Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология материалов. Лабораторный практикум. Учебное пособие
.pdf
Лабораторная работа №2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАРКИ ЦЕМЕНТА
Цель работы: освоение методики определения марки цемента.
Основные понятия
Портландцемент - гидравлическое вяжущее вещество, получаемое
путем тонкого измельчения клинкера и гипса, и твердеющее в воде и
на воздухе. Клинкер получают обжигом до спекания сырьевой смеси
следующего оксидного состава: СаО (оксид кальция) - 63-67%,
SiО2(оксид кремния) - 21-24%, А1
Fe
(оксид железа) - 2,5-4%, MgO (оксид магния) - до 5%, SО
2О3
серы) - не более 3,5%, К2O и Na2О (оксиды калия и натрия) - в сумме
не более 1,2%, Ti02(оксид титана) - не более 2%, P2O5(оксид фосфора) не более 0,5%.
Портландцемент является важнейшим вяжущим веществом, по
производству и применению он занимает первое место среди всех
других вяжущих. Материал востребованный, пользуется спросом у нас
в России и за рубежом. Средний годовой выпуск 52 цементных
заводов России составляет 48 млн. тонн в год.
Основным свойством цемента является способность сопротивляться
внешнему воздействию и в последующие сроки противодействовать
значительной нагрузке на сжатие, изгиб и растяжение. Согласно ГОСТ
10178-85, цементы подразделяются на бездобавочный - ПУ- ДО,
шлакопортландцемент - ШПЦ; по прочности на сжатие не ниже
(кгс/м2): на высокопрочные марки 550, 600, соответственно при
изгибе: 62, 65; марки 500 (60), рядовые марки 300,400 (45, 50);
низкомарочные - ниже 300.
Наиболее востребован портландцемент марок 400 и 500 для
приготовления бетонных и железобетонных изделий, монолитного
бетона, гидротехнических сооружений, дорожных и аэродромных
покрытий, укрепления нефтяных и газовых скважин.
Основным сырьем для получения цементного клинкера являются
карбонатные (известняк, мел, известняк-ракушечник и др.) и
глинистые (глина, глинистый сланец, лесс и др.) породы. Содержания
карбонатных и глинистых пород в сырьевой смеси, как правило, 7580% и 20-25% соответственно.
В качестве железосодержащей добавки обычно используют пиритные
огарки с сернокислотных заводов, реже — колошниковую пыль
доменных печей. В качестве глиноземистой добавки применяют
(оксид алюминия) - 4-7%,
2О3
21
(оксид
3
богатые глиноземом маложелезистые глины или бокситы.
Кремнеземистой добавкой служат кварцевые пески, опоки, трепел.
Содержание оксидов в корректирующих добавках должно быть: для
железистых Fe
Si02(оксид кремния) - не менее 70%, для глиноземистых А1
(оксид железа) - не менее 40%, для кремнеземистых
2О3
2О3
(оксид
алюминия) - не менее 30%. Большинство цементных заводов
использует железистые добавки.
Весьма перспективно использование в составе сырьевых смесей
техногенного сырья (доменные шлаки, нефелиновый шлам и др.). Это
позволяет не только утилизировать отходы других производств, но и
снизить расход топлива на обжиг, так как техногенное сырье частично
уже прошло тепловую обработку.
Прочность цементного камня зависит от водоцементного отношения.
Чем меньше В/Ц, тем интенсивнее ее рост в начальные сроки и тем
выше она в конечные. Причина такого заключения в том, что
избыточная вода, не входящая в реакцию с цементом, увеличивает
пористость цементного камня, снижая его плотность и прочность.
Портландцементы быстрее всего твердеют в воде или в среде,
насыщенной водяным паром. При относительной влажности
атмосферы менее 50% твердение портландцементов практически
прекращается вследствие испарения влаги из пор и капилляров. При
повышении температуры значительно ускоряется рост прочности, на
чем основана разработка методов термовлажностной обработки
бетонов.
Маркой цемента называется предел прочности при сжатии
стандартных по составу, форме, размерам, методике изготовления,
условиям хранения и испытания образцов после определенных сроков
твердения.
По ГОСТ 310.4-81 марка портландцемента устанавливается по
показателям предела прочности при сжатии и изгибе образцов-балочек
размером 40×40×160 мм, изготовленных из пластичного цементного
раствора состава 1:3 (1 мас. ч. цемента и 3 мас. ч. нормального
вольского песка), после их твердения в воде в течение 28 суток.
Описание установки
Для определения нормальной густоты раствора пластичной
консистенции пользуются, согласно стандарту, конусом (рис. 2.1).
Встряхивающий столик, на который устанавливается конус, состоит из
чугунной станины 1, установленной строго горизонтально. На валу 2
находится кулачок 3, поднимающий ось 4, которая на верхнем конце
22
имеет горизонтальный диск 5 с прикрепленным к нему зеркальным
Рис.2.1. Встряхивающий
столик и форма-конус
стеклом 6 диаметром 300 мм. На нижнем кольце оси укреплен
вращающийся ролик. При помощи кулачка 3 ось 4 вместе с диском
многократно поднимается на заданную высоту (10 см), а затем
совершает свободное падение.
Форму-конус 7 для определения нормальной густоты раствора
пластичной консистенции изготовляют из нержавеющей стали. Высота
конуса составляет 60±0,5 мм, нижний внутренний диаметр – 100±0,5
мм, верхний – 70±0,5 мм. Для уплотнения раствора в форме-конусе
применяют штыковку.
Порядок выполнения работы
а) Определение нормальной густоты цементного раствора
Для определения нормальной густоты цементного
раствора,согласноГОСТ 6139-78, отвешивают 500 г цемента и 1500 г
стандартного вольского песка.
Отвешенные материалы перемешивают в
сферической чаше вручную в течение 1
мин, затем делают лунку, вливают в нее
200 г воды (В/Ц = 0,4), и после того, как
вода впитается, снова перемешивают в
течение 1 мин. Затем раствор помещают
в бегунковую мешалку, продолжают
перемешивание в течение 2,5 мин (20
оборотов мешалки).
Форму-конус ставят в центр стеклянного
диска встряхивающего столика и
заполняют раствором в два приема.
Внутренняя поверхность конуса и диск
столика перед проведением испытаний
должны быть слегка увлажнены. Затем
раствор штыкуют: нижний слой 15 раз,
верхний – 10. После уплотнения
верхнего слоя раствора избыток его
срезают вровень с краями конуса ножом, смоченным в воде. Затем
конус медленно снимают в вертикальном положении. Вслед за этим
раствор встряхивают на столике 30 раз примерно в течение 30 с,
измеряют величину расплыва основания конуса в двух взаимно
перпендикулярных направлениях и берут среднее значение.
23
За нормальную густоту пластичного раствора принимают такую
Рис.2.2. Форма для
изготовления образцов-балочек
консистенцию его, при которой нижнее основание конуса в результате
его расплыва должно быть не менее 105–115 мм. Если расплыв конуса
окажется более 115 мм - количество воды уменьшают.
б) Определение предела прочности при изгибе и сжатии
Перед изготовлением образцов внутреннюю поверхность формы и
поддона (рис. 2.2) следует слегка
смазать машинным маслом, а стыки
наружных стенок друг с другом и
поддоном - тонким слоем солидола
или другой густой смазки. На
собранную форму устанавливают
насадку и стык между формой и
насадкой промазывают снаружи
густой смазкой.
Для определения прочностных
характеристик цементов
изготавливают образцы-балочки
размером 40×40×160мм из цементного
раствора с водоцементным
отношением, равным
0,4, и консистенции раствора,
характеризуемой расплывом конуса 105–115 мм.
Для каждого намеченного срока испытаний готовят по три образца.
Подготовленные три формы с балочками закрепляют на вибрационный
площадке, наполняют примерно на 1 см раствором и вибрируют. Затем
в течение 2 мин вибрирования на все три гнезда формы равномерно
небольшими порциями окончательно заполняют раствором. Через 3
мин от начала вибрации ее выключают. Форму снимают с
вибрационной площадки, срезают смоченным водой ножом излишек
раствора, зачищают поверхность образца вровень с краями формы и
маркируют их. Образцы в формах хранят 24±2 ч в ванне с
гидравлическим затвором, затем образцы осторожно расформовывают
и укладывают в ванну или в бассейн с водой в горизонтальном
положении таким образом, чтобы они не соприкасались друг с другом.
Объем воды в ванной должен быть в 4 раза больше объема образцов.
При малом количестве воды концентрация продуктов выщелачивания
достигает значительной величины, что отражается на условиях
затвердения. Вода в ваннах должна меняться через каждые 14 суток.
По истечении срока хранения образцы извлекают из воды и не позднее
24
чем через 10 мин подвергают испытанию. Перед испытанием образцы
следует насухо вытереть.
Предел прочности при изгибе определяют на разрывной
машине МИИ-100. Образец устанавливают на опорные элементы
прибора таким образом, чтобы его горизонтальные грани при
изготовлении находились в вертикальном положении. Предел
прочности при изгибе вычисляют как среднее арифметическое
значение из двух наибольших результатов испытаний трех образцов.
Для определения предела прочности на сжатие рекомендуется
применять пресс мощностью не более 150 МПа.
Полученные после испытания на изгиб в результате излома балочек
шесть половинок подвергают испытанию на сжатие. При этом для
передачи нагрузки на половинки балочек используют специальные
пластинки, которые помещают между давящими плоскостями пресса и
обломком балочки. Эти пластинки изготавливают из нержавеющей
стали, с плоскими шлифованными поверхностями, размером 40×62,5
мм, рабочей площадью 25 см2. Каждую половинку призмы помещают
между двумя пластинками таким образом, чтобы те боковые грани
образца, которые при изготовлении прилегали к продольным стенкам
формы, совпадали с рабочими поверхностями пластинок, а упоры
пластинок плотно прилегали к торцевой гладкой стенке образца.
Образец вместе с пластинками подвергают сжатию на прессе со
скоростью нарастания нагрузки в среднем 2±0,5 МПа в секунду.
Предел прочности при сжатии отдельного образца вычисляют как
частное от деления величины разрушающего груза на рабочую
площадь пластинки по формуле
сж
где Rсж – предел прочности при сжатии, МПа; Р – нагрузка, Н; S–
рабочая площадь пластинки, мм
2
.
Предел прочности при сжатии вычисляют как среднее
арифметическое четырех наибольших результатов испытания шести
образцов. Результаты испытаний записывают в табл. 2.1.
25
Таблица 2.1
Дата
изготовления
образцов
Количество, г
В/Ц
Расплав
конуса, мм
№ образца
Возраст
образца, сут
Предел
прочности при
изгибе, МПа
Показания
манометра,
МПа
Предел
прочности при
сжатии, МПа
Марка цемента
Цемен
та
песка
Прочностные характеристики вяжущих материалов
Контрольные вопросы
1. Перечислите основные сырьевые материалы при производстве
портландцемента.
2. Что принято понимать под маркой цемента?
3. Перечислите способы производства портландцемента.
4. Как влияет на прочность цементного камня водоцементное
соотношение?
5. Методы определения нормальной густоты цементного раствора.
6. Каким образом определяют и рассчитывают прочностные
характеристики цементов (при изгибе и сжатии)?
7. Разновидности портландцемента и области его применения?
8. Основные технологические переделы при производстве
портландцемента.
Лабораторная работа № 3.
РАЗДЕЛЕНИЕ СУСПЕНЗИЙ В ОТСТОЙНОЙ
ЦЕНТРИФУГЕ
Цель работы: ознакомиться с устройством центрифуги, определить
диаметр осаждаемых частиц, время осаждения и фактор разделения.
Основные понятия
Гетерогенными называют системы, состоящие из двух или
нескольких фаз, которые могут быть разделены механически. К ним
относятся суспензии, эмульсии, пены, пыли, дымы и туманы.
Суспензия (дисперсионная среда) - жидкость, в которой
распределена дисперсная фаза - твердое вещество. Суспензии бывают
26
грубые (размер частиц более 100 мкм), тонкие (от 0,5 до 100 мкм) и
,
60
2rn
мути (менее 0,5 мкм).
Эмульсия - состоит из жидкости и распределенных в ней капель
другой жидкости, не смешивающейся с первой.
Центрифугирование - это разделение суспензий или эмульсий под
действием центробежных сил. Движущей силой процесса является
разность центробежных сил, действующих на тяжелую и легкую фазы.
Центрифуги бывают отстойные и фильтрующие:
а) В отстойных разделение происходит по принципу отстаивания,
т.е. внизу образуется осадок, а над ним жидкая фаза - фугат. В случае
разделения эмульсий образуются тяжелый и легкий фугаты.
Параметром процесса в отстойной центрифуге является фактор
разделения КP, который характеризует отношение центробежного
ускорения к ускорению силы тяжести. Величина К
сколько раз разделение происходит быстрее в центрифуге, чем при
простом отстаивании:
где ω - окружная скорость вращения, м/с; n - число оборотов в
минуту; r - радиус вращения, м.
По величине фактора разделения центрифуги делятся на
нормальные (КP< 3500) и сверхцентрифуги (К
центрифуги применяются для разделения суспензий, а также для
удаления влаги из штучных материалов. Сверхцентрифуги служат для
разделения эмульсий и тонкодисперсных суспензий.
В фильтрующей центрифуге разделение происходит по принципу
фильтрования через фильтровальную перегородку. При этом осадок
остается на перегородке, а фугат проходит сквозь нее.
Пути интенсификации центрифугирования и отстаивания:
1. Увеличение диаметра твердых частиц за счет применения
флокулянтов и коагулянтов. Под их воздействием мелкие частицы
слипаются и образуются более крупные (активированная кремниевая
кислота, полиакриламид).
2. Уменьшение плотности жидкой фазы за счет повышения
температуры.
3. Снижение вязкости, или повышение температуры, или
использование ПАВ.
4. В центрифуге процесс ускоряется при увеличении числа
оборотов центрифуг.
показывает, во
P
> 3500). Нормальные
P
27
Разделение жидких неоднородных систем под действием
центробежных сил можно осуществлять не только в центрифугах, но и
в аппаратах, не имеющих вращающихся частей, - гидроциклонах.
Гидроциклон. Состоит из укороченной цилиндрической части
корпуса 1, удлиненной конической части 2, загрузочного патрубка 3,
разгрузочного патрубка 4 и штуцера 5 (рис. 3.1).
Суспензия подается в аппарат тангенциально (по касательной).
Возникающая при вращении центробежная сила отбрасывает тяжелую
фракцию к стенке, и она в виде сгущенного шлама сползает вниз и
удаляется через штуцер 5. За счет конусности днища возникает
внутренняя спираль, которая поднимает легкую фракцию вверх и
отводит через патрубок 4.
Рис. 3.1. Гидроциклон
Главным недостатком является изнашивание корпуса. Во избежание
этого внутреннюю поверхность корпуса футеруют пластмассой,
резиной, специальной керамикой или металлическими сплавами.
Достоинства: высокая производительность, отсутствие, движущихся
частей, компактность, простота, легкость обслуживания, широкая
область применения (сгущение, осветление и классификация ).
Отстойные центрифуги предназначены для разделения плохо
фильтрующихся суспензий и для разделения эмульсий.
Центрифугирование в них складывается из двух физических
процессов: осаждения твердой фазы и уплотнения осадка. Так как
осаждение частиц происходит в дисперсной среде, оказывающей
сопротивление, то частицы через некоторый промежуток времени
после начала осаждения движутся с постоянной скоростью,
28
называемой скоростью осаждения в центрифуге
оц
V
CF
24
2
2
оц
т
d
F
V
g
dd
т
тоcr
)(
624
322
V
oc
V
т
d
4
2
m
d
6
3
m
d
т
Re
24
moc
dV
Re
18
)(2
mm
oc
gd
V
ocm
dF V
3
соблюдается равенство
,
где С – центробежная сила;
F – сила гидравлического сопротивления среды при движении
одиночной частицы.
,
. При этом
где
вид
где
Коэффициент сопротивления
Подставив значение
соответствующие величины
– центробежная сила.
При осаждении под действием силы тяжести равенство примет
, (3.1)
– скорость осаждения частицы в отстойнике;
– диаметр частицы;
– сечение шарообразной частицы, м2;
– сечение шарообразной частицы, м3;
– плотность частицы, кг/м3;
– плотность среды, кг/м3.
= f(Re) определяется опытным путем.
в уравнение (3.1) и выразив через
, получим закон Стокса
, (3.2)
,
где
– вязкость среды, Па.с.
29
oc
oc
h
V
h
oc
)(
18
2
mm
oc
gd
h
rm
r
m
C
2
2
V
m
V
r
oцm
m
d
r
gVV
3
)(
2
oц
V
r
V
оцm
mm
drdV
3
6
)(
23
d
dr
оц
V
d
dr
rd
mm
18)(
22
В то же время:
где
Решая вместе уравнения (3.2) и (3.3) получим
Центробежная сила, под действием которой происходит осаждение в
центрифуге, определяется по формуле
где
При достижении частицей постоянной скорости осаждения вступит в
силу равенство, учитывающее действие выталкивающей силы,
– высота слоя осветленной жидкости, м;
– время осаждения при простом отстаивании, с.
– масса частицы, кг;
– окружная скорость, м/с;
– радиус вращения, м;
– угловая скорость, рад/с.
где
– скорость осаждения частиц в центрифуге, м/с.
, (3.3)
. (3.4)
,
, (3.5)
Так как
В то же время
тогда
, то уравнение (3.5) примет вид
.
,
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]