Луганский Национальный Аграрный Университет

Кафедра Материаловедения

Тема: ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ

Выполнил:

студент 633 гр.

Комаров Роман

Проверил:

Сумасшедший Погостнов

Луганс 2008

Лекция 8. ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ

8.1 Сырье и технология изготовления портландцемента

Портландцемент – гидравлическое вяжущее, получаемое тонким измельчением портландцементного клинкера и небольшого количества гипса (1,5...3 %). Клинкер получают обжигом до спекания сырьевой смеси, обеспечивающей в портландцементе преобладание силикатов кальция. К клинкеру для замедления схватывания цемента добавляют гипс. Для улучшения некоторых свойств и снижения стоимости портландцемента допускается введение минеральных добавок.

Производство. Основные операции при получении портландцемента: приготовление сырьевой смеси, обжиг ее до получения цементного клинкера и помол его совместно с добавками. Клинкер имеет следующий химический состав(%): СаО – 62...68, SiO₂ – 18...26, А1₂О₃ – 4...9, Fе₂О₃ – 2...6. Чаще используют известняк и глину в соотношении 3:1. В сырьевую смесь вводят корректирующие добавки и промышленные отходы, обеспечивающие требуемый состав клинкера.

Тщательно подготовленную сырьевую смесь (рис.8.1.) подают на обжиг во вращающуюся печь, диаметром до 7 м и длиной до 185 м. Изнутри печь выложена огнеупорным кирпичом. Печь установлена под небольшим (3...4˚) углом к горизонту и вращается (0,8...1,3 мин^-1), благодаря этому сырьевая смесь перемещается в ней от верхнего конца к нижнему, куда подается топливо. Максимальная температура обжига 1450° С. При таких высоких температурах оксид кальция СаО, образовавшийся в результате разложения известняка, взаимодействует с оксидами SiO₂, А1₂О₃ и Fе₂О₃, образующимися при разложении глины. Продукты взаимодействия, частично плавясь и спекаясь друг с другом, образуют портландцементный клинкер – плотные твердые гранулы серого цвета. В состав портландцементного клинкера входят четыре основных минерала (табл. 8.1) и небольшое количество стеклообразного вещества.

Таблица 8.1. Минеральный состав портландцементного клинкера

Минерал	Формула	Количество, %
Трехкальциевый силикат (алит), C3S Двухкальциевый силикат (белит), C2S Трехкальциевый алюминат, C3A Четырехкальциевый алюмоферрит, C4AF	3CaO · SiO2 3CaO · SiO2 3CaO · AL2O3 4CaO · Al2O3 · Fe2O3	42…65 12…35 4…14 10…18

Примечание: В скобках сокращенное обозначение клинкерных минералов.

Портландцементный клинкер (на 60…80%) состоит из силикатов кальция, из-за чего портландцемент называют силикатным цементом.

Для получения портландцемента клинкер размалывают в трубных или шаровых мельницах с гипсом и другими добавками. Свойства портландцемента зависят от его минерального состава и тонкости помола клинкера. При взаимодействии с влагой воздуха активность портландцемента падает, поэтому его предохраняют от действия влаги. Портландцемент хранят в силосах, а транспортируют в специальных вагонах, автомобилях-цементовозах.

8.2 Твердение и свойства портландцемента

Твердение. При смешивании с водой частицы портландцемента начинают растворяться, причем одновременно может происходить гидролиз (разложение водой) и гидратация (присоединение воды) продуктов растворения с образованием гидратных соединений. По этой схеме взаимодействуют с водой главные компоненты клинкера алит С₃S и белит С₂S:

2(3СаО · SiO₂) + 6Н₂O → ЗCаО · SiO₂ · 3Н₂О + 3Са(ОН)₂

2(2СаО· SiO₂) + 4Н₂О → 3СаО · SiO₂ · 3Н₂О + Са(ОН)₂

Трехкальциевый силикат С₃S взаимодействует с водой намного активнее, чем С₂S; при взаимодействии силикатов кальция с водой выделяется растворимый в воде компонент Са(ОН)₂ –создающий щелочную реакцию в твердеющем цементе; С₃S выделяет Са(ОН)₂ в 3 раза больше, чем С₂S; общее количество Са(ОН)₂ достигает 15 % от массы цементного камня.

Алюминат кальция С₃А подвергается только гидратации. Этот процесс идет очень быстро с образованием крупных кристаллов 3СаО · А1₂О₃ + 6Н₂О → 3СаО · А1₂О₃ · 6Н₂О

Добавка гипса, вводимая при помоле клинкера, замедляет схватывание цемента на несколько часов из-за образования эттрингита 3СаО·А1₂О₃·3СаSО₄ · (31–33)Н₂О, обладающего развернутой поверхностью и экранирования частиц минерала С₃А.

Четырехкальциевый алюмоферрит С₄АF взаимодействует с водой медленнее, чем С₃А, образуя гидроалюминат и гидроферрит кальция.

4CaO · Al₂O₃ · Fe₂O₃ + 12 H₂O → 3CaO · Al₂O₃ · 6H₂O + CaO · Fe₂O₃ · 6H₂O

Основной продукт твердения портландцемента – гидросиликаты кальция – практически нерастворимы в воде. Они выпадают из раствора сначала в виде геля Гель гидросиликатов кальция со временем кристаллизуется. Остальные продукты взаимодействия клинкера с водой также участвуют в формировании структуры цементного камня и, также влияют на его свойства. Процесс гидратации зерен портландцемента из-за малой их растворимости растягивается на длительное время. Процесс может протекать при наличие воды в твердеющем материале. Качество цемента принято оценивать по прочности, набираемой им через 28 суток твердения.

8.3 Коррозия цементного камня

Коррозия цементного камня. Если вода или водные растворы солей и кислот фильтруются сквозь цементный камень, то начинается его разрушение Коррозия протекает тем интенсивнее, чем выше капиллярная пористость цементного камня В зависимости от действующих коррозионных агентов различают несколько видов коррозии.

Физическая коррозия (выщелачивание). При взаимодействии с водой силикатов кальция выделяется Са(ОН)₂, около 15 % от объема всех продуктов твердения. Растворимость Са(ОН)₂ в воде около 2 г/л. Поэтому происходит вымывание Са(ОН)₂ и вынос его на поверхность. На бетоне появляются белесые выцветы. Чем больше вымывается Са(ОН)₂ из цементного камня, тем более пористым он становится. Это вызывает усиление фильтрации воды и т. д. Чтобы увеличить стойкость цементного камня к выщелачиванию, используют цементы с пониженным содержанием С₃S, а также добавляют к цементу активные минеральные (пуццолановые) добавки, связывающие Сa(OH)₂ в менее растворимые гидросиликаты кальция nCaO·SiO₂·mH₂O.

Еще сильнее разрушает цементный камень фильтрующаяся через него минерализованная вода. В этом случае внутри цементного камня происходят различные химические реакции между растворенными в воде солями и продуктами твердения цемента.Особенно опасна сульфатная коррозия, вызываемая водой, содержащей сульфат-ион SО^2-₄ (в частности, растворы СаSО₄). причиной разрушения является образование в цементном камне сложного комплексного соединения: гидросульфоалюмината кальция (эттрингит). Он образуется при взаимодействии гидроалюмината кальция, находящегося в цементном камне с поступающими с водой ионами Са²⁺ и SО^2-₄ по следующей схеме:

3СаО·А1₂О₃·6Н₂О + 3Са²⁺ + 3SО^2-_-4 + 25Н₂О = 3СаО·А1₂О₃·3СаSО₄·31Н₂О

Объем эттрингита в 2,5 раза превышает объем исходного гидроалюмината, что и вызывает разрушение затвердевшего цементного камня. Это эта же реакция образования эттрингита, но проводимая целенаправленно, используется для получения расширяющихся цементов. Основные пути защиты цементных материалов от коррозии следующие: правильный выбор типа цемента и снижение капиллярной пористости цементного камня.

Свойства портландцемента К ним относятся, тонкость помола, сроки схватывания, равномерность изменения объема при твердении и прочность затвердевшего цементного камня. Истинная плотность портландцемента составляет 2900...3200 кг/м³, насыпная плотность в рыхлом состоянии 1000...1100 кг/м³, в уплотненном – до 1600 кг/м³.

Тонкость помола характеризуется количеством цемента, проходящим через сито с сеткой №008, (размер отверстий 0,08 мм) и его удельной поверхностью. Согласно ГОСТу через сито с сеткой № 008 должно проходить не менее 95 % цемента, при этом удельная поверхность у обычного портландцемента должна быть в пределах 2000...3000см²/г. Сроки схватывания портландцемента- начало, не ранее 45 мин; конец – не позднее 10 ч. Марку портландцемента определяют по пределу прочности при сжатии и изгибе образцов-балочек 40х40х160мм, изготовленных из цементно-песчаного раствора (состава 1:3) стандартной консистенции и твердевших 28 суток. Портландцемент выпускают марок: 400; 500; 550 и 600. Твердение портландцемента сопровождается выделением большого количества теплоты. Так как эта теплота выделяется в течение длительного времени (дни, недели), заметного разогрева цементного бетона или раствора не происходит. Однако, если объем бетона велик (например, при бетонировании плотин, массивных фундаментов), возможен разогрев бетона до температуры 70...80° С, что приведет к его растрескиванию.

При твердении цементное тесто уменьшается в объеме. Усадка на воздухе составляет около 0,5...1мм/м. При твердении в воде цемент немного набухает (до 0,5 мм/м). Изменение объема при твердении должно быть равномерным. Это свойство проверяют на лепешках из цементного теста, которые не должны растрескиваться после пропаривания в течение 3 ч. Неравномерность изменения объема возникает из-за присутствия в цементе свободных СаО и. МgО, находящихся в виде пережога. Портландцементы и шлакопортландцементы применяют для изготовления бетонов и железобетонных конструкций.

8.4 Шлакопортландцемент и др. виды цементов

Разновидности цементов представлены в таблице 8.2.

Таблица 8.2. Разновидности портландцемента

Виды портландцемента	Состав и технология получения	Свойства и область применения
1	2	3
Пластифицированный (гидрофильный)	Помол клинкера с добавкой 0,25% сульфитно-дрожжевой бражки в пересчете на сухое вещество	Марки 300, 400, 500. Повышенная подвижность бетонной смеси. Применяют в монолитных бетонных и железобетонных конструкциях.
Гидрофобный (водоотталкивающий)	При помоле клинкера вводят 0,06…0,3 мас., %, гидрофобизирующей добавки (мылонафт и др.)	Повышенная подвижность бетонной смеси и морозостойкость бетона М400.
Быстротвердеющий (БТЦ)	Отличается повышенным содержанием С3S и C3A (трех кальциевого силиката и трех кальциевого алюмината.) Более тонкий помол цемента с уд. поверхностью S=3500…4000см2/г	Быстрое нарастание прочности в начальный период твердения.
Сульфатостойкий	Изготавливают из клинкера с содержанием С3S не более 50% и С3А не более 5%, не содержит активных и инертных добавок.	М400.Повышенная сульфатостойкость, замедленное твердение в начальные сроки.
Шлакопортландцемент	Совместный помол клинкера, доменного шлака 30…60мас., % и природного гипса.	Марки 300, 400, 500. Плотность 2,8…3,0г/см3,ρнас=1000…1400кг/м3, нормальная густота цементного теста 25…28%.
Пуццолановый цемент	Совместный помол клинкера, природного гипса и 20…40 масс., % активной минеральной добавки или тщательное смешение тех же материалов измельченных раздельно. Применяют для подводных сооружений.	М 300, 400. Замедленный рост прочности, высокая водопотребность. Повышенная водонепроницаемость, водостойкость, пониженная воздухостойкость.
Особобыстро-твердеющий, ОБТЦ	Помол клинкера удельной поверхности до 6000см2/г, Содержит, мас., %: С3S…58; С2S…19; С3А…8; С4АF…14.	Активность до 70МПа, отличается быстрым нарастанием прочности в первые сутки и к 28 суточному твердению.
Белый и цветной цементы	Изготовляют совместным помолом маложелезистого клинкера, получаемого обжигом смеси мела и белых каолинитовых глин. При помоле клинкера в мельницах применяют фарфоровые шары и футеровку. При помоле вводят 5…6% белого диатомита и природного гипса.	Сорта по белизне: высший, БП-I БП-II. М300, 400, 500. При введении щелочестойких пигментов получают цветные цементы применяемые при отделочных работах.
Тампонажный	Изготавливают совместным помолом клинкера и двуводного гипса. Допускаемое количество активных добавок не более 15% и 10% инертных для «холодных» скважин и для «горячих» - добавки – активных минеральных или граншлака в количестве не более 15%.	Для «холодных» скважин: начало схватывания не ранее 2 час, конец не позднее 10 часов. Температура твердения 22±2оС, Rсж не ниже 2,7 МПа через двое суток твердения. Для «горячих» скважин: начало схватывания не ранее 1ч 45мин, конец схватывания не позднее 4ч 30мин. Температура твердения - 75±3оС. Rсж не ниже 6,2МПа.
Портландцемент для производства асбестоцементных изделий	Клинкер получают обжигом сырьевой смеси до спекания с преобладающим содержанием силикатов кальция. Допускается введение 3,0 мас, % добавок улучшающих свойства цемента	Начало схватывания не ранее через 1ч 30мин. Конец не позднее 12 часов. М400, 500.

Глиноземистый цемент – быстротвердеющее и высокопрочное гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельчения клинкера, содержащего преимущественно низкоосновные алюминаты кальция.

Однокальциевый алюминат СаО·Al₂O₃ определят быстрое твердение и др. свойства. В нем содержатся и другие алюминаты кальция, например, 2СаО·Al₂O₃. Цемент изготовляют из известняка СаСО₃ и бокситов содержащих глинозем Al₂O₃·nH₂O. Получают этот цемент путем плавки в доменной печи бокситовой руды и железного лома. При этом доменная печь одновременно выдает чугун и шлак, представляющий собой клинкер глиноземистого цемента.

Глиноземистый цемент марок 400, 500 и 600 обладают необычно быстрым твердением через трое суток и нормальными сроками схватывания. Начало схватывания не ранее 30мин. и конец схватывания не позднее 12 часов, тепловыделение при твердении в 1,5 раза больше, чем у портландцемента. В продуктах гидратации глиноземистого цемента не содержится гидроксида кальция, Са(ОН)₂ и трехкальциевого шестиводного гидроалюмината (С₃·А·Н₆), если температура твердения не превышает 25^оС, поэтому бетон на глинозёмистом цементе более стоек по сравнению с портландцементом против выщелачивания Са(ОН)₂, а также в растворах сульфата кальция и магния (в морской воде). Однако затвердевший глиноземистый цемент разрушается в растворах кислот и щелочей, поэтому глиноземистый цемент нельзя смешивать с портландцементом и известью.

С учетом специфических свойств и высокой стоимостью глиноземистый цемент предназначается для получения быстротвердеющих, а также жаростойких бетонов и растворов и расширяющихся цементов.

Расширяющиеся и безусадочные цементы.

Состав цемента дает возможность регулировать количество и скорость образования кристаллов гидросульфоалюмината кальция (3СаО·Al₂O₃·3CaSO₄·31H₂O) и избежать появления больших напряжений, вызывающих растрескивание затвердевшего цементного камня.

Расширяющийся портландцемент (РПЦ) получают совместным тонким измельчением в мас., % портландцементного клинкера – 58…63, глиноземистого шлака или клинкера – 5…7, гипса – 7…10, доменного граншлака или другой активной минеральной добавки – 23…28. РПЦ отличается быстрым твердением в условиях кратковременного пропаривания, высокой плотностью и водонепроницаемостью цементного камня и способностью расширяться при постоянном увлажнении в течение первых трех суток.