Луганський Національний Аграрний Університет
Кафедра Матеріалознавства
Тема: портландцемент
Виконав:
студент 633 гр.
Комаров Роман
Перевірив:
Божевільний Погостнов
Луганс 2008
Лекція 8. Портландцемент
8.1 Сировина і технологія виготовлення портландцементу
Портландцемент - гідравлічне в'яжуче, що отримується тонким подрібненням портландцементного клінкеру і невеликої кількості гіпсу (1,5 ... 3%). Клінкер одержують шляхом випалу до спікання сировинної суміші, що забезпечує в портландцементі переважання силікатів кальцію. До клінкеру для уповільнення зчеплення цементу додають гіпс. Для поліпшення деяких властивостей і зниження вартості портландцементу допускається введення мінеральних добавок.
Виробництво. Основні операції при отриманні портландцементу: приготування сировинної суміші, випал її до отримання цементного клінкеру і помел його спільно з добавками. Клінкер має наступний хімічний склад (%): СаО - 62 ... 68, SiO 2 - 18 ... 26, А1 2 О 3 - 4 ... 9, F е 2 О 3 - 2 ... 6. Найчастіше використовують вапняк і глину в співвідношенні 3:1. У сировинну суміш вводять коригувальні добавки та промислові відходи, що забезпечують необхідний склад клінкеру.
Ретельно підготовлену сировинну суміш (рис.8.1.) Подають на випал у обертову піч, діаметром до 7 м і довжиною до 185 м. Зсередини піч викладена вогнетривкою цеглою. Піч встановлена під невеликим (3 ... 4 ˚) кутом до горизонту і обертається (0,8 ... 1,3 хв -1), завдяки цьому сировинна суміш переміщається в ній від верхнього кінця до нижнього, куди подається паливо. Максимальна температура випалу 1450 ° С. При таких високих температурах оксид кальцію СаО, що утворився в результаті розкладання вапняку, взаємодіє з оксидами SiO 2, А1 2 О 3 і F е 2 О 3, що утворюються при розкладанні глини. Продукти взаємодії, частково плавлячись і спека один з одним, утворюють портландцементного клінкеру - щільні тверді гранули сірого кольору. До складу портландцементного клінкеру входять чотири основних мінералу (табл. 8.1) і невелика кількість склоподібного речовини.
Таблиця 8.1. Мінеральний склад портландцементного клінкеру
Мінерал | Формула | Кількість,% |
Трехкальциевого силікат (Аліт), C 3 S Двухкальціевий силікат (білить), C 2 S Трехкальциевого алюмінат, C 3 A Чотирьохкальцієвого алюмоферріт, C 4 AF | 3CaO · SiO 2 3CaO · SiO 2 3CaO · AL 2 O 3 4CaO · Al 2 O 3 · Fe 2 O 3 | 42 ... 65 12 ... 35 4 ... 14 10 ... 18 |
Примітка: У дужках скорочене позначення клінкерних мінералів.
Портландцементного клінкеру (на 60 ... 80%) складається з силікатів кальцію, через що портландцемент називають силікатною цементом.
Для отримання портландцементу клінкер розмелюють в трубних або кульових млинах з гіпсом та іншими добавками. Властивості портландцементу залежать від його мінерального складу й тонкості помелу клінкеру. При взаємодії з вологою повітря активність портландцементу падає, тому його захищають від дії вологи. Портландцемент зберігають в силосах, а транспортують у спеціальних вагонах, автомобілях-цементовозах.
8.2 Твердіння і властивості портландцементу
Твердіння. При змішуванні з водою частинки портландцементу починають розчинятися, причому одночасно може відбуватися гідроліз (розкладання водою) і гідратація (приєднання води) продуктів розчинення з утворенням гідратних сполук. За цією схемою взаємодіють з водою головні компоненти клінкеру Аліт З 3 S і білить З 2 S:
2 (3СаО · SiO 2) + 6Н 2 O → З C АТ · SiO 2 · 3Н 2 О + 3Са (ОН) 2
2 (2СаО · SiO 2) + 4Н 2 О → 3СаО · SiO 2 · 3Н 2 О + Са (ОН) 2
Трехкальциевого силікат З 3 S взаємодіє з водою набагато активніше, ніж С 2 S; при взаємодії силікатів кальцію з водою виділяється розчинний у воді компонент Са (ОН) 2-створює лужну реакцію в твердіючих цементів; З 3 S виділяє Са (ОН) 2 в 3 рази більше, ніж С 2 S; загальна кількість Са (ОН) 2 досягає 15% від маси цементного каменю.
Алюмінат кальцію С 3 А піддається тільки гідратації. Цей процес іде дуже швидко з утворенням великих кристалів 3СаО · А1 2 О 3 + 6Н 2 О → 3СаО · А1 2 О 3 · 6Н 2 О
Добавка гіпсу, що вводиться при помелі клінкеру, уповільнює схоплювання цементу на кілька годин через утворення еттрінгіта 3СаО · А1 2 О 3 · 3Са S О 4 · (31-33) Н 2 О, володіє розгорнутої поверхнею та екранування частинок мінералу С 3 А .
Чотирьохкальцієвого алюмоферріт З 4 А F взаємодіє з водою повільніше, ніж С 3 А, утворюючи гідроалюмінат і гідроферріт кальцію.
4CaO · Al 2 O 3 · Fe 2 O 3 + 12 H 2 O → 3CaO · Al 2 O 3 · 6H 2 O + CaO · Fe 2 O 3 · 6H 2 O
Основний продукт твердіння портландцементу - гідросилікати кальцію - практично нерозчинні у воді. Вони випадають з розчину спочатку у вигляді гелю Гель гідросилікатів кальцію з часом кристалізується. Решту продуктів взаємодії клінкеру з водою також беруть участь у формуванні структури цементного каменю і, також впливають на його властивості. Процес гідратації зерен портландцементу через малу їх розчинності розтягується на тривалий час. Процес може протікати при наявності води в твердіє матеріалі. Якість цементу прийнято оцінювати за міцністю, набираемой їм через 28 діб тверднення.
8.3 Корозія цементного каменю
Корозія цементного каменю. Якщо вода або водні розчини солей та кислот фільтруються крізь цементний камінь, то починається його руйнування Корозія протікає тим інтенсивніше, чим вище капілярна пористість цементного каменю В залежності від діючих корозійних агентів розрізняють кілька видів корозії.
Фізична корозія (вилуговування). При взаємодії з водою силікатів кальцію виділяється Са (ОН) 2, близько 15% від обсягу всіх продуктів твердіння. Розчинність Са (ОН) 2 у воді близько 2 г / л. Тому відбувається вимивання Са (ОН) 2 та винесення його на поверхню. На бетоні з'являються білясті вицвіти. Чим більше вимивається Са (ОН) 2 з цементного каменю, тим більше пористим він стає. Це викликає посилення фільтрації води і т. д. Щоб збільшити стійкість цементного каменю до видужування, використовують цементи зі зниженим вмістом З 3 S, а також додають до цементу активні мінеральні (пуццоланові) добавки, що зв'язують З a (OH) 2 у менш розчинні гідросилікати кальцію nCaO · SiO 2 · mH 2 O.
Ще сильніше руйнує цементний камінь фільтруються через нього мінералізована вода. У цьому випадку усередині цементного каменю відбуваються різні хімічні реакції між розчиненими у воді солями і продуктами тверднення цемента.Особенно небезпечна сульфатна корозія, що викликається водою, що містить сульфат-іон S О 2 - 4 (зокрема, розчини Са S О 4). причиною руйнування є утворення в цементному камені складного комплексного з'єднання: гідросульфоалюміната кальцію (еттрінгіт). Він утворюється при взаємодії гідроалюмінат кальцію, що знаходиться в цементному камені з вступниками з водою іонами Са 2 + та S О 2 - 4 за наступною схемою:
3СаО · А1 2 О 3 · 6Н 2 О + 3Са 2 + + 3 S О 2 - -4 + 25Н 2 О = 3СаО · А1 2 О 3 · 3СаSО 4 · 31Н 2 О
Обсяг еттрінгіта в 2,5 рази перевищує обсяг вихідного гідроалюмінат, що і викликає руйнування затверділого цементного каменю. Це ця ж реакція утворення еттрінгіта, але проводиться цілеспрямовано, використовується для отримання розширюються цементов. Основні шляхи захисту цементних матеріалів від корозії наступні: правильний вибір типу цементу і зниження капілярної пористості цементного каменю.
Властивості портландцементу До них відносяться, тонкість помелу, терміни схоплювання, рівномірність зміни об'єму при твердінні та міцність затверділого цементного каменю. Справжня щільність портландцементу складає 2900 ... 3200 кг / м 3, насипна щільність у пухкому стані 1000 ... 1100 кг / м 3, в ущільненому - до 1600 кг / м 3.
Тонкість помелу характеризується кількістю цементу, які пройшли через сито з сіткою № 008, (розмір отворів 0,08 мм) і його питомою поверхнею. Відповідно до Держстандарту через сито з сіткою № 008 має проходити не менше 95% цементу, при цьому питома поверхня у звичайного портландцементу повинна бути в межах 2000 ... 3000см 2 / г. Терміни схоплювання портландцементу-початок, не раніше 45 хв; кінець - не пізніше 10 год Марку портландцементу визначають за межі міцності при стисненні і вигині зразків-балок 40х40х160мм, виготовлених з цементно-піщаного розчину (складу 1:3) стандартної консистенції і твердевшіх 28 діб. Портландцемент випускають марок: 400; 500; 550 і 600. Твердіння портландцементу супроводжується виділенням великої кількості теплоти. Так як ця теплота виділяється протягом тривалого часу (дні, тижні), помітного розігрівання цементного бетону або розчину немає. Однак, якщо обсяг бетону великий (наприклад, при бетонуванні гребель, масивних фундаментів), можливий розігрів бетону до температури 70 ... 80 ° С, що призведе до його розтріскування.
При твердінні цементне тісто зменшується в об'ємі. Усадка на повітрі становить близько 0,5 ... 1мм / м. При твердінні в воді цемент трохи набухає (до 0,5 мм / м). Зміна обсягу при твердінні повинно бути рівномірним. Це властивість перевіряють на коржиках з цементного тесту, які не повинні розтріскуватися після пропарювання протягом 3 ч. Нерівномірність зміни обсягу виникає через присутність в цементі вільних СаО і. М g О, що знаходяться у вигляді перепалу. Цементи застосовують для виготовлення бетонів і залізобетонних конструкцій.
8.4 Шлакопортландцемент та інші види цементів
Різновиди цементів представлені в таблиці 8.2.
Таблиця 8.2. Різновиди портландцементу
Види портландцементу | Склад і технологія одержання | Властивості і область застосування |
1 | 2 | 3 |
Пластифікований (гідрофільний) | Помел клінкера з добавкою 0,25% сульфітно-дріжджової бражки в перерахунку на суху речовину | Марки 300, 400, 500. Підвищена рухливість бетонної суміші. Застосовують в монолітних бетонних і залізобетонних конструкціях. |
Гідрофобний (водовідштовхувальний) | При помелі клінкеру вводять 0,06 ... 0,3 мас.,%, Гідрофобізуючої добавки (милонафт та ін) | Підвищена рухливість бетонної суміші і морозостійкість бетону М-400. |
Швидкотвердіючий (БТЦ) | Відрізняється підвищеним вмістом З 3 S і C 3 A (трьох кальцієвого силікату і трьох кальцієвого алюмінату.) Більш тонкий помел цементу з уд. поверхнею S = 3500 ... 4000см 2 / г | Швидке наростання міцності в початковий період твердіння. |
Сульфатостійкий | Виготовляють з клінкеру з вмістом З 3 S не більше 50% і С 3 А не більше 5%, не містить активних і інертних добавок. | М400.Повишенная сульфатостойкостью, уповільнене твердіння в початкові терміни. |
Шлакопортландцемент | Спільний помел клінкера, доменного шлаку 30 ... 60мас.,% Та природного гіпсу. | Марки 300, 400, 500. Щільність 2,8 ... 3,0 г / см 3, ρ нас = 1000 ... 1400кг / м 3, нормальна густота цементного тіста 25 ... 28%. |
Вий цемент | Спільний помел клінкера, природного гіпсу і 20 ... 40 мас.,% Активної мінеральної добавки або ретельне змішання тих же матеріалів подрібнених роздільно. Застосовують для підводних споруд. | М 300, 400. Уповільнений зростання міцності, висока водопотребность. Підвищена водонепроникність, водостійкість, знижена воздухостойкость. |
Особобистро-твердне, ОБТЦ | Помел клінкера питомої поверхні до 6000см 2 / г, Містить, мас.,%: З 3 S ... 58; З 2 S ... 19; З 3 А ... 8; З 4 А F ... 14. | Активність до 70МПа, відрізняється швидким наростанням міцності в першу добу і до 28 добовому твердненню. |
Білий і кольоровий цементи | Виготовляють спільним помелом малозалізистого клінкеру, отримуваного випаленням суміші крейди і білих каолінітові глин. При помелі клінкеру в млинах застосовують порцелянові кулі та футеровку. При помелі вводять 5 ... 6% білого діятимуть і природного гіпсу. | Сорти по білизні: вищий, БП-I БП-II. М300, 400, 500. При введенні лугостійких пігментів отримують кольорові цементи застосовуються при оздоблювальних роботах. |
Тампонажний | Виготовляють спільним помелом клінкеру і двуводного гіпсу. Допустиме кількість активних добавок не більше 15% і 10% інертних для «холодних» свердловин і для «гарячих» - добавки - активних мінеральних або граншлака в кількості не більше 15%. | Для «холодних» свердловин: початок схоплювання не раніше 2 год, кінець не пізніше 10 годин. Температура твердіння 22 ± 2 о С, R сж не нижче 2,7 МПа через дві доби твердіння. Для «гарячих» свердловин: початок схоплювання не раніше 1ч 45хв, кінець схоплювання не пізніше 4ч 30хв. Температура твердіння - 75 ± 3 про С. R сж не нижче 6,2 МПа. |
Портландцемент для виробництва азбестоцементних виробів | Клінкер одержують випаленням сировинної суміші до спікання з переважним вмістом силікатів кальцію. Допускається введення 3,0 мас,% добавок що поліпшують властивості цементу | Початок схоплювання не раніше через 1ч 30мин. Кінець не пізніше 12 годин. М400, 500. |
Глиноземистий цемент - швидкотвердіюче і високоміцне гідравлічна терпка речовина, що отримується шляхом тонкого подрібнення клінкеру, що містить переважно низькоосновних алюмінати кальцію.
Однокальціевого алюмінат СаО · Al 2 O 3 визначать швидке твердіння і ін властивості. У ньому містяться і інші алюмінати кальцію, наприклад, 2СаО · Al 2 O 3. Цемент виготовляють з вапняку СаСО 3 та бокситів містять глинозем Al 2 O 3 · nH 2 O. Отримують цей цемент шляхом плавки в доменній печі бокситовий руди і залізного брухту. При цьому доменна піч одночасно видає чавун і шлак, що представляє собою клінкер глиноземистого цементу.
Глиноземистий цемент марок 400, 500 і 600 мають незвичайно швидким твердненням через три доби і нормальними термінами схоплювання. Початок схоплювання не раніше 30хв. і кінець схоплювання не пізніше 12 годин, тепловиділення при твердінні в 1,5 рази більше, ніж у портландцементу. У продуктах гідратації глиноземистого цементу не міститься гідроксиду кальцію, Са (ОН) 2 і трьохкальцієвого шестіводного гідроалюмінат (С 3 · А · Н 6), якщо температура твердіння не перевищує 25 о С, тому бетон на глиноземному цементі більш стійкий в порівнянні з портландцементом проти вилуговування Са (ОН) 2, а також у розчинах сульфату кальцію і магнію (у морській воді). Однак затверділий глиноземистий цемент руйнується в розчинах кислот і лугів, тому глиноземистий цемент не можна змішувати з портландцементом і вапном.
З урахуванням специфічних властивостей і високою вартістю глиноземистий цемент призначається для отримання швидкотверднучих, а також жаростійких бетонів і розчинів і розширювальних цементів.
Розширюються і безусадочние цементи.
Склад цементу дає можливість регулювати кількість і швидкість утворення кристалів гідросульфоалюміната кальцію (3СаО · Al 2 O 3 · 3 CaSO 4 · 31 H 2 O) і уникнути появи великих напруг, що викликають розтріскування затверділого цементного каменю.
Розширюється портландцемент (РПЦ) отримують спільним тонким подрібненням у мас.,% Портландцементного клінкеру - 58 ... 63, глиноземистого шлаку або клінкеру - 5 ... 7, гіпсу - 7 ... 10, доменного граншлака або іншою активною мінеральної добавки - 23 ... 28. РПЦ відрізняється швидким твердненням в умовах короткочасного пропарювання, високою щільністю і водонепроникністю цементного каменю і здатністю розширюватися при постійному зволоженні протягом перших трьох діб.