ст.преп., магистр Сүйменова Маржан Кузембаевна

Каспийский государственный университет технологий и инжиниринга имени Ш.Есенова

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА. ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ.

Портландцемент – гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путём совместного, тонкого помола клинкера и двуводного гипса. Клинкера – продукт обжига до спекания (при t>1480°С) однородной, определённого состава природной или сырьевой смеси известняка или гипса. Сырьевую массу обжигают во вращающихся печах.

Портландцемент как вяжущее вещество используют при приготовлении цементных растворов и бетонов.

Шлакопортландцемент - в своём составе имеет гидравлическую добавку в виде гранулированного, доменного или электротермофосфорного шлака. охлаждаемого по специальному режиму. Его получают путём совместного помола портландцементного клинкера (до 3,5%), шлака (20…80%), и гипсового камня (до 3,5%). Шлакопортландцемент имеет медленное нарастание прочности в начальные сроки твердения, однако в дальнейшем скорость нарастания прочности нарастает. Он чувствителен к окружающей температуре, стоек при воздействии на него мягких сульфатных вод, имеет пониженную морозостойкость.

Карбонатный портландцемент получают путём совместного помола цементного клинкера с 30% известняка. Он обладает пониженным тепловыделением при твердении, повышенной стойкостью. [1]

Производство. Основные операции при получении портландцемента: приготовление сырьевой смеси, обжиг ее до получения цементного клинкера и помол клинкера совместно с добавками.

Соотношение компонентов сырьевой смеси выбирают с таким расчетом, чтобы полученный при обжиге клинкер имел следующий химический состав (%): СаО — 62...68, SiO₂ — 18..26, А1₂О₃ — 4...9, Fe₂O₃ — 2...6. В природе есть горная порода, обеспечивающая получение клинкера такого состава,— мергель, который представляет собой тесную смесь известняка с глиной. Но чаще используют известняк и глину (добываемые отдельно) в соотношении 3 : 1 (по массе). Кроме основных компонентов в сырьевую смесь вводят корректирующие добавки и промышленные отходы, обеспечивающие требуемый состав клинкера. [3]

Тщательно подготовленную сырьевую смесь подают на обжиг во вращающуюся печь, которая представляет собой стальную трубу диаметром до 7 м и длиной до 185 м. Изнутри труба выложена огнеупорным кирпичом. Печь установлена под небольшим (3...4^о) углом к горизонту и вращается (0,8... 1,3 мин^-1), благодаря чему 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 кислотными оксидами SiO₂, А1₂О₃ и Fe₂O₃, образующимися при разложении глины.

Таблица 1. Минеральный состав портлацщементного клинкера

Минерал	Формула	Количество, %
Трехкальциевый силикат (алит)	ЗСаО• SiO2(C3S)	42...65
Двухкальциевый силикат (белит)	2СаО• SiO2(C2S)	12...35
Трехкальциевый алюминат	ЗСаО• А12О3(С3А)	4...14
Четырехкальциевый алюмоферрит	4СаО•А12О3•Fe2O3 (C4AF)	10...18

В скобках сокращенное обозначение клинкерных минералов.

Продукты взаимодействия, частично плавясь и спекаясь друг с другом, образуют так называемый портландцементный клинкер — плотные твердые куски серого цвета. В состав портландцементного клинкера входят четыре основных минерала (табл. 1) и небольшое количество стеклообразного вещества.

Как видно из таблицы, портландцементный клинкер в основном (на 60...80%) состоит из силикатов кальция, из-за чего портландцемент также называют силикатным цементом. [2]

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 (высоких цилиндрических емкостях из бетона или металла). На строительство его доставляют в специальных вагонах, автомобилях-цементовозах или упакованным в многослойные бумажные или полиэтиленовые мешки. [5]

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 (гидролиз и гидратация) взаимодействуют с водой главные компоненты клинкера алит C₃S и белит C₂S:

2(ЗСаО • SiO₂) + 6Н₂О → ЗСаО • SiO₂ • ЗН₂О + ЗСа(ОН)₂

2(2СаО• SiO₂) + 4Н₂О→ ЗСаО • SiO₂ • ЗН₂О + Са(ОН)₂

Необходимо подчеркнуть особенности этих реакций:

•C₃S взаимодействует с водой намного активнее, чем C₂S;

•при взаимодействии силикатов кальция с водой выделяется
растворимый в воде компонент Са(ОН)₂ — воздушная известь, создающая щелочную реакцию в твердеющем цементе;

•C₃S выделяет Са(ОН)₂ в 3 раза больше, чем C₂S; общее количество Са(ОН)₂ достигает 15 % от массы цементного камня.

Алюминат кальция С₃А подвергается только гидратации, причем этот процесс идет очень быстро с образованием крупных кристаллов

ЗСаО • А1₂О₃ + 6Н₂О → ЗСаО • А1₂О₃ • 6Н₂О

Добавка гипса, вводимая при помоле клинкера, изменяет характер начального периода твердения С₃А и замедляет схватывание цемента на несколько часов из-за образования эттрингита ЗСаО • А1₂О₃ • 3CaSO₄ • (31 - 33)Н₂О.

Четырехкальциевый алюмоферрит C₄AF взаимодействует с водой медленнее, чем С₃А, образуя гидроалюминат и гидроферрит кальция.

Основной продукт твердения портландцемента — гидросиликаты кальция — практически нерастворимы в воде. Они выпадают из раствора сначала в виде геля (жесткого студня). Этот гель пронизывают, укрепляя его, кристаллы Са(ОН)₂. Гель гидросиликатов кальция со временем кристаллизуется. Остальные продукты взаимодействия клинкера с водой также участвуют в формировании структуры цементного камня и, естественно, влияют на его свойства.

Процесс гидратации зерен портландцемента из-за малой их растворимости растягивается на длительное время (месяцы и годы). Чтобы этот процесс мог протекать, необходимо постоянное присутствие воды в твердеющем материале. Однако нарастание прочности со временем замедляется. Поэтому качество цемента принято оценивать по прочности, набираемой им в первые 28 суток твердения. [4]

Технические характеристики портландцемента. К основным характеристикам портландцемента относятся истинная и насыпная плотность, тонкость помола, сроки схватывания, равномерность изменения объема при твердении и прочность затвердевшего цементного камня.

Плотность портландцемента в зависимости от вида и количества добавок составляет 2900...3200 кг/м³, насыпная плотность в рыхлом состоянии 1000... 1100 кг/м³, в уплотненном — до 1700 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 2900...3000 см²/г и у быстротвердеющего портландцемента 3500...5000 см²/г. [1]

Сроки схватывания портландцемента, рассчитываемые от момента затворения, должны быть: начало — не ранее 45 мин; конец — не позднее 10 ч. Эти показатели определяют при температуре 20°С. Если цемент затворяют горячей водой (более 40°С), может произойти очень быстрое схватывание.

литературы

1. Е.А.Попов. Строительные материалы. Москва; «Стройиздат»; 2006г.;

2. Ю.Г. Барабанщиков. Строительные материалы и изделия. Москва. «Академия»; 2008г.;

3. В.А.Воробьев. Строительные материалы. Москва; «Высшая школа»; 1989г.;

4. В.А.Воробьев. Лабораторный практикум по общему курсу строительных материалов. Москва; «Высшая школа»; 1989г.;

5. Е.А.Попов. Лабораторный практикум по общему курсу строительных материалов. Москва; «ИНФА»; 2005г.;