14.4. Портландцемент

Сировина: вапняк СаСО₃ та глина груп каолініту Al₂O₃∙2SiO₂∙2H₂O та монтморилоніту Al₂ (Si₄ О₁₀)∙(ОН)₂∙nН₂О у ваговому співвідношенні 3:1.

Одержання. Портландцемент одержують у спеціальних циліндричних обертових печах довжиною 185м, діаметром 5м, які умовно можна поділити на шість зон з температурами від 500 до 1450ºС За таких умов відбувається процес декарбонізації вапняків та дегідратації глини з утворенням основного СаО, кислотного SiO₂ та амфотерного А1₂О₃ оксидів. Вони взаємодіють між собою, утворюючи силікати та алюмінати кальцію. Взаємодія починається в твердому стані при температурі 1450ºС, коли відбувається спікання взаємодіючої маси. В останній зоні печі температура знижується до 1000 - 1200° С. Утворена дрібнозерниста маса називається клінкером. Розмір зерен складає приблизно 4-20мм. Після додаткового охолодження клінкер подрібнюють та додають до нього невелику кількість гіпсу CaSO₄∙2H₂O для регулювання швидкості тужавлення. Мінералогічний склад портлантцементного клікеру наведений у таблиці 14.1.

Таблиця 14.1

Приблизний мінералогічний склад портландцементного клінкеру

Назва мінералу	Формула	Приблизний віміст %	Умовні позначення
Три кальцієвий сілікат	3CaO∙SiO2	40 – 65	C3S
Двокальцієвий сілікат	2CaO∙SiO2	15 – 40	C2S
Три кальцієвий сілікат	3CaO∙Al2O3	5 – 15	C3A
Котирикальцієвий сілікат	4CaO∙Al2O3∙Fe2O3	10 – 20	C4AF

Оскільки всі мінерали портландцементу утворились за високих температур, вони є безводними сполуками і досить активно взаємодіють з водою.

При взаємодії трикальцієвого силікату з водою відбувається процес гідролізу з подальшою гідратацією продуктів гідролізу з утворенням гідроксиду кальцію та двокальцієвого гідросилікату:

3CaOSiO₂ + (n + 1)Н₂О → Са(ОН)₂ + 2CaO∙SiO₂ ∙nH₂0.

Цей процес характеризується великою швидкістю. Гідроксид кальцію швидко утворює насичений розчин і рівновага процесу гідролізу двокальцієвого силікату, що знаходиться в одній системі з трикальцієвим силікатом, зміщується в зворотному напрямку. Тому за звичайних умов двокальцієвий силікат практично не гідролізу є, а тільки гідратується з утворенням двокальцієвого гідросилікату:

2CaOSiO2 + nH20 → 2CaO∙SiO2 ∙nH2O.

Трикальцієвий алюмінат при взаємодії з водою утворює суміш різних гідроалюмінатів, які з часом перетворюються в найбільш стійкий шестиводний трикальцієвий алюмінат:

3СаОА12Оз + 6Н2O → 3СаО∙А12О3 ∙6Н2О.

Цей процес характеризується найбільшою швидкістю і, щоб уповільнити процес тужавлення, в систему додають гіпс CaSO4∙2H2O, який взаємодіє з трикальцієвим гідроалюмінатом і заважає структуроутворенню у в'яжучому. Після того, як прореагує весь гіпс, що міститься в системі, почне виділятись гідроалюмінат кальцію, що зумовлює тужавлення в'яжучого.

Чотирикальцієвий алюмоферит гідролітично розкладається з утворенням шестиводного трикальцієвого алюмінату та гідрофериту кальцію:

4CaO∙Al₂O₃ ∙Fe₂O₃ + (n + 6)Н₂О → 3СаО∙А1₂О₃∙6Н₂О + СаO∙Fe₂О₃∙nH₂O.

Величини теплових ефектів процесу гідратації складових портландцементу та характеристика продуктів твердіння наведені в таблиці 14.2.

Таблиця 14.2

Характеристики процесів гідратації та продуктів твердіння складових портландцементу

Умовне позначення мінералу	Тепловий ефект гідратації		Міцність продуктів твердіння
	Повної, Дж/г	За три доби, %
C3S	502,7	75 – 80	велика
C2S	259,78	10	невелика в перші місяці, зростає на протязі декількох років
C3A	850,57	80	низька
C4AF	419	20	середня

З наведених стислих характеристик складових портландцементу можна зробити висновок про вплив їхнього кількісного вмісту на властивості цементу. Так, якщо необхідно одержати швидкотвердіючий цемент для виробництва залізобетонних виробів, виготовляють клінкер з підвищеним вмістом C₃S та С₃А. Ці мінерали в сумі повинні складати не менше, ніж 65 - 70 ваг. %.

При будівництві гідротехнічних споруд, навпаки, вміст цих мінералів повинен бути мінімальним, бо значне тепловиділення (екзотермічний ефект) при твердінні цементу може спричинити виникнення деформацій у бетоні.

Цемент широко використовується для одержання бетону та залізобетону.

Бетон — це неоднорідний каменеподібний матеріал, що складається з цементного каменю та дрібного (пісок) і крупного (щебінь, гравій) заповнювача.