают объем между гидратными образо­ ваниями, окружающими цементные зерна.

Твердение цементного камня протекает интенсивнее во влажной среде и положи­ тельной температуре.

Увеличение прочности цементного камня во времени есть следствие продол­ жающихся физико-химических процессов, приводящих к увеличению новообразова­ ний, их кристаллизации и уплотнению коллоидной системы.

Портландцемент твердеет тем быстрее, чем больше в нем трехкальциевого сили­ ката и трехкальциевого алюмината, но в дальнейшем прирост прочности такого це­ мента замедляется. Цементы, содержащие много двухкальциевого силиката, наоборот, в раннем возрасте твердеют медленно, а затем нарастание прочности продолжается длительно и равномерно. Это объясняется тем, что действие воды на зерна портланд­ цемента происходит постепенно, по мере распространения реакции гидратации на внутреннюю часть зерен. Гель все больше и больше уплотняется, а прочность це­ мента возрастает. При благоприятных условиях твердения (положительная темпе­ ратура и влажность среды) время нарастания прочности значительно сокращается.

По данным проф. Ю. М. Бутт, глубина гидратации зерен клинкерных минера­ лов размером 30—55 мк через 6 месяцев твердения составляет 3—15 мк, и в дальней­

шем глубина гидратации увеличивается весьма медленно.

Исследования затвердевшего портландцемента под микроскопом показывают, что он состоит в основном из трех частей: коллоидальной изотропной массы, кристал­ лических образований и неизмененных зерен клинкера.

139

ФИЗИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦЕМЕНТА

У д е л ь н ы й в е с портландцемента в зависимости от химиче­ ского и фазового состава, а также различных добавок колеблется в пре­

количество воды, которое необходимо ввести в него для получения теста нормальной густоты. Нормальной густотой цементного теста ус­ ловно называется такая консистенция, при которой на приборе Вика пестик погружается в него на определенную, нормированную стандар­ том глубину. Водопотребность портландцементов колеблется обычно в пределах 24—28%. Он обладает низкой водопотребностью по сравне­ нию с другими вяжущими веществами.

С р о к и с х в а т ы в а н и я ц е м е н т а . Процесс схватывания цемента заключается в потере подвижности цементного теста. Под началом схватывания подразумевается начало загустевания теста, что практически определяется по погружению иглы на приборе Вика с нагрузкой на нее 300 Г на глубину, предусмотренную ГОСТом.

За конец схватывания принимается такое состояние теста, когда подвижность его полностью потеряна, т. е. тесто приобрело твердое состояние, но прочность его незначительна.

Ускоряется схватывание цементного теста при увеличении содер­ жания в цементе ЗСаО-А12 03 , а также при увеличении тонкости по­ мола. Кроме того, повышают температуру цементного теста и добав­ ляют в смесь растворы некоторых минеральных солей, например СаС12 . Замедляет сроки схватывания цемента добавка в цемент гипса

дении веществ весьма важным качественным показателем является равномерность изменения объема. При неравномерном изменении объема снижается не только предел прочности, но и разрушается цементный камень.

Наравномерность изменения объема цементов может быть вызвана гидратацией свободной окиси кальция при содержании ее в клин­ кере более 1,5—2,0%, гидратацией свободной окиси магния, присут­ ствующей в клинкере в виде высокотемпературной медленно-гасящейся формы — периклаза, образованием в тердеющем цементе высокосуль­ фатной формы сульфоалюмината кальция при повышенном содержании в клинкере трехкальциевого алюмината и гипса, вводимого при по­ моле клинкера.

Т о н к о с т ь п о м о л а цемента влияет на скорость схватыва­ ния и твердения, а также на прочность цементного камня. Чем тоньше измельчен цементный клинкер, тем быстрее и полнее протекает взаимо­ действие цемента с водой и тем выше будет его прочность, однако очень мелкий помол приводит к снижению некоторых свойств цемента.

140

Тонкость помола цемента можно определить двумя способами: ситовым анализом или определением его удельной поверхности.

В первом случае в соответствии с ТУ ГОСТ 10178-62, через сито

сопровождается выделением тепла. Количество тепла, выделяемое

Образцы-балочки испытывают на изгиб, а их половинки — на сжа­ тие. В зависимости от полученного результата цементы классифици­

с цементного камня, структурные составляющие которого или раство­ ряются в воде, или вступают в химическое взаимодействие с солями или кислотами, содержащимися в минерализованной воде.

Установлено, что коррозия портландцементных растворов и бето­ нов под действием вод различного состава происходит в основном в ре­ зультате следующих причин:

растворения некоторых составных частей цементного камня (на­ пример Са(ОН)2 );

взаимодействия цементного камня с содержащимися в воде свобод­ ными кислотами;

вследствие образования новых продуктов, легко растворимых в воде, или же новых продуктов, кристаллизирующихся в порах цемент­ ного камня со значительным увеличением объема.

141

На практике редко наблюдается разрушение цементного камня под действием какого-либо одного из перечисленных факторов. Обычно одновременно протекает несколько видов коррозии.

Коррозия цементного камня под действием мягких вод. Более активное разрушение мягкими водами наблюдается в бетонных соору­ жениях под напором воды, так как в данном случае сильно увеличи­ вается диффузия воды внутрь бетонного массива, а в дальнейшем — фильтрация ее через бетон. Опыт показал, что чем больше напор воды, чем более водопроницаем бетон и чем меньше толщина бетонной стенки, через которую фильтруется вода, тем скорее бетон разрушается.

Коррозия бетона происходит не только вследствие механического воздействия воды, но и растворения Са(ОН)2 , которая обладает хотя и небольшой, но максимальной растворимостью в воде по сравнению с другими продуктами гидратации цемента.

Выщелачивающее действие воды на бетон существенно зависит от содержания в ней бикарбонатов кальция и магния Са(НС03 )2 и Mg(HC03 )2 , которое характеризует временную жесткость воды. В воде с малой временной жесткостью Са(ОН)2 хорошо растворяется, что бу­ дет способствовать разрушению цементного камня.

Разрушение цементного камня углекислыми водами. Природные воды часто насыщены агрессивной углекислотой, способной реагиро­ вать с СаСОз, гидрат окиси кальция также растворяется (выщелачи­ вается) по реакции

С а ( О Н ) 2 + С 0 2 = С а С 0 3 + Н 2 0 ; С а С 0 3 + С 0 2 + Н 2 0 = С а ( Н С 0 3 ) 2

Образовавшийся бикарбонат кальция хорошо растворим в воде. Содержание агрессивной углекислоты более 15—20 мг на 1 л воды

является агрессивным для бетона.

Разрушение цементного камня водами, содержащими сульфаты.

Многие природные воды являются минерализованными, т. е. насыщены в различной степени минеральными солями. Особенно часты случаи разрушения портландцементных растворов и бетонов в морской воде. Такое действие вызывается обменными реакциями между растворен­ ными в воде солями и содержащимся в портландцементе гидратом окиси кальция

Са(ОН)2 + MgS04 + 2 Н 2 0 = CaS04 • 2 Н 2 0 + Mg(OH)2

Образующийся гипс реагирует с трехкальциевым гидроалюминатом кальция, находящимся в цементном камне в твердом состоянии, по уравнению

3 (CaS04 • 2Н2 0) + ЗСаО • А1,0, • 6 Н 2 0 f 19Н2 0 = = ЗСаО • А12 03 • 3CaSÖ4 • 31Н 2 0

Образование гидросульфоалюмината кальция сопровождается зна­ чительным увеличением объема твердой фазы цементного камня, что приводит к возникновению внутренних напряжений в цементном камне и в дальнейшем к разрушению.

При воздействии на цементный камень агрессивной воды, содержа­ щей сульфаты, следует применять специальные цементы (пуццолановый портландцемент, сульфатостойкий портландцемент и т. п.).

142

При содержании в воде сульфатов свыше 1500 мгіл (в пересчете на

Полученный новый продукт — труднорастворимый гидрат окиси магния Mg(OH)2 — осаждается в порах цементного камня в виде по­ рошка, а СаС12, как легко растворимый в воде, вымывается, что при­ водит к разрушению цементного камня.

Разрушение цементного камня кислыми водами. Растворение ги­ драта окиси кальция значительно ускоряется, если в воде содержится свободная минеральная или органическая кислота. При этом, кроме физического растворения (выщелачивания), наблюдается и химическое:

Са(ОН), + 2НС1 = СаС12 + 2Нг О

Кислые воды действуют одинаково разрушительно на цементный камень как на портландцементе, так и на пуццолановом и шлаковом портландцементах.

Меры борьбы с коррозией. Самым надежным и дорогим мероприя­ тием, предохраняющим цементный камень от коррозии, является гидроизоляция. При этом вода не проникает внутрь цементного камня, что исключает возникновение каких-либо разрушающих процессов.

Изменение минералогического состава клинкера также имеет боль­ шое значение. Путем уменьшения содержания трехкальциевого сили­ ката в клинкере, твердеющем с выделением большого количества сво­ бодной извести, можно повысить стойкость цементного камня в прес­ ных водах.

Для повышения стойкости цемента в сульфатных водах нужно, кроме того, уменьшить содержание трехкальциевого алюмината до 5%.

К а р б о н и з а ц и я . При длительном выдерживании на воздухе свежеизготовленных изделий на их поверхности образуется очень тонкая (5—10 мк) пленка, нерастворимая в пресной воде и не взаимо­ действующая с сульфатами. Однако, несмотря на высокую плотность пленки, она не является абсолютно водонепроницаемой, поэтому кар­ бонизация, повышая водостойкость цементного камня, не устраняет возможности его разрушения.

П у ц ц о л а н и з а ц и я заключается в введении в состав порт­ ландцемента кислых гидравлических добавок, содержащих активный кремнезем, который связывает гидрат окиси кальция по уравнению

Са(ОН), + Si02 + л Н 2 0 = СаО • Si02 • (п + 1 ) Н 2 0

Следует учитывать, что пуццоланизация эффективна лишь по отношению к мягким и сульфатным водам. В отношении же кислых, углекислых и магнезиальных вод ни один из рассматриваемых выше химических методов защиты, в том числе и пуццоланизация, не оказы-

143