Гидравлическая известь и ромашдеменг
Гидравлическая известь —— вяжущее вещество, получаемое путем умеренного
обжига (не до спекания) мергелистых известняков (с массовой долей глинистых
примесей б...20%) в шахтных печах при температуре 900.„1000 СС с последующим
помолом в порошок. Кроме глинистых и песчаных примесей, мергелистые
известняки содержат до 5% углекислого магния и некоторые другие примеси.
Качество гидравлической извести в значительной степени зависит не только от
содержания их в исходном сырье, но также и от режима обжига.
При схватывании и твердении молотой гидравлической извести имеют место
физико-химические процессы, характерные как для молотой воздушной извести.
так и для гидравлических вяжущих материалов. Молотая гидравлическая известь
— это медленносхватывающееся вяжущее вещество. Начало схватывания его
наступает через 1...2 ч, а конец — через 8...16ч после затворения.
Растворы и бетоны на гидравлической извести помешать в воду срачу после их
изготовления нельзя, так как первые 7...21 день они должны твердеть на воздухе.
Прочность извести устанавливают по пределу прочности на сжатие образцов-
балочках, изготовленных из смеси извести и песка с массовым соотношением 1 : 3.
При комбинированном хранении образцов (7 сут на влажном воздухе и 21 сут в
воде) прочность должна быть не менее 0.2 МПа.
Несмотря на низкую прочность, гидравлическая известь — ценный строительный
материал и часто используется вместо некоторых дорогостоящих вяжущи
веществ. Ее применяют в тонкоизмельченном виде для приготовления кладочных
и штукатурных растворов, бетонов низких марок, шлакобетонов и т. д. В отличие
от воздушной гидравлическая известь обеспечивает получение менее пластичных
растворов, быстрее и равномернее твердеющих, с более высокой прочностью. На
ее основе изготовляют смешанные цементы: известково-шлаковые, известково-
пуццолановые и др.
Хранят и перевозят гидравлическую известь в плотно закупоренной таре или
бумажных мешках. Хранить ее на складах рекомендуется не более 30 сут, так как
она быстро теряет свою активность.
Романцемент — вяжущий материал, подлеченный путем тонкого помола
обожженных не до спекания чистых или доломитизированных мергелей.свойств при помоле вводят до 15% активных минеральных добавок и до 5% двуводного гипса.
Обжиг материала в основном ведут в шахтных печах: известняковые мергели при температуре 1О00..Л1О0°С, магнезиальные мергели при 750...1000 °С. Помол производят в шаровых мельницах.
Тонкость помола должна быть такова, чтобы через сито № 008 проходило не менее 75% навески.
Для романцемента характерно сравнительно быстрое начало схватывания (около 20 мин) и замедленное окончание (около 24 ч). Повышенная температура ускоряет интенсивность твердения.
Марка его определяется на образцах-балочках с размерами 40X40X160 мм из жесткой смеси 1 : 3 через 28 сут комбинированного твердения (7 сут во влажной среде и 21 сут в воде). Роман-цемент выпускают четырех марок: 25, 50, 100 и 150. Романцемент долго хранить нельзя, так как его активность падает. Применяют романцемент для приготовления низкомарочных бетонов, штукатурных и кладочных растворов, а также для производства стеновых камней и мелких блоков. ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ
Состав
Портландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе. Получают портландцемент путем совместного измельчения цементного клинкера и гипса. Клинкер получают в результате обжига до спекания природных мергелей или сырьевой смеси (глины, известняка и др.) состава, обеспечивающего преобладание в клинкере силикатов кальция.
Портландцемент может выпускаться без добавок или с добавками активных минеральных веществ, доза которых составляет до !5% от массы цемента. Для регулирования сроков схватывания цемента к клинкеру при помоле добавляют гипс (не менее 1,5% и не более 3,5% от массы цемента в пересчете на ангидрит серной кислоты 503).
Качество цемента зависит от химического и минералогического состава клинкера. Химический состав цементного клинкера характеризуется следующим содержанием окислов: СаО — 63...67%; 5КЪ — 21...24%; А12ОЗ —4...7%; Рсг03 — 2...5%; незначительное содержание М§О. К2О и №?О снижает качество цемента. Вышеназванные окислы находятся в химически связанном состоянии и образуют в цементном клинкере силикаты, алюминаты и алюмоферриты кальция, которые называют основными цементными минералами. К ним относятся: двухкальциевый силикат 2СаО-5Ю:, которого содержится в клинкере 15...35% по массе; трехкальциевый силикат ЗСаО-8Юг — 45...60%: трехкальцевый алюминат ЗСаО-АЬО, — 4...14%; четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО-АЬОз-Рс;Оз—10...18%. Кроме того, могут содержаться и другие минералы: 5СаО-АЬО3; 8СаО-ЗАЬО3-Рс;О3; 2СаО-РсзО3: свободная окись СаО и М§О как результат неполного обжига клинкера или излишка кальция и магния.
Цементы с повышенным содержанием 2СаО-8Юз и 4СаОХ ХА120,-Рс;0.? твердеют медленно, без значительного тепловыделения, отличаются повышенной стойкостью к коррозии, а цементы с повышенным содержанием ЗСаО-ЗЮа и ЗСаО-АЬОз твердеют
быстро выделяя большое количество теплоты, и сразу интенсивно набирают прочность. Однако цементы с повышенным содержанием ЗСаО-АЬОз обладают пониженной стойкостью в сульфатных водах. Минералогический состав цемента даст возможность заранее предсказывать свойства и получать вяжущее с учетом работы бетонов на его основе в конкретных условиях. Производство
Сырье для производства портландцемента должно содержать около 75...78% (массовая доля) СаСО3 и 22...25% глинистого вещества. Этим требованиям удовлетворяют мергели. При их отсутствии используют карбонатные породы с высоким содержанием СаСО3 и глинистые породы, богатые глиноземом, кремнеземом и окислами железа. В последние годы для производства портландцемента начали широко применять отходы промышленности: доменные гранулированные шлаки, нефелиновый шлам и др.
Технология производства портландцемента включает следующие основные операции: добычу сырья {мергелей или глины и известняка); измельчение исходных материалов: приготовление смеси требуемого состава: обжиг смеси; измельчение совместно с гипсом полученного в результате обжига цементного клинкера (рис. 4.3).
Сырьевая смесь готовится мокрым и сухим способами. В зависимости от этого назначают и способ производства портландцемента: мокрый или сухой. В последнее время применяют и комбинированный способ.
Сухой способ применяется, когда используют мергели определенного химического состава или смеси твердых известняков и глин с невысокой влажностью. При этом материалы после дробления и султан размалывают в шаровых или других мельницах. Должна
обеспечиваться такая тонкость помола, чтобы через сито № 008 проходило не менее 90...95%! (по массе) продукта помола. Полученную муку отправляют на корректирование химического состава и гранулирование на тарельчатых грануляторах. Гранулы размером О...10 или 20...40 мм обжигают во вращающихся печах. Помол цементного клинкера производят в многокамерных шаровых мельницах.
При мокром способе измельчения материалы смешивают в воде, полученную смесь в виде жидкого шлама обжигают во вращающихся печах (рис. 4.4). При этом способе смеси получаются более однородными, в них легче вводить добавки и регулировать их состав.
Сухой способ более экономичный, но длительное время широкого применения не находил из-за пониженного качества клинкера. Развитие науки и техники обеспечило возможность получения качественного клинкера по сухому способу, весьма распространенном;' в Японии. ФРГ и Италии. В последнее время он находит все более широкое применение и в нашей стране.
При мокром способе облегчается измельчение материалов, достигается высокая однородность смеси, но в 1.5...2 раза больше расход топлива, а также значительно
При комбинированном способе сырьевую смесь готовят мокрым способом, затем се обезвоживают на специальных установках до влажности 16...18%. Из полученной смеси готовят гранулы размером до 40 мм и обжигают их во вращающихся печах.
Вращающиеся печи современных цементных заводов представляют собой стальной цилиндр диаметром 2...4.5 м. длиной до 250 м. изнутри выложенный
печи с частотой 1...2 оборота в минуту осуществляется специальными приспособлениями с мощными электромоторами. Горячие газы подаются навстречу движущейся массе (шихте), постепенно нагреваемой до температуры 1100... 1500 С. При этом температурном режиме происходит взаимодействие с СаО свободных окислов и образование главнейших цементных минералов в следующей последовательности: 2СаОХ Х5Ю?— двухкальциевый силикат или С25 (белит). ЗСаО-АЬОз— трехкалъциевый алюминат или СзА (целит). 4СаО-АЬОз-РегОз— четырехкальцевый алюмоферрит или С4АР и в последнюю очередь ЗСаО-5Ю2— трехкальцевый силикат или Сз8 (алит). В клинкере могут присутствовать не прореагировавшие с другими окислами СаО и М§О (до 0,5%, иначе в пережженном состоянии они могут вызывать растрескивание цементного камня). Готовый клинкер поступает в холодильник в виде вращающегося барабана, в который подастся холодный воздух. Охлажденный клинкер выдерживают на складах 10... 15 сут с целью снижения его прочности благодаря поглощению влаги из воздуха. Это облегчает помол клинкера и замедляет схватывание цемента. После выдерживания на складах клинкер подают в многокамерные шаровые мельницы для размола. В процессе помола вводят до 3.5% (по массе) природного гипса и при необходимости до 15% активных минеральных добавок. Без добавки гипса цемент очень быстро схватывается при смешивании его с водой. Полненный цемент две-три недели выдерживают в специальных силосных башнях для обеспечения нормальных сроков схватывания и гашения, влагой воздуха частиц пережженных СаО и М§О. После этого цемент упаковывают в многослойные бумажные мешки по 50 или 70 кг и отправляют потребителям. На мешках указывают наименование завода, цемента, его марку, номер партии, год и месяц изготовления.
Цемент потребителям может доставляться в специальных вагонах или автомашина ми-цементовозами, когда расстояние от завода до потребителя При смешении цемента с водой начинаются физико-химические процессы
взаимодействия цементных минералов и воды. Сначала образуется пластичное
клейкое цементное тесто, которое в дальнейшем постепенно загустевает и
превращается в камень.
Скорость схватывания и твердения портландцемента зависит от
минералогического состава, тонкости помола, содержания воды, взятой для
затворения. температуры и других факторов (рис. 4.5).
Не все цементные минералы одинаково реагируют с водой, но реакции идут
одновременно и налагаются одна на другую, что несколько затрудняет изучение
процессов твердения цемента. Эти сложные процессы могут быть объяснены и
описаны следующими реакциями главнейших минералов:? СаО- 510? + п Н2О -»- 2
СаО * 5Юг т Н;О + Са (ОН),; 2 СаО • 5Ю, + п НгО -» 2 СаО • 8Ю, • п Н3О;
ЗСаО ■ АЬОз + 6 НгО -> 3 СаО • А1;Оз ■ 6 Н:О.
Имеющийся в цементе гипс вступает в реакцию с гидротрехкальциевым
алюминатом, образуя труднорастворимос соединение (гидросульфоалюминат
кальция):3 СаО • АЬОз • 6 Н,0 + 3 (СаЗО., • 2 №0) + 19 Н3О -> -> 3 СаО • А1,О3 •
ЗСа80,-31Н3О.
Четырехкальциевый алюмоферрит взаимодействует с водой в насыщенном
известью растворе по следящей рсакции:4СаО • АЬО3 • Рс3Оэ + 2 Са (ОН)? + 10
НгО = 3 СаО • А12О8 • б Н,0 + 3 СаО • Ре2О3 • 6 ЩЭ.
В результате образуются весьма устойчивые новообразования (смешанные
Кроме химических преобразований, имеют место и физические процессы, благодаря которым цемент при затвотрении водой из пластичного теста превращается в материал со свойствами камня.
Скорость взаимодействия с водой клинкерных минералов различна. В первую очередь идет гидратация ЗСаО-АЬОз. затем 4СаО-АЬОЗ-Ре2О3. далее ЗСаО-5Ю: и в последнюю очередь 2СаОХ Х5Ю2. Чем быстрее происходят процессы гидратации, тем интенсивнее возрастает прочность цементного камня. При твердении портландцемента, как правило, происходит равномерное изменение его объема. При твердении во влажных условиях или в воде объем увеличивается на 0,5... 1%. а при твердении цемента на воздухе за счет испарения влаги объем уменьшается. Последний процесс часто приводит к образованию усадочных трещин. Поэтому в начале твердения цементобетоны должны находиться во влажной среде (при испарении воды может прекратиться процесс твердения).
Известны случаи, когда изменение объема цемента при твердении происходит неравномерно. Такое явление наблюдается в том случае, когда в цементе содержатся в свободном состоянии пережженные окислы СаО и М§О: которые гасятся очень медленно с увеличением объема.
Затвердевший цементный камень имеет неоднородную структуру и состоит из непрореагировавших зерен цемента, кристаллических сростков и гипсообразных масс в форме частиц коллоидных растворов. Значительное влияние на структуру цементного камня оказывают гипс и гидравлические добавки, а также содержание воды для затворения цемента.
Зерновой состав гипса и гидравлических добавок разнообразен, что сказывается на неоднородности структуры. К тому же при взаимодействии этих веществ с цементными минералами образуются новые продукты.
При благоприятных условиях для твердения цемента необходимо, чтобы масса воды составляла 15...25% от массы цемента. Но для получения удобоукладываемой пластичной смеси расходуют воды в 2...3 раза больше. Вся излишняя вода, которая не вступила во взаимодействие с главнейшими цементными минералами, находится в свободном состоянии. При ее испарении в цементном камне образуются поры и капилляры. Чем больше такой воды, тем больше пористость камня. Это приводит к снижению прочности и морозостойкости бетонных изделий. Тонкость помола цемента существенно влияет на процессы взаимодействия цемента и воды. т. с. на сроки схватывания и скорость твердения цементного камня. Согласно требованиям ГОСТа, тонкость помола цемента должна быть такова чтобы при просеивании ряе 4 6. Определение предела прочности проходило не менее 85% массы пробы. Кроме того, характеристикой тонкости помола является суммарная поверхность зерен цемента в единице массы (удельная поверхность), которая определяется специальными приборами. Обычные цементы имеют удельную поверхность 2500...3000 смг/г. а быстротвердеющие — 4000 см3/г
Прочность цемента определяется путем испытания образцов-балочек с размерами 40X40X160 мм. изготовленных из пластичного раствора состава 1 : 3 (одна массовая часть цемента и три части нормального Вольского песка). Образцы выдерживают 28 сут во влажной среде при температуре 20±3°С. После этого определяют предел прочности при изгибе балочек (рис. 4.6) и при сжатии половинок образцов. Предел прочности при сжатии образцов в возрасте 28 сут называют активностью цемента.
Марка цемента устанавливается по пределу прочности на сжатие и изгиб. Для отнесения портландцемента к той или другой марке предел прочности образцов в возрасте 28 сут должен быть: для марок 300. 400, 500 и 600 на сжатие соответственно нс менее 30, 40. 50 и 60 МПа; при изгибе —1.5; 5.5: 6 и 6.5 МПа. Твердение портландцемента и нарастание его прочности в начальный период происходит интенсивно, а затем постепенно затухает (рис. 4.7). Так, на третьи сутки предел прочности достигает 40.„50% марки цемента, а на седьмые — 60...70%. Далее прирост прочности еще более замедляется, и к 28-суточнолгу возрасту цементный камень набирает марочную прочность. При благоприятных условиях процесс твердения продолжается месяцы и годы.