Строительные материалы и изделия

Портландцемент

Получение портландцемента. Сырьевая смесь для получения порт­ландцемента (ПЦ) состоит чаще всего из известняка (75...78 %), содержащего СаС03, и глины (22...25%). Глина дает при разло­жении нужного количества кислотных оксидов Si02, А1203 и Fe203, которые должны связать всю свободную известь (СаО), образую­щуюся при разложении СаСОэ, в труднорастворимые соедине­ния: ЗСаО ■ Si02; 2СаО • Si02; ЗСаО ■ А1203; 4СаО • А1203 • Fe203.

Приготовление сырьевой смеси, выполняется мокрым (с до­бавлением воды при смешении и измельчении сырьевых компо­нентов) или сухим способом с получением либо жидкого про­дукта (шлама), либо сухой сырьевой муки.

Химический состав сырья и получаемого из него клинкера ха­рактеризуют содержанием оксидов в процентах. Необходимыми оксидами являются оксид кальция СаО (63... 66 %), кремнезем Si02 (21... 24 %), глинозем А1203 (4... 8 %) и оксид железа Fe203 (2... 4 %). Другие оксиды нежелательны. Их содержание ограничивается сле­дующими пределами: MgO < 5 %; S03 = 1,5...3,5 %; (Na20 + K20) < < 0,6 %. Превышение указанных пределов может привести к уве­личению объема цементного камня при твердении. Это также про­исходит, если часть СаО остается несвязанной.

Обжиг проводят исключительно во вращающихся печах, кото­рые позволяют обжигать как жидкую смесь (шлам), так и сырье­вую муку. При обжиге происходит диссоциация углекислого каль­ция (СаС03 = СаО + С02) и разложение минералов глины на кислотные оксиды Si02, А1203 и Fe203, вступающие во взаимо­действие с основным оксидом СаО. Этот процесс завершается в зоне наиболее высокого нагрева (1 450 °С), где происходит спека­ние материала, т. е. превращение его из порошкообразного в кам­неподобное состояние в результате застывания расплава, кото­рый образуется в небольшом количестве (20...30%). Продукт об­жига, выходящий из печи, представляет собой очень твердые ока­танные гранулы, называемые клинкером. Клинкер охлаждают до температуры 50... 150 °С и подвергают помолу в шаровых мельни­цах, однако не сразу, а через 3...4 дня, что повышает качество цемента.

Помол клинкера производится в основном в шаровых мельни­цах. При помоле добавляют до 5 % природного гипса для увеличе­ния сроков схватывания. Без добавки гипса портландцемент схва­тывается практически мгновенно. Допускается введение при по­моле до 20 % по массе активных минеральных добавок. Содержа­ние добавки указывается обозначением ДО, Д5 и Д20 после обо­значения марки цемента, например: ПЦ 400-Д20.

Процессы, происходящие при твердении портландцемента. Ми­нералогический состав портландцементного клинкера (табл. 8.5) представлен четырьмя индивидуальными веществами (минерала­ми), условно названными алитом, белитом, алюминатом и цели - том. По химическому составу они близки соответственно к трех­кальциевому силикату, двухкальциевому силикату, трехкальцие­вому алюминату, четырехкальциевому алюмоферриту и в целях упрощения отождествляются с ними (табл. 8.5).

Химические процессы при твердении портландцемента для ми­нералов C2S и С3А заключаются в присоединении воды; для C3S и C4AF — в гидролизе — разложении химического соединения и присоединении воды к продуктам разложения.

Физические процессы при твердении портландцемента и других В В заключаются в превращении дисперсной смеси порошка вяжу­щего с водой в сплошное камневидное тело.

Французский ученый Ле Шателье в 1887 г. предложил теорию твердения вяжущих веществ, в соответствии с которой процесс твердения объясняется разницей в растворимости исходного вя­жущего вещества и продуктов его гидратации. Теорию Ле Шателье можно свести к трем основным положениям.

1. Исходное вещество, всегда более растворимое, образует на­сыщенный раствор, который является пересыщенным по отно­шению к менее растворимому конечному продукту. Последний в растворе находиться не может, но он в этом растворе образуется в результате реакции гидратации, а значит, должен сразу же выпа­дать в осадок.

2. Осадок образуется в виде кристаллов, распределенных по все­му объему системы и связанных в кристаллический сросток, чем и объясняются высокие механические свойства затвердевшей массы.

3. Растворение исходного вещества и выделение из раствора новообразований является взаимообусловленным и происходит одновременно в течение всего процесса твердения.

Теория Ле Шателье объясняет процесс твердения строитель­ного гипса (см. подразд. 8.2), однако ее нельзя применить к порт­ландцементу, так как в продуктах его гидратации практически не обнаруживается кристаллических образований, а в основном только аморфная масса.

В 1893 г. немецкий ученый Михаэлис, высказал теорию, со­гласно которой продукты гидратации образуются не в кристалли­ческой форме, а в виде микроскопических (коллоидных) частиц, которые, заполняя пространство между зернами цемента, сбли­жаются и удерживают воду в узких промежутках между собой. Свя­занная таким образом вода, в свою очередь, прочно удерживает частицы на очень близком расстоянии друг от друга, образуя в совокупности с ними единую систему, называемую гелем. Обра­зующийся гель, обладая поначалу высокими пластическими свой­ствами, постепенно теряет воду в результате продолжающейся гидратации, связывания новыми коллоидами и испарения. Про­исходит сближение частиц и их срастание за счет медленной кри­сталлизации растворимых (даже незначительно) соединений, в результате чего цементный камень приобретает высокую механи­ческую прочность. Однако теория Михаэлиса, объясняющая про­цесс твердения портландцемента, не применима к строительно­му гипсу, в затвердевшем камне которого имеются только крис­таллические образования и совершенно нет коллоидного веще­ства.

Академиком А. А.Байковым в 1925—1927 гг. было дано объяс­нение процессов твердения вяжущих веществ, которое устраняет противоречия рассмотренных теорий и в одинаковой мере приме­нимо как к строительному гипсу, так и к гидравлическим цемен­там.

А. А. Байков отметил, что растворимость вещества увеличива­ется с уменьшением размера частиц, а следовательно, коллоид­ные частицы могут растворяться, образуя по отношению к зер­нам кристаллов (частицам огромным по сравнению с коллоида­ми) пересыщенный раствор, в котором последние растворяться не могут, а могут только из него выделяться. Таким образом, про­цесс коллоидации, по А. А. Байкову, имеет место всегда, только в случае гипса образующиеся коллоиды сравнительно легко раство­ряются в воде, и поэтому гипсовый гель переходит в кристалли­ческое состояние, в случае же портландцемента получается гель, практически не растворимый в воде, и кристаллизации не проис­ходит.

Свойства портландцемента. Плотность портландцемента состав­ляет 3,05...3,20 г/см3. Тонкость помола характеризуется удельной поверхностью 2500...3 000 см2/г и остатком на сите № 008, не превышающим 15 % от массы пробы. Водопотребность составляет 24... 28 %. Начало схватывания должно наступать не ранее чем че­рез 45 мин, а конец схватывания — не позднее чем через 10 ч с начала затворения. Схватывание ускоряется при повышении тон­кости помола цемента и содержания в нем С3А. Прочность (актив­ность[3]) портландцемента оценивают испытанием стандартных образцов-балочек размерами 4x4x16 см в возрасте 28 сут.

Активность портландцемента составляет обычно от 40 до 60 МПа и более. В соответствии с этим отечественные заводы выпускают портландцемент марок 400, 500, 550 и 600.

Скорость твердения портландцемента возрастает с повышени­ем тонкости помола и температуры. По значению теплового эф­фекта при гидратации можно судить о химической активности клинкерных минералов и об их влиянии на скорость твердения (см. табл. 8.5).

Алито-алюминатные цементы (с повышенным содержанием C3S и С3А) дают быстрое увеличение прочности в первые сроки твердения (до 7 дней) и медленное увеличение прочности в даль­нейшем. У белито-целитовых цементов (с повышенным содержа­нием C2S и C4AF) наблюдается замедленное твердение. При хра­нении на воздухе составы на портландцементе дают усадку (умень­шение объема), а при хранении в воде — набухание (увеличение объема).