Химические и физические процессы при твердении цементных смесей
Твердение системы портландцемент — вода
Механизм твердения цемента до сих пор полностью не выяснен. Причиной упрочнения цементов являются как чисто механические явления, связанные с прорастанием через объем материала кристаллов гидроксида кальция, так и рекристаллизация и старение геля, образующегося при гидратации клинкерных минералов (чаще всего гидросиликатов кальция с адсорбированными на поверхности ионами воды и кальция). Химической причиной твердения портландцемента является взаимодействие трехкальциевого силиката с водой:
3СаО • SiO2 + nH2O → СаО • SiO2 • 2,5Н2О + 2Са (ОН)2. (12)
Алюминаты, содержащиеся в цементе, гидролизуются значительно быстрее, поэтому от их концентрации также зависит более быстрое или медленное твердение цемента:
3СаО • А1203 + Са (ОН)2 + nH2O → 4СаО • А12О3 • 12Н2О. (13)
Свойства форм из смесей с цементом
Основным преимуществом цементных смесей является их способность твердеть на воздухе без применения сложных процессов искусственной сушки форм и стержней.
При изготовлении форм и стержней важно, чтобы длительность твердения цемента была достаточно продолжительной для обеспечения химического связывания всей влаги в смеси. После полного отверждения цементные смеси при контакте с жидким металлом почти не выделяют никаких газов.
Смеси относятся к формовочным материалам, обеспечивающим очень чистую поверхность отливок. Этот эффект вызывается мелкими, легкоплавкими частицами цемента, образующими на поверхности отливок из стали и чугуна пленку из светло-синих оксидов железа.
Цементная смесь после прогрева и последующего охлаждения теряет свою прочность. Части стержней, которые в процессе заливки формы были хорошо прогреты, очень легко удаляются из остывших отливок. Толстостенные стержни для улучшения выбиваемости заполняются сухим песком.
Ускорители твердения цемента: патока, хлориды(CaCl2), NaCl, FeCl, AlCl3, карбонаты (K2CO3, Na2CO3), фториды (NaF).
Эффективным является смешивание цемента с лигносульфанатами.
Прогрессивным направлением является применение ускорителей твердения, наиболее распространенными из которых являются хлориды (СаС12, NаС1, А1С13, ВаСl2,FеС13), карбонаты (К2СО3, Nа2СО3), фториды (например, NаF), а также органические материалы (меламиновые смолы, триэтаноламин). Неорганические добавки повышают растворимость клинкерных фаз, а триэтаноламин ускоряет гидратацию.
Широко известным ускорителем затвердевания цементов является патока. Взаимодействуя с Са(ОН)2, она ускоряет гидратацию и одновременно образует «сшитый» полимер, упрочняющий смесь.
Весьма эффективно комбинирование цементов с лигносульфонатами. Особенно эффективно применение лигносульфонатов в комбинации с цементом-гидралюмом, содержащим до 55 % 3СаО•Аl2О3, технология получения которого разработана совместно ЦНИИТмашем и МГУ, но его производство не организовано.
Достоинства смесей:
- дешевизна
- отсутствие прочеса формовки
- способность твердеть на воздухе без дополнительной сушки.
- экологические и санитарная безопасность.
- низкая газотворность.
- удовлетворительные технологические свойства(в том числе и термостойкость)
- обеспечение чистой поверхности отливок(легкоплавкие частицы цемента на поверхности отливок из чугуна и стали образуют светло-синюю пленку из оксидов Fe, она легко удаляется)
К преимуществам портландцементов, определяющим целесообразность их применения прежде всего для крупных и кессонных форм, относятся дешевизна, экологическая и санитарно-гигиеническая безопасность и удовлетворительные технологические свойства, в том числе термостойкость.
Цементные самотвердеющие смеси имеют ограниченное распространение в России. За рубежом они применяются более широко, главным образом при изготовлении форм для крупных и массивных чугунных (реже стальных) отливок. Сведения о составах и свойствах цементных самотвердеющих смесей приведены в табл. 3.27.
Использование для приготовления смесей глиноземистых (или алюминатных) и высокоглиноземистых цементов обеспечивает повышение прочности и сокращение сроков затвердевания песчано-цементных смесей.
Недостатки:
- нельзя хранить цемент во влажной атмосфере, так как снижается его активность
- длительность отверждения.
Недостатком цементов является снижение их активности при длительном хранении во влажной атмосфере из-за образования гидратных оболочек на частицах.
В варианте использования портландцементов в жидких самотвердеющих смесях в состав смеси вводят также жидкие технические лигносульфонаты, которые облегчают перевод смеси в жидкоподвижное состояние и повышают ее конечные прочностные показатели.
