Состав портландцемента: марки, состав, свойства и применение цемента ПЦ

Содержание

марки, состав, свойства и применение цемента ПЦ

Портландцемент (ПЦ) – наиболее распространенная разновидность строительных цементов, производство которых регламентирует ГОСТ 31108-2016. Это гидравлическое вяжущее, изготавливаемое из карбонатных пород (известняка, мела, кремнезема, глинозема), твердеет при затворении водой. Оно широко используется для изготовления цементно-песчаных растворов, бетонов, сухих строительных смесей различного назначения, применяемых в гражданском, промышленном, военном строительстве. Ассортимент различных видов и марок портландцемента позволяет выбрать подходящее вяжущее для индивидуального домостроения, массового многоэтажного строительства, сооружения объектов промышленного и инженерного назначения.

Состав портландцемента

Портландцемент получают спеканием сырьевой смеси, в состав которой входят глина (22-25 %) и известняк (75-78 %). Добыча известняка, залегающего на глубинах до 0,7-10 м, ведется открытым способом. Для изготовления портландцемента используется слой известняка желтовато-зеленоватого цвета.

Спеченная при высоких температурах гранулированная сырьевая смесь называется «клинкер». Именно его состав и характеристики определяют важные свойства цемента: прочность цементного камня и скорость ее нарастания, долговечность и стойкость к сложным эксплуатационным условиям отвердевших растворов и смесей, изготовленных на базе портландцемента.

Особенности производства портландцемента

Известняк от места добычи доставляют к месту производства портландцемента. Сырье сушат и осуществляют его первичный помол с введением специальных добавок. Полученную смесь обжигают. Образованный клинкер повторно перемалывают с введением активных добавок. Поскольку разные виды сырьевых смесей имеют индивидуальный состав, влажность и другие характеристики, каждое производство организуется по собственной технологии. Наиболее распространенные варианты:

    • Сухой способ. Сырье во время или после первичного измельчения сушится. На обжиг материал поступает в сухом виде. Это наиболее экономичный вариант, не требующий затрат энергии на удаление лишней воды из шихты.

  • Мокрый. Используется при производстве портландцемента из сырья, в состав которого входят мел, глина, железосодержащие добавки. Сырье измельчается в воде. Суспензия после удаления лишней воды обжигается в печи. В результате обжига получают небольшие шарики, из которых после тонкого помола образуется цемент.
  • Комбинированный. Эта технология совмещает две предыдущие. Сырьевую смесь (шлам) готовят мокрым способом, после чего ее отправляют на фильтры. В результате фильтрования смесь осушается до 16-18 %. После фильтров сырье поступает на обжиг. Есть и другой вариант комбинированного способа. Шлам готовят сухим способом, добавляют в него воду, гранулируют. После обжига получают клинкер в виде гранул 10-15 мм.

Технические характеристики портландцемента

Оценка качества портландцемента осуществляется по следующим характеристикам:

  • Плотность. Эта величина определяется минералогическим составом материала. В рыхлом состоянии она находится в пределах 0,9-1,3 т/м3, в уплотненном – 1,5-2 т/м3.
  • Период схватывания. Эта техническая характеристика является важным свойством портландцемента. Она зависит от минералогического состава сырья, тонкости помола, водоцементного соотношения, температуры окружающей среды. Схватывание должно начаться не ранее чем через 45 минут, а закончиться – не позже, чем через 12 часов после затворения портландцемента. По нормативам портландцемент, предназначенный для создания бетонных покрытий дорог, может схватываться только через 2 часа после его затворения.
  • Тонкость помола. Эта величина, равная суммарной поверхности зерен в единице массы цемента, существенно влияет на технические характеристики материала, в частности, на скорость его твердения. У обычного портландцемента тонкость помола равна 2500-3000 см2/г, быстротвердеющего – 4000-6000 см2/г.
  • Равномерность изменения объема во время твердения цементной лепешки. Это одна из главных технических характеристик портландцемента. Неравномерное схватывание характерно для вяжущего, в составе которого присутствует слишком большое количество свободной извести или оксида магния. Равномерность изменения объема измеряется на четырех лепешках, которые изготавливаются из цементного теста нормальной густоты. Испытания проводят способом кипячения. Цемент считается прошедшим испытания, если на лицевой стороне всех лепешек отсутствуют: сетка мелких трещин или крупные радиальные трещины, доходящие до края.
  • Водоцементное соотношение
    (водопотребность). Этот термин означает количество воды, необходимое для изготовления продукта требуемой пластичности. Для портландцемента водоцементное соотношение составляет примерно 25 %. При необходимости его снижения в состав сырьевой смеси вводят пластификаторы.
  • Водоотделение. Этот процесс происходит при твердении строительного раствора или смеси из-за опускания частиц вяжущего и заполнителей под действием силы тяжести. Вода может выступать на поверхности бетонного элемента, между слоями укладываемой смеси или раствора, вокруг частиц заполнителя или арматурных стержней. Наличие таких тонких водных пленок внутри бетонного элемента значительно снижает его прочность и долговечность.
  • Морозостойкость. Это свойство характеризует способность отвердевшего цементно-песчаного слоя или бетонной конструкции, изготовленных на базе портландцемента, выдерживать циклы замерзания/оттаивания без потери рабочих характеристик.
  • Коррозионная стойкость. Ее обычно разделяют на химическую и физическую коррозионную стойкость. Химическая коррозионная стойкость зависит от минералогического состава, а именно, от способности компонентов выдерживать воздействие химически агрессивных сред. Физическую коррозионную стойкость улучшают снижением пористости бетона, уменьшением радиуса пор и их обработкой гидрорфобизирующими составами.
  • Тепловыделение. Это свойство характеризует величину тепла, выделяемого в процессе гидратации цемента. Портландцемент, слишком активно выделяющий большое количество тепла, нельзя использовать при строительстве массивных сооружений из-за большой разницы в температурах на поверхности и внутри бетонного элемента. Для регулирования тепловыделения цемента применяют специальные активные добавки.

Разновидности портландцемента

Все виды портландцемента делятся на бездобавочные и добавочные.

Бездобавочные ПЦ в качестве добавок содержат только гипс. Такие цементы используются для строительства надземных, подземных, подводных конструкций, изготовления железобетонных изделий, не контактирующих при эксплуатации с агрессивными средами. Активные минеральные добавки изменяют технические характеристики портландцемента в нужном направлении. С их помощью повышают водонепроницаемость, коррозионную стойкость и другие полезные свойства готовых продуктов, изготовленных на базе цемента.

В зависимости от присутствующих в составе добавок различают следующие разновидности портландцемента:

    • Быстротвердеющий (БПЦ). Для этого цемента характерен быстрый набор прочности в первые дни после заливки смеси или раствора. В его составе преобладают трехкальциевый силикат и трехкальциевый алюминат. Он имеет очень высокую тонкость помола, поэтому быстро впитывает влагу из воздуха. При неправильном хранении такой цемент очень быстро теряет товарные характеристики. Быстротвердеющие портландцементы используются при производстве ЖБИ с высокой отпускной прочностью. Коррозионная стойкость быстротвердеющих цементов пониженная.
    • Пластифицированный. Получают введением поверхностно-активных добавок. Применение этой разновидности портландцементов позволяет снизить водоцементное соотношение, повысить прочность и морозостойкость получаемых растворов и бетонов после твердения.
    • Гидрофобный. При производстве гидрофобного портландцемента в состав клинкера добавляют гидрофобные ПАВ, которые образуют на зернах цемента водоотталкивающие пленки. Обычно в качества ПАВ востребованы продукты нефтепереработки. При хранении даже во влажных условиях такой цемент не портится, не слеживается и не комкуется. Строительные смеси и растворы на базе гидрофобного цемента отличаются хорошей пластичностью, а после твердения – водонепроницаемостью и морозостойкостью.
    • Сульфатостойкий. Цемент изготавливают из клинкера, который имеет в составе пониженное содержание трехкальциевых силиката и алюмината. Такой портландцемент повышает стойкость бетона к коррозии при эксплуатации строительной конструкции в контакте с сульфатсодержащими средами.
    • Белый. Цемент получают с использованием белых коалиновых глин, мела, чистых известняков. На основе белого ПЦ изготавливают цветные цементы путем добавления красящих пигментов.

  • Шлакопортландцемент. Изготавливают совместным помолом портландцементного клинкера, гипса и доменного гранулированного шлака.
  • Пуццолановый. Получают смешиванием портландцементного клинкера, активной миндобавки, гипса. Активные минеральные добавки, входящие в состав этого цемента, – вулканические туфы, пемзы, пеплы, трепел, золы тепловых электростанций. Это вяжущее активно используется при строительстве гидротехнических сооружений, подземных объектов.

Классы и марки прочности портландцементов

В соответствии с ГОСТом 31108-2016 основная характеристика портландцемента – прочность – определяется классом. Ранее это свойство характеризовала марка. Наиболее популярные портландцементы:

  • В 32,5 (М400). Вид цемента, востребованный практически во всех областях частного и массового строительства, для изготовления ЖБИ, устройства дорожек, площадок, отмосток.
  • В42,5 (М500). Портландцемент, имеющий прекрасные прочностные характеристики, применяется в ремонтно-строительных работах на объектах ответственного назначения, при восстановлении строительных конструкций после аварий, проведении дорожно-ремонтных работ.
  • В52,5 (М600). Портландцемент, используемый при строительстве особо ответственных объектов.

В каких случаях портландцемент не применяется?

При выборе вида цемента учитывают условия, в которых будет эксплуатироваться объект. Портландцементы с активными добавками, пуццолановые цементы не применяют в регионах с низкими температурами. Все виды портландцементов не используются:

  • в соленых водах;
  • в руслах рек проточного типа;
  • в водоемах, имеющих в составе большое количество различных минералов.

Сульфатостойкий цемент подходит для применения только в статичных водах невысокой агрессивности. Для плотин, дамб, конструкций, эксплуатируемых в проточных водах, используют специальные виды цемента.

свойства, разновидности, состав, виды, характеристики, применение

Цемент – один из основных материалов, применяемых во всех отраслях строительства. Используется в качестве гидравлического вяжущего в растворах и смесях, необходимых для строительства монолитных сооружений и сборных конструкций, проведения ремонтных работ и отделочных мероприятий. Портландцемент – наиболее популярный тип цемента, получаемый путем тонкого помола клинкера с добавкой двуводного гипса в количестве 1,5…3,5%, необходимого для изменения сроков схватывания вяжущего.

Особенности производства

Изготовление портландцемента происходит в три стадии:

  • Приготовление сырьевой смеси. Минералогический состав сырьевой смеси для изготовления портландцемента – карбонатные горные породы (мел, известняк, глинозем, кремнезем) и мергелий, содержащие оксиды кальция, кремния, железа, алюминия, магния. Сырье измельчают и смешивают в оптимальных пропорциях.
  • Производство клинкера. Его получают обжигом подготовленной сырьевой массы в высокотемпературных печах при +1300…+1400°C.
  • Приготовление портландцемента для поставки потребителям. Клинкер измельчают и смешивают с гипсом. При необходимости в материал добавляют другие компоненты, позволяющие получить определенные свойства готового продукта.

 

В зависимости от состава сырьевой смеси, меняется истинная плотность портландцемента. Максимальный показатель у бездобавочного цемента – 3100 кг/м3, у шлакопортландцемента и пуццоланового вяжущего она ниже и составляет – 2700-2900 кг/м3.

Основные реакции при затворении цемента водой

После смешивания портландцемента и составов на его основе происходят следующие химические реакции:

  • Первоначальное упрочнение материала. Осуществляется, благодаря взаимодействию с водой гипса и трехкальциевого алюмината. В результате такой реакции формируется кристаллическая структура эттрингита, моносульфата и алюмината кальция гидрата.
  • Вторая реакция – медленная. Она протекает между водой и трехкальциевым силикатом. При этом образуется силикат кальция, имеющий аморфную структуру. Иначе он называется CSH-гель. В ходе этого этапа продолжается твердение смеси или раствора на основе портландцемента и развитие внутренних сил натяжения. Образующиеся цементные структуры обволакивают и прочно связывают между собой отдельные зерна мелкого и крупного заполнителей.
  • В результате третьей стадии в структуре появляется силикагель SiO2.

Разновидности портландцемента и области их применения

В соответствии с ГОСТом 31108-2016 портландцемент по составу, а следовательно, по физическим и техническим характеристикам разделяют на 5 основных видов.

Бездобавочный

Обозначение – ЦЕМ I. В составе присутствуют только клинкер и гипс. Допустимое содержание минеральных добавок – до 5%. Основная особенность бездобавочного портландцемента – свойство быстро схватываться и набирать прочностные характеристики. Уже на следующий день после заливки бетон или цементно-песчаный раствор приобретают примерно 50% от марочной прочности. Бездобавочное вяжущее применяется при строительстве монолитных и сборных бетонных и железобетонных конструкций. Не рекомендуется для использования в особых условиях, отличающихся от нормальных.

С активными минеральными добавками

Маркировка – ЦЕМ II. Портландцементный клинкер и активные минеральные добавки могут перемалываться совместно или по отдельности. Количество добавок – 6-35%. Чем выше их содержание в портландцементе, тем медленнее бетон или цементно-песчаный раствор набирают марочную прочность. В качестве таких добавок используют горные породы – диатомит, опоку, трепел, пемзу, вулканический пепел и другие.

Введение этих компонентов в состав портландцемента позволяет снизить себестоимость, но при этом немного ухудшаются прочность и другие технические свойства конечного продукта. Есть еще один положительный момент использования активных минеральных добавок, основу которых составляет аморфный кремнезем. Этот компонент легко реагирует с гидроксидом кальция, который образуется при гидратации цемента. При этом происходит образование труднорастворимых гидроксидов кальция, не вымывающихся из цементного камня. Их присутствие значительно повышает водонепроницаемость конечного продукта.

Шлакопортландцемент

Обозначение – ЦЕМ III. Вяжущее, содержащее гранулированный шлак в количестве 6-35%, относится к нормально твердеющим. Его получают совместным помолом клинкера, шлака и гипса. В шлаках, как и в активных минеральных добавках, содержится амфорный кремнезем. Шлакопортландцемент стоит дешевле обычного цемента примерно на 15%. Он медленнее набирает прочность, но через 2-3 месяца по этому показателю опережает портландцемент такой же марки. Минус шлакосодержащего вяжущего – низкая морозостойкость. Поэтому оно используется при строительстве массивных наземных, подземных и подводных конструкций, которые не подвергаются частым циклам замораживания-оттаивания.

Пуццолановый

Обозначается как ЦЕМ IV. Его получают совместным помолом клинкера, минеральной добавки и гипса. Возможно перемалывать их отдельно, а затем тщательно смешивать. Ограничение по содержанию трехкальциевого алюмината – не более 8%. Для него характерно медленное твердение в первые сроки схватывания. Во влажных условиях бетон из пуццоланового цемента догоняет бетон из обычного портландцемента через 3-6 месяцев.

Благодаря медленному твердению, пуццолановые цементы выделяют меньшее количество тепла, поэтому они применяются при строительстве массивных конструкций, для которых важным моментом является отсутствие термических деформаций. ППЦ хорошо набирают прочность при повышенных температурах, поэтому они используются при изготовлении изделий, которые подвергаются тепловой и влажностной обработке в автоклавах. Бетоны на ППЦ имеют высокую водонепроницаемость и сульфатостойкость, но низкую морозостойкость. Поэтому они используются при строительстве подводных и подземных объектов или подводной и подземной частей наземных объектов, которые находятся в контакте с мягкими и сульфатсодержащими водами. Количество циклов замораживания-оттаивания для таких бетонных конструкций должно быть сведено к минимуму.

Таблица пропорций компонентов портландцементов различных типов

Тип Наименование Вещественный состав, % по массе  
Основные компоненты Вспом. комп.
Портланд- цемент клинкер Гранулир. шлаки Микро- кремнез. Пуццо лана Глиеж Зола-уноса Обож. сланец Извест- няк
Кл. Ш Мк П Г З С И
ЦЕМ I

Портланд-

цемент

ЦЕМ I 95-100 0-5
ЦЕМ II

Портланд-

цемент с

мин.

добав.

 
Шлак ЦЕМ II/А-Ш 80-94 6-20 0-5
ЦЕМ II/В-Ш 65-79 21-35 0-5

Микро-

кремнезем

ЦЕМ II/Мк 90-94 6-10 0-5

Пуццо-

лана

ЦЕМ II/А-П 80-94 6-20 0-5
ЦЕМ II/В-П 65-79 21-35 0-5
Глиеж ЦЕМ II/А-Г 80-94 6-20 0-5
ЦЕМ II/В-Г 65-79 21-35 0-5
Зола-уноса ЦЕМ II/А-З 80-94 6-20 0-5
ЦЕМ II/В-З 65-79 21-35 0-5

Обож.

сланец

ЦЕМ II/А-Сп 80-94 6-20 0-5
ЦЕМ II/В-Сп 65-79 21-5 0-5

Извест-

няк

ЦЕМ II/А-И 80-94 6-20 0-5
ЦЕМ II/В-И 65-79 21-35 0-5
ЦЕМ III

Шлако-

портланд-

цемент

ЦЕМ III/А 35-64 36-65 0-5
ЦЕМ III/В 20-34 66-80 0-5
ЦЕМ III/С 5-19 81-95 0-5
ЦЕМ IV

Пуццо-

лановый

цемент

ЦЕМ IV/А 65-89 11-35 0-5
ЦЕМ IV/В 45-64 36-55 0-5
ЦЕМ V

Компози-

ционный

цемент

ЦЕМ V/А 40-64 18-30 18-30 0-5
ЦЕМ V/В 20-38 31-49 31-49 0-5

Соответствие классов прочности и марок портландцемента по ГОСТам 31108-2016 и 10178-85

Маркировку и свойства цемента в настоящее время регламентируют два действующих ГОСТа, что приводит к некоторой путанице:

  • ГОСТ 31108-2016 – совсем новый, и он приведен в соответствие с европейскими стандартами. Согласно этому нормативу в маркировке применяется буквосочетание ЦЕМ с буквенно-цифровыми обозначениями, которые мы показали в таблице, расположенной выше. Прочность по этому ГОСТу обозначается классами.
  • ГОСТ 10178-85. В соответствии с этим стандартом значение прочности обозначается маркой.

Таблица соответствия марок и классов прочности портландцемента

Класс прочности по ГОСТу 31108-2016 Марка прочности по ГОСТу 10178-85 Выдерживаемое давление
МПа кгс/м3
В 22,5 М300 22,5 300
В 32,5 М400 32,5 400
В42,5 М500 42,5 500
В 52,5 М600 52,5 600

Портландцемент

Сырье для получения портландцемента. В качестве сырья иногда используют природные горные породы — мергели. В них содержатся необходимые для производства портландцементов количества каронатных (75 … 78 %) и глинистых пород (25 … 22 %). В большинстве случаев необходимое сочетание пород получается искусственным путем. В этом случае в качестве карбонатных пород используются известняки, мел, известковые ракушечники; в качестве глинистых — глины, глинистые сланцы, лёссы, доменные шлаки; кроме того, в состав сырьевой смеси вводятся различные корректирующие добавки, например гипс.

Гипс необходим для регулирования сроков схватывания. С увеличением количества гипса увеличиваются (замедляются) сроки схватывания. Однако максимальное количество вводимого гипса регламентируется химическим составом портландцемента.

Производство портландцемента. Производство портландцемента состоит из следующих процессов: добычи сырья и доставки его на завод; подготовки сырья и смеси; обжига смеси — получения клинкера; измельчения клинкера с добавками — получения цемента.

По характеру подготовки сырья и приготовления смеси различают мокрый и сухой способы изготовления цемента. При мокром способе сырье дробят и размалывают без дополнительной подсушки. Весьма часто помол осуществляют с добавлением воды, глину размешивают в специальных емкостях — болтушках. Смесь готовят тщательным перемешиванием жидких молотых смесей в шламбассейнах. В этом случае подготовленная смесь — цементный шлам — содержит до 40 % и более воды.

При сухом способе тонкое измельчение исходного сырья — помол — осуществляют в сухом состоянии. Тщательное смешивание производят в специальных смесителях. В строительстве наиболее распространен мокрый способ, при котором удается достичь хорошей гомогенности сырьевой смеси, что в конечном итоге обусловливает получение цемента с более высокими и стабильными качествами. В связи с созданием оборудования, обеспечивающего хорошую гомогенизацию в смеси тонкомолотых порошков, сухой способ как более экономичный (не требующий теплоты на испарение воды) и, следовательно, перспективный находит все большее применение. В РФ действует несколько крупных цементных комбинатов, работающих по сухому способу.

Обжиг смеси производится во вращающихся печах, представляющих собой металлические цилиндры, обложенные внутри огнеупорной футеровкой. Печь укладывают на специальные катки с небольшим уклоном к поверхности земли, за счет чего по мере вращения сырьевая смесь продвигается по печи от приподнятого конца к опущенному. Длина печи достигает 180 м, а иногда доходит до 250 м, диаметр — до 6 м. По мере продвижения смесь подсушивается, скатывается в шарики и под действием высокой температуры (1450 … 1500 °С) спекается в гранулы размером 5 … 20 мм и более. Затем гранулы охлаждаются сначала в печи, в зоне охлаждения, впоследствии — в специальных устройствах — холодильниках.

Существует и достаточно прогрессивный способ обжига клинкера. В печи силикатный расплав заменен расплавом на основе хлористого кальция. Существенно снижается температура обжига (1100 … 1150 °С), в 3 .. .4 раза облегчается помол, но в цементе появляется минерал — алинит, содержащий алюмохлоридсиликат кальция. Этот цемент быстрее твердеет в начальные сроки.

Остывший клинкер подвергают размолу чаще всего в шаровых мельницах, представляющих собой металлические цилиндры диаметром до 3,5 и длиной до 15 … 20 м, которые выложены изнутри бронированными плитами. Мельницы имеют 2 … 3 камеры, отделенные друг от друга металлическими перегородками с отверстиями для прохождения размалываемого материала.

Размол клинкера и постепенное продвижение размалываемого материала обеспечиваются при вращении за счет наклона мельницы. По выходе из шаровой мельницы портландцемент подают на склад в силосы, где он остывает и выдерживается некоторое время, достаточное для стабилизации. Необходимость выдержки обусловливается тем, что при помоле, особенно если осуществляется помол еще не совсем остывшего клинкера (максимальная температура клинкера, подаваемого в шаровую мельницу, не должна превышать 50 °С), происходит дегидратация вводимого гипса, получаемый при этом цемент будет обладать нестандартными сроками схватывания (ложное
схватывание).

Свойства портландцемента. К основным техническим свойствам портландцемента относятся: истинная плотность, средняя плотность, тонкость помола, сроки схватывания, нормальная густота (водопотребность цемента), равномерность изменения объема цементного теста, прочность затвердевшего цементного раствора. Истинная плотность цемента находится в пределах 3000 … 3200 кг/м3, плотность в рыхлом состоянии — 900 … 1300 кг/м3, в уплотненном (слежавшемся) — 1200 … 1300 кг/м3.

Тонкость помола характеризуется остатком на сите № 08 или удельной поверхностью, проверяемой на специальном приборе ПСХ. Согласно ГОСТ через сито № 08 должно проходить не менее 85 % массы пробы, удельная поверхность при этом (поверхность зерен цемента общей массой 1 г) должна быть 2500 … 3000 см2/г.

Нормальная густота цементного теста (количество воды в % от массы цемента) определяется погружением пестика, укрепляемого на штанге прибора Вика, и колеблется в пределах 21 … 28 %. Она зависит от минералогического состава цемента и тонкости помола. Изучение процесса твердения цемента показало, что в зависимости от вида цемента, сроков и условий твердения он присоединяет воды 15 … 25 % от своей массы. При использовании цемента в растворах и бетонах расходуемое количество воды значительно больше (40 … 70 %), оно, в частности, зависит и от нормальной густоты цементного теста. Излишки воды со временем испаряются, оставляя поры, что ухудшает качество цементного камня, а следовательно, раствора и бетона.

Сроки схватывания проверяют прибором Вика на цементном тесте нормальной густоты. Согласно требованиям ГОСТ начало схватывания должно быть не ранее 45 мин; конец — не позднее 10 ч (нормально — 2 … 3 ч), однако по согласованию с потребителями эти сроки могут существенно отличаться. О равномерности изменения объема цементного теста в процессе твердения судят по характеру трещин на образцах-лепешках, изготовленных по методике, изложенной в ГОСТ.

Если в цементе в результате нарушений технологического процесса при изготовлении окажется много свободных осадков кальция и магния, то процесс их гашения при затворении цемента водой будет протекать замедленно (температура обжига клинкера значительно выше температуры обжига при получении извести-кипелки, процесс гашения которой протекает довольно быстро). Это явление может привести к разрушению уже затвердевшего цементного камня. Для предотвращения подобных явлений при оценке качества цемента и проводят испытание на равномерность изменения объема.

Одним из основных свойств цемента является прочность, которая определяется в положенные сроки испытанием образцов (балочек) размером 40 х 40 х 160 мм первоначально на изгиб, а затем половинок — на сжатие. Балочки готовят из раствора состава 1:3 (1 ч. по массе цемента, 3 ч.- нормального вольского песка) при водоцементном отношении (отношении количества воды к количеству цемента), равном 0,4. Водоцементное отношение в свою очередь проверяется, а при необходимости корректируется по расплаву конуса на встряхивающем столике. Расплыв усеченного конуса из растворной смеси, изготовленного в форме высотой 60 мм и основаниями верхним с внутренним диаметром 70 мм и нижним — 100 мм, после 30 встряхиваний должен быть в пределах 106 … 115 мм. При отсутствии встряхивающего столика испытания проводят на стандартной лабораторной виброплощадке. В этом случае после 20 секунд вибрирования расплыв должен быть (170 ± 5) мм.

Твердение цемента. Твердение портландцемента — сложный физико-химический процесс. При затворении цемента водой основные минералы, растворяясь, гидратируются по уравнениям:

Состав портландцемента — Цемент и бетон

Состав портландцемента

Портландцемент представляет собой смесь извести, кремнезема, глинозема, окиси железа, небольшого количества окиси магния и некоторого количества серного ангидрида, который добавляется после обжига для замедления схватывания готового продукта (цемента). В таблицу не включены второстепенные составляющие или примеси, как-то: окись натрия, окись калия, двуокись титана, сера, часто попадающая в цемент из угля при обжиге, пятиокись фосфора и окись марганца. Окиси натрия и калия обычно называются «щелочами портландцемента», хотя по существу в нем могут присутствовать и другие щелочи.

необходимое качество клинкера в цементном производстве. Там, где эти модули и способы расчета не применяются, в клинкере может оказаться избыток окиси кальция и, как следствие, цемент будет содержать несвязанную известь. Несвязанная или свободная известь, если она присутствует в избыточном количестве, вызывает неравномерность изменения объема цемента, т. е. избыточное расширение затвердевшего цементного теста. С другой стороны, неправильный расчет сырьевой смеси может обусловить и недостаток извести, что также нежелательно, поскольку такой цемент будет обладать низкой прочностью.

Окись кальция, кремнезем, глинозем и окись железа — это главные окислы, содержащиеся в портландцементе. Они составляют в нем обычно 95—96% от общего содержания окислов. Окись магния, которая, по-видимому, не связывается во время обжига, обычно содержится в количестве 2—3%, причем содержание ее ограничивается стандартом в пределах 5%. Второстепенные окислы, как Na20, К20, ТЮ2, составляют обычно в сумме 1%, реже 2%.

Когда цементные сырьевые материалы, содержащие соответствующее количество основных окислов, размалываются до заданной тонкости и нагреваются в п‘ечи до образования жидкой фазы, в них происходят химические реакции, главным образом в твердом состоянии, в результате которых получается продукт, называемый клинкером. Посредством тонкого помола этого клинкера получают портландцемент. Вопрос о конституции (составе) портландцементного клинкера, т. е. о соединениях, образующихся при частичном расплавлении, в течение многих лет оставался спорным.

Совместными усилиями ряда исследователей, как Ле-Шателье, Тёрнебом, Ранкин и Райт, Бэйтс , Браунмиллер и Богг, Суэйзе, удалось достаточно точно установить состав соединений, образующихся в клинкере. Основными из них являются силикаты кальция: трехкальциевый силикат и двухкаль-циевый силикат. Было также установлено, что в клинкере содержится значительное количество трехкальциевого алюмината и еще одно соединение, близкое по составу к четырехкальциевому алюмоферриту и включающее в себя окись железа. Однако, поскольку эти соединения, очевидно, не оказывают значительного влияния на свойства цемента, для практических целей принимают, что в составе клинкера содержится C4AF. Дальнейшие исследования могут привести к изменениям в этой области.

Кальциевые соединения кремнезема, глинозема и железа составляют почти все содержание портландцементного клинкера. Если, как это обычно и бывает, в сырье содержится окись магния, она, по-видимому, не связывается с другими окислами сырьевой смеси. Наоборот, она выкристаллизовывается из твердого раствора при медленном охлаждении и образует кристаллы, которые, как установлено, очень медленно реагируют с водой и таким образом вызывают вредное расширение бетона в поздние сроки твердения. Если же быстро охладить клинкер при соответствующей температуре, окись магния «застывает» в твердом растворе, и в этом случае может не наблюдаться вредного расширения бетона.

Окиси натрия и калия, присутствующие в клинкере в качестве второстепенных составляющих, могут связываться с основными компонентами, но при микроскопическом исследовании их не всегда удается распознать в качестве отдельных фаз. В некоторых клинкерах были обнаружены сульфаты калия. Имеются также указания на существование соединения К20-23Са0- 12Si02. Что касается соединений натрия, то о них пока ничего определенного сказать нельзя. Окислы натрия и калия_— это те вещества портландцемента, которые в растворимой форме взаимодействуют со свободным активным кремнеземом некоторых заполнителей и вызывают избыточное расширение и разрушение бетона. Поэтому содержание этих двух окислов в низкощелочном цементе ограничено пределом в 0,6% (в расчете на Na20) к весу цемента.

В производственной практике указанные выше соединения портландцементного клинкера образуются в зоне обжига враща-. ющейся печи, начиная от температуры примерно 1260 °С, при которой появляется «расплав» или жидкая фаза. Реакции, в результате которых образуются различные соединения, вероятно, заканчиваются в печи при температуре 1425—1480 °С. В этой точке приблизительно 20—30% всего обжигаемого материала превращается в жидкую фазу, состоящую в основном из алюминатных и ферритных соединений. Наличие жидкой фазы значительно облегчает прохождение реакций с остальным нерасплавившимся материалом. Вот почему при расчете минералогического состава портландцемента по методу Богга необходимо сначала подсчитать, какое количество окиси кальция связывается с глиноземом и окисью железа, образуя трехкальциевый алюминат и четырех-кальциевый алюмоферрит.

Следующим по порядку соединением, образующимся в «горячей зоне» печи, является двухкальциевый силикат. При дальнейшем нагревании в присутствии избыточной окиси кальция образовавшийся двухкальциевый силикат присоединяет к себе дополнительную молекулу извести и образует трехкальциевый силикат. Этот процесс превращения двухкальциевого силиката в трехкальциевый продолжается до тех пор, пока имеется избыточная окись кальция. Однако на практике нельзя превратить весь двухкальциевый силикат в трехкальциевый без того, чтобы в клинкере не оставалось избыточной свободной извести. Объясняется это тем, что для полного насыщения двухкальциевого силиката до трехкальциевого пришлось бы держать на очень высоком уровне содержание окиси кальция в сырьевой смеси.

Как уже указывалось выше, фирма Лоун Стар применяла до 1929 г. в целях получения цемента с повышенным содержанием трехкальциевого силиката и без избытка свободной извести двукратный обжиг, заключавшийся в том, что нормальный клинкер измалывался и вторично обжигался с добавочным количеством известняка. После 1929 г. фирма применяла в этих же целях повторный обжиг клинкера без добавки известняка. Однако расходы на двукратный обжиг оказались слишком высокими, даже при производстве быстротвердеющего цемента, и с 1937 г. этот способ производства больше не применялся.

Способ охлаждения клинкера влияет на свойства образующихся соединений. Например, двухкальциевый силикат при нормальном охлаждении кристаллизуется в так называемой (З-форме, а при очень медленном охлаждении переходит в Т-форму; последняя неустойчива, распадается в порошок и не представляет ценности как вяжущий материал, так как медленно гидратируется и не участвует в нарастании прочности цемента.

Если принять, что в четверной системе СаО—Si02—А1203— Fe203 существует равновесие фаз, то можно рассчитать количественное содержание каждого соединения, образующегося в портландцементном клинкере, на основе данных химического анализа. Например, каждый процент Fe203 связывается с 0,64% А1203 и 1,4% СаО, образуя 3,04 C4AF. Отношения А1203 к Fe203 (0,64) и 4СаО к Fe203 (1,4) установлены по молекулярным весам этих окислов в конечном соединении — C4AF.

В портландцементном клинкере обычного состава не весь глинозем расходуется на образование четырехкальциевого алюмо-феррита, так как для этого не хватает окиси железа. В исключительных случаях, как, например, при производстве некоторых медленно схватывающихся тампонажных цементов, возможно наличие избытка окиси железа, достаточного (согласно методу расчета, предложенному Боггом), не только на перевод всего глинозема в четырехкальциевый алюмоферрит, но и на образование двухкаль-циевого феррита — C2F. Однако Суэйзе утверждает, что в действительности C2F не образуется, а вместо этого появляется железосодержащая фаза с отношением A/F ниже, чем у C4AF. У цементов, приближающихся по составу к одному из пяти стандартных типов портландцемента, после образования железосодержащего соединения — четырехкальциевого алюмоферрита еще остается некоторое количество глинозема, которое соединяется с окисью кальция (3 молекулы СаО на 1 молекулу А1203), образуя трех-кальциевый алюминат. В этой реакции 1 % (по весу) А1203 связывается с 1,65% СаО и в результате образуется 2,65% ЗСаО-А120з.

Окись кальция, израсходованную на образование C4AF и С3А, нужно, очевидно, вычесть из общего количества СаО в клинкере, чтобы установить количество, оставшееся на соединение с кремнеземом для образования двух- и трехкальциевого силикатов. Затем, поскольку в практике заводского обжига вся окись кальция из сырьевой смеси никогда не связывается и остается еще некоторое количество свободной извести, его также надо вычесть из общего содержания СаО, чтобы получить фактическое количество ее, способное образовать C2S и C3S. После этого пересчитывают общее количество кремнезема на 2Ca0’Si02. Каждый процент кремнезема связывается с 1,87% окиси кальция, так что образуется 2,87% двухкальциевого силиката. Связавшееся таким образом количество СаО вычитают из общего количества ее, которое оставалось для образования силикатов кальция. Получившийся остаток СаО идет на образование трехкальциевого силиката. Каждый процент этого остатка СаО связывается с 3,07% двухкальциевого силиката, образуя 4,07% 3Ca0-Si02. Количество C2S, перешедшего в C3S, вычитается из общего расчетного количества C2S, а остаток представляет собой фактическое содержание C2S в клинкере.

В тех случаях, когда этот расчет производится на основе результатов химического анализа не клинкера, а готового продукта, следует иметь в виду, что в нем содержится некоторое количество S03 или гипса, который обычно добавляется при размоле клинкера для регулирования сроков схватывания. Без этого замедлителя бетон схватывался бы слишком быстро, что ухудшило бы его удобоукладываемость и понизило бы его прочность, особенно в первые сроки твердения. Некоторая часть окиси кальция, обнаруживаемая в цементе при химическом анализе, попала в него в виде гипса CaSCV2h30 и, таким образом, не могла участвовать в образовании соединений при обжиге. Поэтому ее также нужно вычесть из общего количества извести. Процент извести, присутствующей в виде CaS04, можно рассчитать по известному содержанию S03 на основе следующего молекулярного отношения: для образования CaS04 1% S03 соединяется с 0,70% СаО.

Примерный расчет минералогического состава приводится в приложении к настоящей главе. Этот расчет значительно упрощается, если применить номограмму, подобную изображенной на рис. 1. Можно пользоваться для этой цели и специальной счетной линейкой.

Значение расчета главных соединений цемента заключается в том, что существует прямая связь между их содержанием и различными свойствами цемента и бетона. Трехкальциевый силикат является основным носителем прочности, причем это особенно проявляется в ранние сроки созревания бетона вплоть до 28 суток. В более поздние сроки — до 1 года и позднее—все более важную роль в твердении бетона играет двухкальциевый силикат.

Трехкальциевый алюминат также участвует в нарастании прочности цемента и бетона, особенно в течение первых суток твердения, что иногда с успехом используется при выпуске быстротвердеющего портландцемента. Однако роль трехкальциевого алюмината при производстве быстротвердеющего цемента иногда переоценивается, поскольку высокую раннюю прочность можно получить и другими способами при нормальном содержании С3А. Полученная этим путем высокая начальная прочность сопровождается относительно медленным ростом прочности от 1 к 3 суткам твердения, что характерно также для быстротвердеющих цементов с повышенным содержанием C3S и S03. Что касается C4AF, то он лишь в малой степени или вовсе не участвует в нарастании прочности цемента.

При схватывании и твердении портландцемента в течение примерно шести месяцев выделяется значительное количество тепла. Это обстоятельство имеет большое значение для массивных бетонных сооружений, поскольку создающаяся разность температур внутри массива и снаружи его может вызвать чрезмерные объемные деформации при охлаждении и, как следствие, образование трещин. Главным фактором, определяющим степень тепловыделения, считается состав цемента, хотя известную роль здесь играет также его удельная поверхность, т. е. тонкость помола.

Установлено, что самую большую роль в тепловыделении играет СзА. К 3 суткам твердения С3А, по данным многих исследователей, выделяет на каждый процент своего количества от 1,8 до 2,4 калорий на грамм цемента. Вторым по степени тепловыделения идет трехкальциевый силикат, который дает к 3 суткам твердения на каждый грамм своего содержания 1 калорию на грамм цемента. Двухкальциевый силикат и четырехкальциевый алюмоферрит выделяют почти одинаковое, количество тепла — от 0,25 до 0,40 кал/г на каждый процент своего содержания к 3 суткам твердения. Поскольку С3А ухудшает сульфатостойкость бетона и. лишь в малой степени участвует в росте прочности, содержание его в умеренном или низкотермичном цементе стараются снизить до минимума. В низкотермичном цементе ограничивают также содержание трехкальциевого силиката, хотя это и приводит к заметному ухудшению прочности.

Рис. 1. Номогсамма для расчета минералогического состава портландцемента

Сроки схватывания цемента и бетона также зависят от минералогического состава. Кристаллический С3А без замедлителя вызывает схватывание цементного теста в течение нескольких минут. Такое быстрое схватывание, обычно называемое «ложным», можно предотвратить путем добавки определенного количества шпса, CaS04’2h30, в качестве замедлителя. Кроме того, оно вообще может не наступить, если цемент изготовлен из быстроохлажденного клинкера, в котором трехкальциевый алюминат успевает выкристаллизоваться лишь частично или вовсе не кристаллизуется.

В этих условиях, когда действие трехкальциевого алюмината соответствующим образом заторможено, сроки схватывания цемента зависят уже от трехкальциевого силиката. Этот минерал, очевидно, оказывает некоторое замедляющее действие: как было установлено, цементы с высоким содержанием C3S и С3А обладают несколько удлиненными сроками начала и конца схватывания. Двухкальциевый силикат, который медленно гидратируется, не оказывает заметного влияния на сроки схватывания цемента.

Сведения о стекловидной фазе нужны для того, чтобы правильно рассчитать минералогический состав клинкера, как указывают Ли и Паркер в своей работе «Четверная система СаО—SiC>2—А120з—Fe203 применительно к технологии цемента».Fj, причем величина х колеблется от 0 до 2, величина у — от 1 до 3, а сумма х + у равна 3. В условиях полной кристаллизации, принимаемой в расчетах по методу Богга, и при отношении А1г0з/Ре20з=1,6 и выше железосодержащей фазой является СбА2Р. При глиноземном модуле, равном 0,85, или при меньшей величине и в отсутствии свободной СаО образуется соединение с общей формулой CsktFy, причем СзА полностью отсутствует. Суэйзе считает, что расчет минералогического состава при величине глиноземного модуля от 0,84 до 1,6 пока невозможен.

Очевидно, что открытие этого ряда железосодержащих соединений, если оно подтвердится, должно изменить результаты расчета, полученные по методу Богга.

Работа Ли и Паркера, если подходить к ней с точки зрения повседневной практики обжига и последующего размола клинкера в промышленных мельницах, подтверждает полезность предложенного Боггом метода расчета минералогического состава, основанного на данных химического анализа и дающего возможность контролировать состав сырьевой смеси. Этот метод очень удобен для химика в его повседневной работе.

Читать далее:
Обработка шлака и легких заполнителей
Однородность заполнителей для бетона
Установка для обработки породы
Разработка месторождений заполнителей
Испытание отобранных проб заполнителей
Отбор проб
Разведка заполнителей
Поисковые работы
Легкие заполнители
Реакция между щелочами и заполнителями в бетоне


Химико-минералогический состав портландцемента | Справочник

Сырьевые материалы, используемые для производства портландцемента, состоят в основном из окиси кальция, кремнезема, глинозема и окиси железа. В печи эти окислы химически взаимодействуют друг с другом с образованием ряда более сложных соединений, при этом достигается химическое равновесие. Обычно остается лишь небольшое количество химически не связанной окиси кальция. Однако во время охлаждения клинкера равновесие не сохраняется и в зависимости от скорости охлаждения изменяется степень кристаллизации минералов клинкера и количество аморфного вещества. Вещества одного и того же химического состава в аморфном, стеклообразном и кристаллическом состоянии значительно различаются по своим свойствам. Взаимодействие жидкой фазы клинкера с вновь образованными кристаллическими соединениями усложняет структуру клинкера.

Тем не менее цемент можно рассматривать как систему, находящуюся в равновесии, вследствие «замораживания» расплава в состоянии, существовавшем при температуре клинкерообразования. В действительности это предположение делается на основе расчета состава товарных цементов; расчетный состав определяется по известному содержанию окислов в клинкере исходя из предположения о полной кристаллизации соединений в состоянии равновесия.

В действительности силикаты в цементе не являются чистыми фазами, так как содержат небольшое количество окислов в виде твердых растворов. Эти окислы оказывают значительное влияние на расположение атомов, форму кристаллов и гидравлические свойства силикатов.

Кроме основных минералов, таких как мрамор, указанных в табл. 1.1 , в цементном клинкере содержатся в небольшом количестве MgO, ТЮ2, Мп2Оз, К2О и ЫагО. Они обычно составляют не более нескольких процентов от веса цемента. Особый интерес представляют окислы натрия и калия. В дальнейшем мы их называем щелочами. Установлено, что они химически взаимодействуют с некоторыми заполнителями и продукты этих реакций вызывают разрушение бетона (см. главу 7). Щелочи влияют на скорость роста прочности цемента. Содержание щелочей и Мп2Оз можно быстро определить с помощью спектрофотометра.

Минералогическая структура цемента установлен в результате изучения фазового равновесия тройных систем С—А—S и С—А—F, четверной системы С — C2S — C5A3 —C4AF и др. Были исследованы кривые плавления или кристаллизации и вычислены составы жидких и твердых фаз при любой температуре. Фактический состав клинкера в дополнение к методам химического анализа может быть исследован с помощью микроскопа путем измерения коэффициента преломления соединений в виде порошка. Содержание минералов-силикатов может быть определено с помощью микрометра Шэндс при исследовании прозрачных шлифов (аналогично применяемому в петрографическом анализе) в проходящем свете. Полированные и травленые шлифы также могут быть исследованы как в отраженном, так и в проходящем свете. Рентгеновская дифракция порошкообразного вещества может быть использована с целью обнаружения кристаллических фаз, а также для исследования их кристаллической структуры. Находит применение также электронный микроскоп, который дает большое увеличение и обладает значительно большей разрешающей способностью, чем световой

C3S, содержание которого обычно наибольшее, встречается в виде небольших равноразмерных неокрашенных зерен. В процессе охлаждения при температурах ниже 1250° С C3S медленно распадается, но если охлаждение идет достаточно быстро, C3S сохраняется без изменения и является сравнительно устойчивым при обычных температурах.

Известно, что C2S имеет три или даже четыре модификации. a -C2S, которая существует при высоких температурах, переходит при температуре 1456° С в |3-модификацию. |3 -C2S претерпевает дальнейшее превращение в у -C2S при 675° С, но при скорости охлаждения цементов, имеющей место в производственных условиях, в клинкере сохраняется P-C2S в виде зерен округлой формы, обычно показывающих двойникование кристаллов.

С3А образует прямоугольные кристаллы, но в застеклованном состоянии это аморфное промежуточное вещество. C4AF представляет собой твердый раствор ряда соединений от C2F до СбА2Р; принятая формула C4AF является условной, отражающей средний состав этой фазы.

Различные типы цементов в значительной степени отличаются по своему химико-минералогическому составу, который обусловливается соотношением сырьевых материалов. Одно время в США была предпринята попытка контролировать свойства цементов различного назначения установлением предельных количеств четырех основных клинкерных минералов, определенных расчетом по химическому анализу. Этот способ исключил бы многочисленные физические испытания, но, к сожалению, расчетный минералогический состав не является достаточно точным и не учитывает все необходимые свойства цемента и, следовательно, не может заменить непосредственных определений требуемых свойств.

Примерный химические составляющие портландцемента в % следующий: СаО—60—67; SiO2—17—25; А12О3—3—8; Fe2O3—0,5—6; MgO-0,1-4; щелочей —0,4—1,3; SO3—1—3.

Нерастворимый остаток определяют путем обработки цемента соляной кислотой; он характеризует количество примесей в цементе, попадающих главным образом в составе гипсового камня. BS 12:1958 допускает величину нерастворимого остатка не более 1,5% веса цемента. Потеря в весе при прокаливании характеризует степень карбонизации и гидратации свободных окислов кальция и магния в результате атмосферных воздействий на * цемент. Максимальная потеря при прокаливании (при 1000° С), допускаемая BS 12:1958, составляет для цементов, используемых в условиях умеренного климата, 3% и для цементов, применяемых в тропических условиях, 4%. Так как гидратированная свободная известь безвредна, то для определенного содержания свободной извести в цементе повышенная потеря веса при прокаливании в действительности является полезной.

Важно отметить, что минералогическая структура цемента может изменяться в значительной степени даже при сравнительно небольших колебаниях химического состава цемента. В табл. 1.3, по данным Чернина, в графе 1 приводится химический состав типичного быстротвердеющего цемента. Если содержание окиси кальция снижается на 3% при соответствующем увеличении содержания остальных окислов (графа 2), соотношение C3S : C2S значительно изменяется. Химическая структура цемента, приведенный в графе 3, отличается по содержанию глинозема и окиси железа на 1,5% от состава цемента, указанного в графе 1, при этом содержание окислов кальция и кремния остается прежним. Тем не менее данное изменение существенно влияет на соотношение между силикатами C3S : C2S, а также на содержание С3А и C4AF.

Несомненно, что контролю химического состава цемента придается особое значение. У типичных обычных и быстротвердеющих портландцементов общая сумма содержания двух силикатов меняется незначительно, в узких пределах, поэтому различия в составе в большой степени зависят от соотношения между СаО и SiCb в сырьевых материалах.

Химико минералогический состав портландцемента — Строительный журнал

Минералогический состав портландцемента

Применяемые для производства портландцементного клинкера сырьевые материалы обеспечивают преобладание в нем высокоосновных силикатов кальция. Помимо этого, при взаимодействии с оксидами Al2O3 и Fe2O3 образуются отдельные группы минералов. Каждый из клинкерных минералов имеет свои специфические свойства.

Трехкальциевый силикат (алит) характеризуется химической формулой 3CaO·SiO2 (сокращенная запись C3S). Содержание его в портландцементе составляет 40–65 %. Являясь химически активным минералом, оказывает решающее влияние на скорость твердения цемента. Алит быстро набирает прочность, образуя довольно плотный продукт гидратации. При взаимодействии с водой выделяет большое количество тепла.

Двухкальциевый силикат (белит) имеет химическую формулу 2CaO·SiO2 (сокращенно C2S). По химической активности заметно уступает алиту. Продукт твердения белита, затворенного водой, в ранние сроки твердения имеет невысокую прочность, при этом выделяется очень мало тепла, однако в дальнейшем, при благоприятных условиях, в течение нескольких лет способен увеличивать прочность. Белита в портландцементе может содержаться от 15 до 40 %.

Трехкальциевый алюминат как химическое соединение выражается формулой 3CaO·Al2O33А). Имеет наибольшую химическую активность среди основных минералов портландцементного клинкера. Процесс его гидратации завершается в первые сутки твердения, при этом выделяется наибольшее количество теплоты. Однако продукт твердения трехкальциевого алюмината имеет низкую долговечность. Содержание в портландцементе С3А колеблется от 2 до 15 %.

Четырехкальциевый алюмоферрит (целит) принят в качестве клинкерного минерала как среднее значение содержащихся в портландцементном клинкере алюмоферритов кальция переменного состава. Химический состав выражается формулой 4CaO·Al2O3·Fe2O34АF). По химической активности занимает среднее положение между С3А и алитом. Продукт гидратации имеет прочность меньшую, чем у алита. В портландцементе С4АF может быть от 10 до 20 %.

В зависимости от минералогического состава различают следующие виды портландцемента:

алитовый: содержание C3S более 60 %, а соотношение C3S:C2S более 4;

белитовый: содержание C2S превышает 38 % при отношении C3S:C2S менее 1;

алюминатный, содержащий С3А больше 15 %;

алюмоферритный (целитовый), в котором С4АF содержится более 18 %.

Твердение портландцемента

Твердение портландцемента есть процесс превращения цементного теста (смеси портландцемента с водой) в цементный камень с образованием новых гидратных соединений.

При затворении портландцемента водой в начальный период происходит растворение клинкерных минералов с поверхности зерен цемента до образования насыщенного раствора. Растворение клинкерных минералов прекращается, взаимодействие с водой продолжается путем протекания реакций гидратации (присоединения воды к минералам клинкера) и гидролиза (разложение минералов на другие соединения под действием воды).

Второй период твердения – коллоидация – сопровождается прямой гидратацией клинкерных минералов в твердом состоянии без предварительного их растворения. Период коллоидации сопровождается повышением вязкости цементного теста, характеризующим процесс схватывания портландцемента.

В течение третьего периода протекают процессы перекристаллизации мельчайших коллоидных частиц новообразований. Результатом является рост крупных кристаллов, что обеспечивает твердение и увеличение прочности образовавшегося цементного камня.

Процессы, происходящие при взаимодействии клинкерных минералов с водой, характеризуются следующими уравнениями:

– гидролиз трехкальциевого силиката:

– гидратация двухкальциевого силиката:

– гидратация трехкальциевого алюмината:

– гидролиз четырехкальциевого алюмоферрита:

Имеющийся в портландцементе гипс вступает в реакцию с образующимся трехкальциевым гидроалюминатом:

Кристаллизующийся с присоединением большого количества воды труднорастворимый гидросульфоалюминат кальция имеет название «эттрингит».

При твердении портландцемента на воздухе происходит также процесс карбонизации:

Карбонизация происходит с поверхности цементного камня; образующийся труднорастворимый карбонат кальция заполняет собой поры, уплотняя структуру и создавая малопроницаемую пленку.

Все описанные процессы протекают одновременно, оказывая влияние друг на друга. В результате формируется структура цементного камня; он набирает прочность и приобретает прочие эксплуатационные параметры. Структурообразующие процессы интенсивно продолжаются первые 3–7 суток, в дальнейшем они замедляются, однако при эксплуатации во влажных условиях продолжаются в течение еще многих лет.

Портландцемент. Минералогический состав

Для приготовления бетона в строительных конструкциях наиболее широко используют неорганические вяжущие вещества. Эти вещества при смешивании с водой под влиянием внутренних физико-химических процессов способны схватываться (переходить из жидкого или тестообразного состояния в камневидное) и твердеть (постепенно увеличивать свою прочность). Наиболее широкое применение в производстве бетона получил портландцемент. Портландцемент – гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде или на воздухе. Он представляет собой порошок серого цвета, получаемый тонким помолом клинкера с добавкой гипса. Клинкер – обожженная до спекания смесь, в которой преобладают силикаты кальция. Для получения цемента высокого качества необходимо, чтобы его химический состав, а, следовательно, и состав сырьевой смеси были устойчивы. При помоле к цементному клинкеру можно добавлять до 20 % гранулированных доменных шлаков или активных минеральных добавок.

В результате обжига при 1450С образуются следующие основные клинкерные минералы:

  • Алит, трех кальциевый силикат – состава 3CaO*SiO2 или C3S . Основной минерал, оказывающий влияние на качество цемента. Алит обладает свойствами быстротвердеющего гидравлического вещества высокой прочности. Цементы высоких марок и быстротвердеющие цементы изготавливают с повышенным содержанием трехкальциевого силиката. Содержание в цементе – 37-60%.
  • Белит, двух кальциевый силикат – состава 2СаО*SiO2 или C2S. Медленнотвердеющее гидравлическое вяжущее средней прочности. Цементы с повышенным содержанием белита медленно твердеют, однако прочность их нарастает в течение длительного времени и в возрасте нескольких лет, может оказаться достаточно высокой. Содержание в цементе – 15-37%.
  • Трех кальциевый алюминат – состава 3СаО*Al2O 3 или С3А. Минерал-плавень, главная задача которого понижение температуры спекания сырьевой смеси. Твердеет быстро, но имеет низкую прочность. Содержание в цементе – 5-15%.
  • Четырех кальциевый алюмоферрит – состава 4CaO*Al2O3*Fe2O3 или С4AF. Минерал-плавень. Твердеет быстрее силикатов, но медленнее алюмината. Содержание в цементе – 10-18%.

2. Прочность. Активность. Марка.

Основным свойством, характеризующим качество любого цемента, является его прочность (марка). Марка цемента определяется испытанием стандартных образцов — палочек размером 4*4*16 см, приготовленных из раствора цемента и стандартного вольского песка, с последующим твердением в течение 28 суток во влажных условиях. Испытания проводятся на изгиб и сжатие. Прочность контрольных образцов на сжатие, выраженная в кгс/см2, является маркой цемента. В строительстве применяют цементы марок 400, 500, 600. Действительную прочность цемента называют его активностью. Т.е. если контрольные образцы показали прочность при сжатии 44МПа, то активность этого цемента будет 44 МПа (? 440 кгс/см2), а марка – 400. При проектировании состава бетона лучше использовать активность цемента, так как это обеспечивает более точные результаты и экономию цемента. Помимо прочности к цементам предъявляются и другие требования, важными из которых являются нормальная густота и сроки схватывания.

3. Физико-механические свойства цемента.

Нормальной густотой называют то содержание воды (в %), которое необходимо добавить к цементу, чтобы получить определенную консистенцию цементного теста. Обычно эта величина равна, 22-27% и увеличивается при введении в цемент при помоле тонкомолотых добавок, обладающих большой водопотребностью (трепел, опока и др.). Нормальная густота в известной мере определяет, реологические свойства цементного теста и тем самым влияет на подвижность бетонной смеси. Чем меньше нормальная густота цемента, тем меньше водопотребность бетонной смеси, необходимая для достижения определенной подвижности (жесткости) смеси. Сокращение расхода воды, в свою очередь, приводит к уменьшению расхода цемента (при заданном В/Ц). В бетонах желательно применять цементы с пониженной нормальной густотой.

Сроки схватывания цемента, определяемые на специальном приборе по глубине проникания иглы в цементное тесто, характеризуют начало и конец процесса превращения материала в твердое тело. По стандарту требуется, чтобы начало схватывания при температуре 20С наступало не ранее, чем через 45 мин, а конец завершался не позднее 10 ч. с момента затворения цемента водой. На практике начало схватывания наступает через 1-2 ч, а конец – через 5-8 ч. Эти сроки обеспечивают производство бетонных работ, т.к. дают возможность транспортировать и укладывать бетонные смеси и растворы до их схватывания. Сроки схватывания можно регулировать путем добавления в бетонную смесь при ее приготовлении различных химических добавок.

Портландцемент имеет, как правило, тонкий помол: через сито N008 (около 4900 отверстий на 1кв.см. с размером ячеек в свету 0.08*0.08 мм) должно проходить не менее 85 % общей массы цемента. Средний размер частиц цемента составляет 15-20 мкм.

Истинная плотность портландцемента без добавки составляет 3,05-3,15 г/см3. Плотность портландцемента при расчете состава бетона условно принимают в уплотненном состоянии 1,3 кг/м3.

Схватывание и твердение цемента – экзотермические процессы. Практически 1 кг цемента М400 выделяет в бетоне за 7 суток с момента затворения цемента водой не менее 210 кДж. Для цемента М500 эта цифра составляет порядка 250 кДж. Тепловыделение зависит от минералогического состава цементного клинкера, типа введенных добавок и тонкости помола. Из клинкерных минералов наибольшим тепловыделением обладают трех кальциевый алюминат и трех кальциевый силикат. Основное тепло выделяется в течение первых 3-7 суток твердения цемента.

Перевозят и хранят цемент так, чтобы предохранить его от увлажнения, распыления и других потерь. Обычный цемент при нормальных условиях хранения через 3 мес. теряет 20% прочности, через 6 мес. – 30%, через год –40%. При использовании в производстве лежалого цемента время перемешивания бетонной смеси увеличивают в 2-4 раза, вводят добавки- ускорители твердения или применяют активацию цемента.

4. Виды цемента.

Основу большинства цементов составляет портландцементный клинкер. Нормируя его минералогический состав и вводя минеральные или органические добавки, получают различные цементы, несколько отличающиеся по свойствам и применяемые в разных областях строительства.

• Без добавочным портландцементом (ПЦ) называют цемент, не содержащий в своем составе минеральных добавок, кроме гипса.

Обозначение по ГОСТ 10178-85 — ПЦ-500-Д0, где

500 – марка цемента.

Д0 – добавок 0% (без добавочный).

• Портландцемент с минеральными добавками. Содержит в своем составе до 20% гранулированного доменного шлака, до 10% природных активных минеральных добавок (трепела, опоки и др.), до 15% прочих активных минеральных добавок.

Обозначения по ГОСТ 10178-85 — ПЦ-500-Д5 или ПЦ-400-Д20, где Д5(Д20) – максимальное содержание добавок в цементе.

• Шлакопортландцемент. Содержит в своем составе от 20 до 80% гранулированного доменного шлака. Отличается от ПЦ более медленным схватыванием (начало 4-6 ч, конец 10-12 ч) и твердением в первые 7-10 суток. При тепло-влажностной обработке (ТВО) твердение шлакопортландцемента ускоряется в большей степени, чем у обычного ПЦ, что обусловливает его высокую эффективность в производстве сборного железобетона.

Обозначение по ГОСТ 10178-85 — ШПЦ -400

• Быстротвердеющий портландцемент. Разновидность ПЦ с добавками. Через 3 суток твердения прочность на сжатие этого цемента не менее 25 МПа, марки 400, 500. Требования к минералогическому составу: С3S>50%, (C3S+C3A)>60%. Тонкость помола (удельная поверхность не менее 3500 см2/г).

• Сульфатостойкие портландцемент и шлакопортланцемент выпускают, нормируя минералогический состав, в котором ограничивается содержание менее стойких к сульфатной агрессии минералов. Этот цемент содержит до 50% С3S, 5% C3A, 10..22% (C3A+C4AF). Для получения сульфатостойкого портландцемента с добавкой при помоле к цементу добавляют до 20% гранулированного доменного шлака. Добавка связывает выделяющийся при гидратации С3А гидрат окиси кальция, что способствует повышению сульфатостойкости цемента, в этом случае содержание С3А ограничивают 8%. Сульфатостойкие цементы предназначены для бетонных и железобетонных конструкций, эксплуатируемых в условиях переменного уровня воды, а также сооружений, которые подвергаются агрессивному воздействию сульфатных вод при одновременном многократном замерзании и оттаивании или многократном увлажнении и высыхании.

Завод-изготовитель гарантирует соответствие цемента требованиям ГОСТа в момент получения цемента, но не более чем через месяц после отгрузки. В паспорте помимо вида и марки цемента

и названия завода-изготовителя указывается нормальная густота цементного теста и средняя активность цемента при пропаривании по режиму 2+3+6+4 ч, при температуре изотермического прогрева 85°С и испытании через сутки с момента изготовления.

Специальные виды цемента.

• Белый портландцемент получают помолом маложелезистого отбеленного клинкера, приготовленного по специальной технологии, предотвращающей его загрязнение, с необходимым количеством гипса и небольшой добавкой диатомита. По степени белизны белый цемент подразделяют на три сорта: высший, БЦ-1, БЦ-2. Коэффициенты яркости соответственно 80, 76, 72 %. За 100% принят коэффициент яркости сернокислого бария.

• Цветные портландцементы получают совместным помолом белого клинкера, гипса и пигмента. Содержание минерального синтетического или природного пигмента не должно превышать 15%,а органического пигмента – 0,3% от массы цемента. Белый и цветные цементы предназначены для получения цветных бетонов, архитектурных деталей, облицовочных плит, проведения отделочных работ.

• Напрягающий цемент получают совместным помолом портландцементного клинкера и напрягающего компонента, который включает в себя глиноземистый шлак или другие алюмосодержащие вещества, гипс и известь. Он обладает способностью значительно расширяться в объеме(до 4%) после достижения цементным камнем сравнительно большой прочности 15-20 МПа, что позволяет применять этот цемент для изготовления самонапряженного железобетона, в котором арматура получает предварительное напряжение вследствие расширения бетона. Напрягающий цемент и бетоны на его основе обладают высокими прочностью, водо и газонепроницаемостью.

Его целесообразно применять для изготовления самонапряженных железобетонных труб, покрытий дорог и аэродромов, тоннелей и других подобных конструкций. При этом следует учитывать

быстрое схватывание такого цемента (начало 2 мин, конец – 6 мин), а также необходимость применения специальных режимов твердения, обеспечивающих расширение цемента лишь после достижения бетоном прочности, необходимой для заанкеривания арматуры.

• Расширяющиеся или безусадочные цементы применяют для приготовления водонепроницаемых бетонов. Особенностью этих цементов является наличие составляющих, увеличивающихся в объеме в результате физико-химических процессов, происходящих при твердении цемента.

• Кислотоупорный цемент применяют для изготовления кислотостойких или жаростойких бетонов.

Этот цемент состоит из тщательно перемешанного молотого кварцевого песка и кремнефтористого натрия, его затворяют на жидком стекле (Na2O(K2O)*nSiO2 ). Для получения необходимой консистенции жидкое стекло разбавляют водой.

Химико минералогический состав портландцемента

Сэндвич-панели производство и продажа

  • Контакты:
  • Москва
  • Воронеж
  • Ростов-на-Дону
  • Челябинск
  • Нижний Новгород
  • Производство

Портландцемент

Портландцемент и его разновидности являются основным вяжущим материалом в современном строительстве. Портландцемент представляет собой порошкообразное гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе, состоящее главным образом из силикатов кальция. Получают портландцемент тонким измельчением клинкера с гипсом (3 . 7 %), допускается введение в смесь активных минеральных добавок (10 . 15 %). Клинкер — продукт обжига (до полного спекания) искусственной сырьевой смеси, состоящей приблизительно из 75 % карбоната кальция (обычно известняка) и 25 % глины. Основные свойства портландцемента обусловливаются составом клинкера.

Химический состав портландцемента. Портландцемент характеризуется довольно постоянным химическим составом. Содержание основных составляющих окислов в нем колеблется в сравнительно небольших пределах, %: СаО (64 . 67), SiО 2 (19 . 24), А l 2 О 3 (4 . 7), Fе 2 О 3 (2 . 6), MgO (не более 5), SО 3 (не менее 1,5 и не более З,5).

Минералогический состав портландцемента. В процессе обжига сырьевой смеси перечисленные окислы вступают в химическое взаимодействие:


Минералогический состав портландцемента

Сырье для получения портландцемента. В качестве сырья иногда используют природные горные породы — мергели. В них содержатся необходимые для производства портландцементов количества каронатных (75 . 78 %) и глинистых пород (25 . 22 %). В большинстве случаев необходимое сочетание пород получается искусственным путем. В этом случае в качестве карбонатных пород используются известняки, мел, известковые ракушечники; в качестве глинистых — глины, глинистые сланцы, лёссы, доменные шлаки; кроме того, в состав сырьевой смеси вводятся различные корректирующие добавки, например гипс.

Гипс необходим для регулирования сроков схватывания. С увеличением количества гипса увеличиваются (замедляются) сроки схватывания. Однако максимальное количество вводимого гипса регламентируется химическим составом портландцемента.

Производство портландцемента. Производство портландцемента состоит из следующих процессов: добычи сырья и доставки его на завод; подготовки сырья и смеси; обжига смеси — получения клинкера; измельчения клинкера с добавками — получения цемента.

По характеру подготовки сырья и приготовления смеси различают мокрый и сухой способы изготовления цемента. При мокром способе сырье дробят и размалывают без дополнительной подсушки. Весьма часто помол осуществляют с добавлением воды, глину размешивают в специальных емкостях — болтушках. Смесь готовят тщательным перемешиванием жидких молотых смесей в шламбассейнах. В этом случае подготовленная смесь — цементный шлам — содержит до 40 % и более воды.

При сухом способе тонкое измельчение исходного сырья — помол — осуществляют в сухом состоянии. Тщательное смешивание производят в специальных смесителях. В строительстве наиболее распространен мокрый способ, при котором удается достичь хорошей гомогенности сырьевой смеси, что в конечном итоге обусловливает получение цемента с более высокими и стабильными качествами. В связи с созданием оборудования, обеспечивающего хорошую гомогенизацию в смеси тонкомолотых порошков, сухой способ как более экономичный (не требующий теплоты на испарение воды) и, следовательно, перспективный находит все большее применение. В РФ действует несколько крупных цементных комбинатов, работающих по сухому способу.

Обжиг смеси производится во вращающихся печах, представляющих собой металлические цилиндры, обложенные внутри огнеупорной футеровкой. Печь укладывают на специальные катки с небольшим уклоном к поверхности земли, за счет чего по мере вращения сырьевая смесь продвигается по печи от приподнятого конца к опущенному. Длина печи достигает 180 м, а иногда доходит до 250 м, диаметр — до 6 м. По мере продвижения смесь подсушивается, скатывается в шарики и под действием высокой температуры (1450 . 1500 ° С) спекается в гранулы размером 5 . 20 мм и более. Затем гранулы охлаждаются сначала в печи, в зоне охлаждения, впоследствии — в специальных устройствах — холодильниках.

Существует и достаточно прогрессивный способ обжига клинкера. В печи силикатный расплав заменен расплавом на основе хлористого кальция. Существенно снижается температура обжига (1100 . 1150 ° С), в 3 .. .4 раза облегчается помол, но в цементе появляется минерал — алинит, содержащий алюмохлоридсиликат кальция. Этот цемент быстрее твердеет в начальные сроки.

Остывший клинкер подвергают размолу чаще всего в шаровых мельницах, представляющих собой металлические цилиндры диаметром до 3,5 и длиной до 15 . 20 м, которые выложены изнутри бронированными плитами. Мельницы имеют 2 . 3 камеры, отделенные друг от друга металлическими перегородками с отверстиями для прохождения размалываемого материала.

Размол клинкера и постепенное продвижение размалываемого материала обеспечиваются при вращении за счет наклона мельницы. По выходе из шаровой мельницы портландцемент подают на склад в силосы, где он остывает и выдерживается некоторое время, достаточное для стабилизации. Необходимость выдержки обусловливается тем, что при помоле, особенно если осуществляется помол еще не совсем остывшего клинкера (максимальная температура клинкера, подаваемого в шаровую мельницу, не должна превышать 50 ° С), происходит дегидратация вводимого гипса, получаемый при этом цемент будет обладать нестандартными сроками схватывания (ложное
схватывание).

Свойства портландцемента. К основным техническим свойствам портландцемента относятся: истинная плотность, средняя плотность, тонкость помола, сроки схватывания, нормальная густота (водопотребность цемента), равномерность изменения объема цементного теста, прочность затвердевшего цементного раствора. Истинная плотность цемента находится в пределах 3000 . 3200 кг/м3, плотность в рыхлом состоянии — 900 . 1300 кг/м3, в уплотненном (слежавшемся) — 1200 . 1300 кг/м3.

Тонкость помола характеризуется остатком на сите № 08 или удельной поверхностью, проверяемой на специальном приборе ПСХ. Согласно ГОСТ через сито № 08 должно проходить не менее 85 % массы пробы, удельная поверхность при этом (поверхность зерен цемента общей массой 1 г) должна быть 2500 . 3000 см2/г.

Нормальная густота цементного теста (количество воды в % от массы цемента) определяется погружением пестика, укрепляемого на штанге прибора Вика, и колеблется в пределах 21 . 28 %. Она зависит от минералогического состава цемента и тонкости помола. Изучение процесса твердения цемента показало, что в зависимости от вида цемента, сроков и условий твердения он присоединяет воды 15 . 25 % от своей массы. При использовании цемента в растворах и бетонах расходуемое количество воды значительно больше (40 . 70 %), оно, в частности, зависит и от нормальной густоты цементного теста. Излишки воды со временем испаряются, оставляя поры, что ухудшает качество цементного камня, а следовательно, раствора и бетона.

Сроки схватывания проверяют прибором Вика на цементном тесте нормальной густоты. Согласно требованиям ГОСТ начало схватывания должно быть не ранее 45 мин; конец — не позднее 10 ч (нормально — 2 . 3 ч), однако по согласованию с потребителями эти сроки могут существенно отличаться. О равномерности изменения объема цементного теста в процессе твердения судят по характеру трещин на образцах-лепешках, изготовленных по методике, изложенной в ГОСТ.

Если в цементе в результате нарушений технологического процесса при изготовлении окажется много свободных осадков кальция и магния, то процесс их гашения при затворении цемента водой будет протекать замедленно (температура обжига клинкера значительно выше температуры обжига при получении извести-кипелки, процесс гашения которой протекает довольно быстро). Это явление может привести к разрушению уже затвердевшего цементного камня. Для предотвращения подобных явлений при оценке качества цемента и проводят испытание на равномерность изменения объема.

Одним из основных свойств цемента является прочность, которая определяется в положенные сроки испытанием образцов (балочек) размером 40 х 40 х 160 мм первоначально на изгиб, а затем половинок — на сжатие. Балочки готовят из раствора состава 1:3 (1 ч. по массе цемента, 3 ч.- нормального вольского песка) при водоцементном отношении (отношении количества воды к количеству цемента), равном 0,4. Водоцементное отношение в свою очередь проверяется, а при необходимости корректируется по расплаву конуса на встряхивающем столике. Расплыв усеченного конуса из растворной смеси, изготовленного в форме высотой 60 мм и основаниями верхним с внутренним диаметром 70 мм и нижним — 100 мм, после 30 встряхиваний должен быть в пределах 106 . 115 мм. При отсутствии встряхивающего столика испытания проводят на стандартной лабораторной виброплощадке. В этом случае после 20 секунд вибрирования расплыв должен быть (170 ± 5) мм.

Твердение цемента. Твердение портландцемента — сложный физико-химический процесс. При затворении цемента водой основные минералы, растворяясь, гидратируются по уравнениям:

Образующиеся новообразования отличаются от первоначальных меньшей растворимостью и, выпадая в осадок, выкристаллизовываются, что приводит к потере пластичности (схватыванию) и последующему твердению. Добавка гипса в самом начале процесса при растворении взаимодействует с трехкальциевым алюминатом, образуя гидросульфоалюминаты, которые, обволакивая цементные зерна, замедляют процесс растворения и гидратации. Однако в последующем эти оболочки разрушаются (чем меньше гипса, тем замедление короче по времени) и процесс твердения ускоряется. Но сами выкристаллизовывающиеся новообразования начинают препятствовать гидратации, поэтому значительная часть зерен цемента может гидратироваться при наличии водной среды весьма продолжительный срок, измеряемый даже годами.

Цемент твердеет тем быстрее, чем больше в нем алита (алитовые цементы) и трехкальциевого алюмината. С течением времени процесс твердения резко замедляется. Цементы, содержащие много белита (белитовые цементы), в раннем возрасте твердеют медленно; нарастание прочности продолжается длительно и равномерно. Процессы твердения и особенно схватывания сопровождаются выделением теплоты, которая тем интенсивнее, чем быстрее протекает процесс схватывания. Поэтому в массивных конструкциях, как правило, применяют белитовые цементы. Использование в таких конструкциях алитовых цементов может привести к интенсивности тепловыделению, разогреву до высокой температуры (70 . 80 ° С), появлению трещин и даже потере воды, что в итоге приведет к утрате цементным камнем своих качеств. В то же время применение алитовых цементов позволяет быстрее получить минимальную прочность, а интенсивное тепловыделение обеспечивает в некоторых случаях необходимую для твердения температуру в зимних условиях.

При твердении цемента на воздухе происходит небольшая усадка, а в воде — набухание.

Химико минералогический состав портландцемента

+7 (495)792-42-43 Скачать прайс-лист [email protected] Заявка онлайн

Химико-минералогический состав портландцемента

Сырьевые материалы, используемые для производства портландцемента, состоят в основном из окиси кальция, кремнезема, глинозема и окиси железа. В печи эти окислы химически взаимодействуют друг с другом с образованием ряда более сложных соединений, при этом достигается химическое равновесие. Обычно остается лишь небольшое количество химически не связанной окиси кальция. Однако во время охлаждения клинкера равновесие не сохраняется и в зависимости от скорости охлаждения изменяется степень кристаллизации минералов клинкера и количество аморфного вещества. Вещества одного и того же химического состава в аморфном, стеклообразном и кристаллическом состоянии значительно различаются по своим свойствам. Взаимодействие жидкой фазы клинкера с вновь образованными кристаллическими соединениями усложняет структуру клинкера.

Тем не менее цемент можно рассматривать как систему, находящуюся в равновесии, вследствие «замораживания» расплава в состоянии, существовавшем при температуре клинкерообразования. В действительности это предположение делается на основе расчета состава товарных цементов; расчетный состав определяется по известному содержанию окислов в клинкере исходя из предположения о полной кристаллизации соединений в состоянии равновесия.

В действительности силикаты в цементе не являются чистыми фазами, так как содержат небольшое количество окислов в виде твердых растворов. Эти окислы оказывают значительное влияние на расположение атомов, форму кристаллов и гидравлические свойства силикатов.

Кроме основных минералов, указанных в табл. 1.1, в цементном клинкере содержатся в небольшом количестве MgO, ТЮ2, Мп2Оз, К2О и ЫагО. Они обычно составляют не более нескольких процентов от веса цемента. Особый интерес представляют окислы натрия и калия. В дальнейшем мы их называем щелочами. Установлено, что они химически взаимодействуют с некоторыми заполнителями и продукты этих реакций вызывают разрушение бетона (см. главу 7). Щелочи влияют на скорость роста прочности цемента. Содержание щелочей и Мп2Оз можно быстро определить с помощью спектрофотометра.

Минералогический состав цемента установлен в результате изучения фазового равновесия тройных систем С—А—S и С—А—F, четверной системы С — C2S — C5A3 —C4AF и др. Были исследованы кривые плавления или кристаллизации и вычислены составы жидких и твердых фаз при любой температуре. Фактический состав клинкера в дополнение к методам химического анализа может быть исследован с помощью микроскопа путем измерения коэффициента преломления соединений в виде порошка. Содержание минералов-силикатов может быть определено с помощью микрометра Шэндс при исследовании прозрачных шлифов (аналогично применяемому в петрографическом анализе) в проходящем свете. Полированные и травленые шлифы также могут быть исследованы как в отраженном, так и в проходящем свете. Рентгеновская дифракция порошкообразного вещества может быть использована с целью обнаружения кристаллических фаз, а также для исследования их кристаллической структуры. Находит применение также электронный микроскоп, который дает большое увеличение и обладает значительно большей разрешающей способностью, чем световой

C3S, содержание которого обычно наибольшее, встречается в виде небольших равноразмерных неокрашенных зерен. В процессе охлаждения при температурах ниже 1250° С C3S медленно распадается, но если охлаждение идет достаточно быстро, C3S сохраняется без изменения и является сравнительно устойчивым при обычных температурах.

Известно, что C2S имеет три или даже четыре модификации. a -C2S, которая существует при высоких температурах, переходит при температуре 1456° С в |3-модификацию. |3 -C2S претерпевает дальнейшее превращение в у -C2S при 675° С, но при скорости охлаждения цементов, имеющей место в производственных условиях, в клинкере сохраняется P-C2S в виде зерен округлой формы, обычно показывающих двойникование кристаллов.

С3А образует прямоугольные кристаллы, но в застеклованном состоянии это аморфное промежуточное вещество.

C4AF представляет собой твердый раствор ряда соединений от C2F до СбА2Р; принятая формула C4AF является условной, отражающей средний состав этой фазы.

Различные типы цементов в значительной степени отличаются по своему химико-минералогическому составу, который обусловливается соотношением сырьевых материалов. Одно время в США была предпринята попытка контролировать свойства цементов различного назначения установлением предельных количеств четырех основных клинкерных минералов, определенных расчетом по химическому анализу. Этот способ исключил бы многочисленные физические испытания, но, к сожалению, расчетный минералогический состав не является достаточно точным и не учитывает все необходимые свойства цемента и, следовательно, не может заменить непосредственных определений требуемых свойств.

Примерный химический состав портландцемента в % следующий: СаО—60—67; SiO2—17—25; А12О3—3—8; Fe2O3—0,5—6; MgO-0,1-4; щелочей —0,4—1,3; SO3—1—3.

В табл. 1.2 приводится химический и расчетный минералогический составы типичного портландцемента.

Нерастворимый остаток определяют путем обработки цемента соляной кислотой; он характеризует количество примесей в цементе, попадающих главным образом в составе гипсового камня. BS 12:1958 допускает величину нерастворимого остатка не более 1,5% веса цемента. Потеря в весе при прокаливании характеризует степень карбонизации и гидратации свободных окислов кальция и магния в результате атмосферных воздействий на цемент. Максимальная потеря при прокаливании (при 1000° С), допускаемая BS 12:1958, составляет для цементов, используемых в условиях умеренного климата, 3% и для цементов, применяемых в тропических условиях, 4%. Так как гидратированная свободная известь безвредна, то для определенного содержания свободной извести в цементе повышенная потеря веса при прокаливании в действительности является полезной.

Важно отметить, что минералогический состав цемента может изменяться в значительной степени даже при сравнительно небольших колебаниях химического состава цемента. В табл. 1.3, по данным Чернина, в графе 1 приводится химический состав типичного быстротвердеющего цемента. Если содержание окиси кальция снижается на 3% при соответствующем увеличении содержания остальных окислов (графа 2), соотношение C3S : C2S значительно изменяется. Химический состав цемента, приведенный в графе 3, отличается по содержанию глинозема и окиси железа на 1,5% от состава цемента, указанного в графе 1, при этом содержание окислов кальция и кремния остается прежним. Тем не менее данное изменение существенно влияет на соотношение между силикатами C3S : C2S, а также на содержание С3А и C4AF.

Несомненно, что контролю химического состава цемента придается особое значение. У типичных обычных и быстротвердеющих портландцементов общая сумма содержания двух силикатов меняется незначительно, в узких пределах,поэтому различия в составе в большой степени зависят от соотношения между СаО и SiCb в сырьевых материалах.

Свойства портландцемента и способы их определения, область применения и маркировка, ГОСТ

В строительстве активно применяются искусственные вяжущие материалы – цементы, которые при затворении водой образуют пластичные массы. Их можно наносить на любую горизонтальную и вертикальную поверхность, а через несколько часов смесь затвердевает и превращается в прочный камень. Наиболее активно используемый во всех строительных сферах вид – портландцемент. Столь широкую востребованность и популярность портландцемента обеспечили уникальные свойства, о которых пойдет речь ниже.

Отличительные черты портландцемента

Портландцемент – это неорганический вяжущий материал тонкого помола, в составе которого:

1. Цементный клинкер – комплекс искусственных минералов, который образуется при сжигании сырьевой смеси из высокоосновных кальциевых силикатов, высоко- или низкоосновных алюминатов и алюмоферритов кальция. Полученный продукт перемалывается, размер гранул не превышает 40 мкм. Это базовое составляющее – около 60-80 %.

2. Гипс – сульфатный минерал из осадочных пород. Относится к категории быстротвердеющей мелкопористой продукции с равномерной микрокристалической структурой. Массовая доля в смеси не превышает 3,5 %. Ускоряет процесс схватывания и отверждения.

3. Минеральные добавки и наполнители: доменные шлаки, глиежи, диатомиты и прочие аналогичные вещества, увеличивающие объем, изменяющие скорость отверждения, влагопоглощения и другие характеристики.

Название портландцемента произошло от наименования города Портланд (Великобритания) и было введено в 1824 году после оформления патента.

Чистая продукция, содержащая только клинкер и гипс, выделяется цифро-буквенной маркировкой Д0. Другое дело – присадки, благодаря современному разнообразию вводимых в состав минеральных и модифицирующих добавок получается портландцемент белый, высокопрочный, гидрофобный, безусадочный, тампонажный, дорожный, кислотоупорный, пуццолановый, композитный и многие другие. Каждый вид обладает особыми преимуществами и недостатками, применяется в разных случаях. Маркировка соответствующая: Д20, ПЦ, ВБЦ, ВРЦ и так далее.

Как и любой другой материал, портландцементу присваивается определенная марка по классу прочности на сжатие – М300, М400, М500, М550 и М600. Фасуется и реализуется в бумажных мешках по 25 и 50 кг.

Все, что касается его производства, проверки, определения параметров, хранения, фасовки и реализации, регламентируется действующими на выпускаемый портландцемент ГОСТ:

  • 30515-97 от 01.10.1998 г. «Цементы».
  • 310.4-81 от 01.07.1983 г. «Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии».
  • 2226-88 от 01.01.1990 г. «Мешки бумажные. Технические условия».
  • 5382-91 от 01.07.1991 г. «Цементы и материалы цементного производства. Методы химического анализа».
  • 10178-85 ль 01.01.1987 г. «Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия».
  • 14192-96 от 01.01.1998 г. «Маркировка грузов».

Основные свойства портландцемента

Параметры цементно вяжущей смеси определяют способность к схватыванию и образованию высокопрочного, твердого состава. Особая ценность цемента в том, что он позволяет связать воедино разнородные по качествам и габаритам материалы.

Важнейшие характеристики портландцемента:

1. Плотность.

Различают 2 типа коэффициентов плотности:

  • Истинный, 3050 – 3150 кг/м3.
  • Средний или насыпной. Зависит от степени фасовочного уплотнения: рыхлонасыпанному соответствует ρ = 1 100 кг/м3, а сильно уплотненному – 1 600 кг/м3.

2. Тонкость помола.

От этого свойства цемента зависит скорость отверждения состава и прочность. В среднем размер зерна не превышает 40 мкм, но есть специальные массы с более тонким помолом.

3. Водопотребность.

Характеризует способность частиц портландцемента адсорбировать определенное количество жидкости. То есть при недостаточном количестве раствор не наберет заданную прочность, а при излишнем наступит расслоение, часть воды выступит на поверхность, из-за чего конечный продукт получится рыхлым, пористым. Для бетона подобное состояние грозит быстрым разрушением и осыпанием.

Для замешивания цементного теста требуется не более 22-28 % воды от общей массы. Для пуццолановой смеси необходимо более 40 % влаги.

4. Сроки схватывания.

Период отверждения регламентируется ГОСТ 10178-85 и установлен в пределах 45 минут после затворения жидкостью. Окончательно затвердеть конструкция должна через 10 часов.

На скорость схватывания влияют погодные условия: чем выше текущая температура воздуха, тем быстрее происходит процесс. Зимой портландцемент редко набирает установленную крепость, так как часть воды даже при нагреве бетона превращается в лед. Это грозит преждевременным разрушением, появлением трещин, разрывов и других дефектов.

5.Прочность.

Характеризуется предельной нагрузкой на сжатие и отражается в маркировке. Например, портландцемент М400 выдерживает давление не менее 400 кг/см2. Чем выше данный показатель, тем дороже стоит продукция.

Перед покупкой нужно ознакомиться с составом, указанным на этикетке. Так, если в смеси присутствуют противоморозные пластификаторы, значит, с этим материалом можно работать в минусовые температуры; ускорители отверждения уменьшают подвижность бетона, соответственно жидкости потребуется меньше. Инструкция по разведению и пользованию подобным портландцементом всегда есть на упаковке.

цемент | Определение, состав, производство, история и факты

Цемент , в общем, клейкие вещества всех видов, но в более узком смысле связующие материалы, используемые в строительстве и гражданском строительстве. Цементы этого типа представляют собой мелкоизмельченные порошки, которые при смешивании с водой затвердевают до твердой массы. Отверждение и затвердевание являются результатом гидратации, которая представляет собой химическую комбинацию цементных смесей с водой, которая дает субмикроскопические кристаллы или гелеобразный материал с большой площадью поверхности.Из-за их гидратирующих свойств строительные цементы, которые схватываются и затвердевают даже под водой, часто называют гидравлическими цементами. Самый важный из них — портландцемент.

процесс производства цемента

Процесс производства цемента, от дробления и измельчения сырья до обжига измельченных и смешанных ингредиентов, до окончательного охлаждения и хранения готового продукта.

Encyclopædia Britannica, Inc.

В этой статье рассматривается историческое развитие цемента, его производство из сырья, его состав и свойства, а также проверка этих свойств.Основное внимание уделяется портландцементу, но также уделяется внимание другим типам, таким как шлакосодержащий цемент и высокоглиноземистый цемент. Строительный цемент имеет общие химические составляющие и технологии обработки с керамическими изделиями, такими как кирпич и плитка, абразивные материалы и огнеупоры. Подробное описание одного из основных применений цемента см. В статье «Строительство зданий».

Применение цемента

Цемент может использоваться сам по себе (т.е. «в чистом виде» в качестве затирочного материала), но обычно используется в растворе и бетоне, в которых цемент смешивается с инертным материалом, известным как заполнитель.Строительный раствор представляет собой цемент, смешанный с песком или щебнем, размер которого должен быть менее приблизительно 5 мм (0,2 дюйма). Бетон представляет собой смесь цемента, песка или другого мелкого заполнителя и крупного заполнителя, который для большинства целей имеет размер от 19 до 25 мм (от 0,75 до 1 дюйма), но крупный заполнитель может также достигать 150 мм ( 6 дюймов) при укладке бетона в большие массивы, такие как дамбы. Растворы используются для связывания кирпичей, блоков и камня в стенах или для визуализации поверхностей. Бетон используется для самых разных строительных целей.Смеси грунта и портландцемента используются в качестве основы для дорог. Портландцемент также используется при производстве кирпича, черепицы, черепицы, труб, балок, шпал и различных экструдированных изделий. Продукция собирается на заводах и поставляется готовой к установке.

бетон

Заливка бетона в фундамент дома.

Karlien du Plessis / Shutterstock.com

Производство цемента чрезвычайно широко, так как бетон сегодня является наиболее широко используемым строительным материалом в мире.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишись сейчас

Портлендский цемент — Интерактивное покрытие

Цемент — главный ингредиент цементного теста — связующее вещество в портландцементном бетоне (PCC). Это гидравлический цемент, который при смешивании с водой затвердевает в твердую массу. Вкрапленный в совокупную матрицу, он образует ОКК. В качестве материала портландцемент используется уже более 175 лет, и с эмпирической точки зрения его поведение хорошо изучено.Однако с химической точки зрения портландцемент представляет собой сложное вещество, механизмы и взаимодействия которого еще предстоит полностью определить. ASTM C 125 и Portland Cement Association (PCA) дают следующие точные определения:

  • Гидравлический цемент: Неорганический материал или смесь неорганических материалов, который затвердевает и развивает прочность за счет химической реакции с водой с образованием гидратов и способный делать это под водой.
  • Портландцемент: Гидравлический цемент, состоящий в основном из гидросиликатов кальция.

Фон

Рис. 1. Остров Портленд, Англия

Рис. 2. Известняк на Портлендском Билле возле Уэймута

Хотя использование цементов (как гидравлических, так и негидравлических) насчитывает много тысяч лет (по крайней мере, с древних египетских времен), первое появление «портландцемента» произошло в 19 веках. В 1824 году каменщик из Лидса Джозеф Аспдин получил патент на гидравлический цемент, из которого он придумал «портландцемент» (Mindess and Young, 1981 [1] ).Он назвал цемент, потому что он давал бетон, напоминающий цвет природного известняка, добываемого на острове Портленд, полуострове в Ла-Манше (см. Рис. 1 и 2). С тех пор название «портландцемент» прижилось и пишется строчными буквами, потому что теперь оно признано торговым наименованием типа материала, а не конкретной ссылкой на Портленд, Англия.

Сегодня портландцемент является наиболее широко используемым строительным материалом в мире — около 1,56 миллиарда тонн (1.72 млрд тонн) производится ежегодно. Ежегодное мировое производство портландцементного бетона составляет около 3,8 миллиона кубических метров (5 миллиардов кубических ярдов) в год (Цементная ассоциация Канады, 2002, [2] ). В США жесткие дорожные покрытия являются крупнейшим разовым применением портландцемента и портландцементного бетона (ACPA, 2002 [3] ).

Производство

Несмотря на то, что существует несколько разновидностей портландцемента, производимого в промышленных масштабах, в каждом из них используется много одного и того же основного сырья и химических компонентов.Основными химическими компонентами портландцемента являются кальций, кремнезем, глинозем и железо. Кальций получают из известняка, мергеля или мела, а кремнезем, глинозем и железо — из песков, глин и источников железной руды. Другое сырье может включать сланец, оболочки и промышленные побочные продукты, такие как прокатная окалина (Ash Grove Cement Company, 2000 [4] ).

В ходе основного производственного процесса эти материалы нагреваются в печи примерно до 1400–1600 ° C (2600–3000 ° F) — диапазона температур, в котором два материала химически взаимодействуют с образованием силикатов кальция (Mindess and Young, 1981 [1] ).Это нагретое вещество, называемое «клинкером», обычно имеет форму маленьких серо-черных гранул диаметром около 12,5 мм (0,5 дюйма). Затем клинкер охлаждают и измельчают в мелкий порошок, который почти полностью проходит через сито 0,075 мм (№ 200) и укрепляется небольшим количеством гипса. Результат — портландцемент. Портлендская цементная ассоциация (PCA) имеет прекрасную интерактивную иллюстрацию этого процесса на своем веб-сайте.

Химические свойства

Цементы

Portland можно охарактеризовать по химическому составу, хотя они редко используются в дорожных покрытиях.Однако именно химические свойства портландцемента определяют его физические свойства и то, как он затвердевает. Таким образом, базовое понимание химии портландцемента может помочь понять, как и почему он ведет себя именно так. В этом разделе кратко описывается основной химический состав типичного портландцемента и то, как он гидратируется.

Базовый состав

В таблице 1 и на рисунке 3 показаны основные химические составляющие портландцемента.

Таблица 1. Основные составляющие типичного портландцемента (Mindess and Young, 1981 [1] )

Химическое название Химическая формула Сокращенное обозначение Весовые проценты
Силикат трикальция 3CaO × SiO 2 С 3 С 50
Силикат дикальция 2CaO × SiO 2 С 2 С 25
Алюминат трикальция 3CaO × Al2O 3 С 3 А 12
Тетракальций Алюмоферрит 4CaO × Al 2 O 3 × Fe 2 O 3 С 4 AF 8
Гипс CaSO 4 × H 2 O CSH 2 3.5
Рис. 3. Типичный оксидный состав портландцемента общего назначения (Mindess and Young, 1981).

Гидратация

Когда портландцемент смешивается с водой, его химические составляющие подвергаются ряду химических реакций, вызывающих его затвердевание (или схватывание). Все эти химические реакции включают добавление воды к основным химическим соединениям, перечисленным в таблице 1. Эта химическая реакция с водой называется «гидратация». Каждая из этих реакций происходит в разное время и с разной скоростью.Вместе результаты этих реакций определяют, как портландцемент затвердевает и набирает прочность.

  • Силикат трикальция (C 3 S) . Быстро увлажняет и затвердевает и в значительной степени отвечает за начальное схватывание и раннюю прочность. Портландцементы с более высоким содержанием C 3 S будут демонстрировать более высокую начальную прочность.
  • Силикат дикальция (C 2 S) . Медленно увлажняет и затвердевает и в значительной степени способствует увеличению силы после одной недели.
  • Алюминат трикальция (C 3 A) . Быстрее всего увлажняет и затвердевает. Почти сразу же выделяет большое количество тепла и в некоторой степени способствует ранней силе. Гипс добавлен в портландцемент для замедления гидратации C 3 A. Без гипса, C 3 Гидратация приведет к схватыванию портландцемента почти сразу после добавления воды.
  • Тетракальций алюмоферрит (C 4 AF) . Быстро увлажняет, но очень мало способствует укреплению сил.Его использование позволяет снизить температуру в печи при производстве портландцемента. Большинство цветовых эффектов портландцемента обусловлено C 4 AF.

На рис. 4 показаны скорости выделения тепла, которые дают приблизительное представление о времени гидратации и времени первоначального схватывания типичного портландцемента.

Рис. 2. Скорость выделения тепла во время гидратации типичного портландцемента. Результатом двух гидратации силиката является образование гидрата силиката кальция (часто обозначаемого C-S-H из-за переменной стехиометрии).C-S-H составляет примерно 1/2 — 2/3 объема гидратированной пасты (вода + цемент) и поэтому доминирует в ее поведении (Mindess and Young, 1981 [1] ).

Виды портландцемента

Зная основные характеристики входящих в состав портландцемента химических соединений, можно изменять его свойства, регулируя количество каждого соединения. В США в стандартах AASHTO M 85 и ASTM C 150, Standard Specification for Portland Cement признаются восемь основных типов портландцементного бетона (Таблица 2).Есть также много других типов смешанных и запатентованных цементов, которые здесь не упоминаются.

Таблица 2. Типы портландцемента по ASTM

Тип Имя Назначение
I Нормальный Цемент общего назначения, подходящий для большинства целей.
IA Нормальный захват воздуха Воздухововлекающая модификация типа I.
II Умеренная сульфатостойкость Используется в качестве меры предосторожности против умеренного сульфатного нападения.Обычно он выделяет меньше тепла и медленнее, чем цемент типа I.
IIA Умеренное сульфатостойкость — воздухововлечение Воздухововлекающая модификация Типа II.
III Высокая ранняя прочность Используется, когда требуется высокая ранняя прочность. В нем больше C3S, чем в цементе типа I, и он был измельчен более мелко, чтобы обеспечить более высокое отношение поверхности к объему, что ускоряет гидратацию. Увеличение прочности вдвое больше, чем у цемента типа I за первые 24 часа.
IIIA Высокая ранняя прочность — захват воздуха Воздухововлекающая модификация Типа III.
IV Низкая теплота гидратации Используется, когда необходимо минимизировать тепло гидратации в приложениях большого объема, таких как гравитационные плотины. Содержит примерно половину C3S и C3A и вдвое больше, чем C2S цемента типа I.
В Высокая сульфатостойкость Используется в качестве меры предосторожности против сильного действия сульфатов — в основном там, где почва или грунтовые воды имеют высокое содержание сульфатов.Он набирает прочность медленнее, чем цемент типа I. Высокая сульфатостойкость объясняется низким содержанием C3A.

Физические свойства

Цементы

Portland обычно характеризуются своими физическими свойствами для целей контроля качества. Их физические свойства можно использовать для классификации и сравнения портландцементов. Задача определения характеристик физических свойств — разработать физические тесты, которые могут удовлетворительно охарактеризовать ключевые параметры.В этом разделе, взятом в основном из PCA (1988 [5] ), перечислены наиболее распространенные физические свойства портландцемента США, которые подвергаются испытаниям. Значения спецификаций, если они даны, взяты из ASTM C 150 , Стандартные спецификации для портландцемента .

Имейте в виду, что эти свойства, как правило, относятся к «чистым» цементным пастам, то есть они включают только портландцемент и воду. Чистые цементные пасты обычно трудно обрабатывать и тестировать, и поэтому они вносят больший разброс в результаты.Цементы также могут работать по-разному при использовании в «растворе» (цемент + вода + песок). Со временем было обнаружено, что испытания строительного раствора позволяют лучше определить качество цемента, и, таким образом, испытания чистых цементных паст обычно используются только в исследовательских целях (Mindess and Young, 1981 [1] ). Однако, если песок не будет тщательно определен в испытании строительного раствора, результаты не могут быть переданы другим лицам.

PCC Durability — интерактивное покрытие

Долговечность — это показатель того, как PCC работает с течением времени.Долговечность — один из факторов, влияющих на характеристики дорожного покрытия PCC. Как правило, двумя основными факторами, влияющими на долговечность покрытия PCC, являются циклы замораживания-оттаивания и химическое воздействие. К счастью, можно предпринять шаги для смягчения этих факторов, и доступны тесты для определения уязвимости PCC к ним.

Заморозка-оттаивание

Устойчивость к замораживанию-оттаиванию важна для предотвращения чрезмерного растрескивания, образования окалины и крошения. Когда вода замерзает, ее объем увеличивается примерно на 9 процентов. Таким образом, когда вода в PCC замерзает и расширяется, она оказывает осмотическое и гидравлическое давление на капилляры и поры в цементном тесте.Если эти давления превышают предел прочности цементного теста, паста расширяется и разрывается (PCA, 1988 [1] ). Поскольку этот процесс повторяется в течение ряда циклов замораживания-оттаивания, результатом может быть растрескивание, образование накипи и крошение массы ОКК.

В конце 1930-х годов было обнаружено, что целенаправленное увеличение содержания РСС в воздухе (так называемое «вовлечение воздуха») смягчает последствия повреждения от замораживания-оттаивания. Это происходит потому, что большее содержание воздуха обеспечивает дополнительное пустое пространство внутри PCC, в которое может расширяться замерзающая вода.Таким образом, гидравлическое и осмотическое давление на цементное тесто сводится к минимуму, что эффективно предотвращает расширение и разрыв. Общее содержание воздуха в растворе (цементная паста + мелкий заполнитель), необходимое для обеспечения оптимальной защиты от замерзания-оттаивания, составляет около 9 процентов, в результате чего содержание воздуха по объему PCC составляет от 4 до 8 процентов (Mindess and Young, 1981 . [2] ). Помимо общего объема, распределение воздуха в цементном тесте также важно для устойчивости к замораживанию-оттаиванию.Правильно воздухововлекающий РСС содержит однородную дисперсию крошечных пузырьков в цементном тесте. По мере того, как эти пузырьки становятся все больше и дальше друг от друга, замерзающей воде становится все труднее проникать в них через цементное тесто. Как правило, чем меньше пузырьки и чем равномернее их распределение, тем лучше. Такие действия, как чрезмерная вибрация или перекачивание, могут отрицательно повлиять как на общий объем воздуха, так и на его распределение. Сегодня большая часть PCC для наружного использования (включая тротуары) уносится воздухом для смягчения эффектов замораживания-оттаивания.

Тест на замораживание-оттаивание
Рис. 1. Образцы с пучком для испытаний на замораживание-оттаивание

Лабораторное испытание PCC на устойчивость к замораживанию-оттаиванию включает в себя подвергание образца серии быстрых циклов замораживания-оттаивания с последующим сообщением коэффициента прочности. Сначала создаются образцы, которые имеют ширину и глубину или диаметр от 75 до 125 мм (3-5 дюймов) и длину от 280 до 400 мм (11-16 дюймов) (см. Рисунок 1). Затем образцы подвергаются ряду циклов замораживания-оттаивания следующим образом (AASHTO, 2000 [3] ):

  1. Температура поочередно понижается с 4.С 4 ° C (40 ° F) до -17,8 ° C (0 ° F), а затем снова повысится до 4,4 ° C (40 ° F).
  2. Каждый из этих циклов должен занимать от 2 до 4 часов.
  3. Образец можно разморозить как в воде, так и на воздухе (процедуры немного отличаются).
  4. Извлекают образец из прибора для замораживания-оттаивания с интервалами, не превышающими 36 циклов, и определяют его динамический модуль упругости и длину.
  5. Циклы продолжаются до тех пор, пока не произойдет одно из следующих событий:
    • Образец был подвергнут 300 циклам замораживания-оттаивания.
    • Динамический модуль упругости образца достигает 60% от исходного значения.
    • (Необязательно): длина образца увеличилась на 0,10%.

Затем рассчитывается коэффициент долговечности:

где: DF = коэффициент прочности
P = относительный динамический модуль упругости при N циклах (в процентах)
N = количество циклов, при которых P достигает указанного минимального значения для прекращения испытания (обычно 60 процентов) или указанного количества циклов, при котором испытание должно быть прекращено (обычно 300 циклов), которое всегда меньше
M = указанное количество циклов, при которых экспонирование должно быть прекращено (обычно 300)

Обычно DF <40 указывает на PCC, который может иметь плохую устойчивость к замораживанию-оттаиванию, тогда как DF> 60 указывает на PCC, который имеет хорошую устойчивость к замораживанию-оттаиванию (Mindess and Young, 1981).Однако у этого теста есть несколько ограничений. Во-первых, он использует 2–4-часовые циклы замораживания-оттаивания, которые намного быстрее, чем в полевых условиях. ASTM C 671 решает эту проблему, используя только один цикл замораживания-оттаивания каждые 2 недели. Во-вторых, даже несмотря на то, что эти циклы являются быстрыми по сравнению с полевыми условиями, проверка может занять от 600 до 1200 часов (если проверены полные 300 циклов).

Стандартные тесты на замораживание-оттаивание:

  • AASHTO T 161 и ASTM C 666: Устойчивость бетона к быстрому замораживанию и оттаиванию
  • AASHTO T 121: Масса на кубический метр (кубический фут), выход и содержание воздуха (гравиметрические) в бетоне
  • ASTM C 671: Критическое расширение бетонных образцов, подвергшихся замерзанию
Тесты на содержание воздуха
Фигура 2.Сосуд под давлением для измерения содержания воздуха

Хотя на самом деле вызывает беспокойство содержание воздуха в растворе (цементная паста + мелкий заполнитель), обычно измеряется содержание воздуха в цементной пасте. Это содержание воздуха можно измерить несколькими способами, наиболее распространенным из которых является метод давления. Используя метод давления, образец свежего ОКК помещается в сосуд высокого давления (см. Рисунок 2). Оставшийся объем сосуда заполняется водой, а затем в сосуде создается давление.Уровень воды считывается один раз, затем давление в сосуде сбрасывается, и уровень воды считывается снова. Наконец, используя закон Бойля (принцип, согласно которому при постоянной температуре объем ограниченного идеального газа изменяется обратно пропорционально его давлению), разница уровней воды (которая соответствует объему) преобразуется в объем воздуха.

Стандартные тесты на содержание воздуха:

  • AASHTO T 152 и ASTM C 231: Содержание воздуха в свежезамешенном бетоне методом давления
  • AASHTO T 196 и ASTM C 173: Содержание воздуха в свежезамешенном бетоне объемным методом
  • AASHTO T 199: Содержание воздуха в свежезамещенном бетоне по индикатору Chace
  • ASTM C 138: Содержание воздуха (гравиметрический), удельный вес и удельный вес бетона

Химическая атака

PCC может со временем ухудшиться из-за взаимодействия с различными химическими веществами.Хлориды вызывают наибольшую озабоченность для PCC дорожного покрытия, поскольку они часто содержатся в составах для борьбы с обледенением. Хлорид-ионы могут вызывать коррозию стальных компонентов в PCC, таких как арматурная сталь или дюбели. Здесь описывается один стандартный тест, используемый для PCC дорожного покрытия (AASHTO T 259). В этом испытании формируют несколько плит толщиной не менее 75 мм (3 дюйма) и квадрата 300 мм (12 дюймов), которые затем подвергают абразивной обработке с помощью шлифовки или пескоструйной обработки для имитации износа транспортных средств. Затем вокруг всех плит, кроме одной (обозначенной как контрольная), сооружают небольшие дамбы и подвергают непрерывному заливанию 3-процентным раствором хлорида натрия (NaCl) на глубину 13 мм (0,01 дюйма).5 дюймов) на 90 дней. Через 90 дней раствор NaCl удаляется, а пластины очищаются проволочной щеткой для удаления любых отложений соли. Затем берут образцы слябов и измеряют содержание хлорид-ионов на двух глубинах:

  • 1,6 мм (0,0625 дюйма) — 13 мм (0,5 дюйма)
  • от 13 мм (0,5 дюйма) до 25 мм (1,0 дюйма)

Эти концентрации хлорид-иона сравниваются со средней концентрацией хлорид-иона контрольной плиты для определения количества и степени проникновения хлорид-иона.Критические концентрации хлорид-ионов для коррозии арматурной стали составляют порядка 0,6 — 1,2 кг Cl / м 3 (1,0 — 2,0 фунта Cl / ярд 3 ) PCC.

Хотя сульфатная атака является проблемой PCC, обычно она не является проблемой для покрытия PCC.

Некоторые стандартные тесты на химическое воздействие:

  • AASHTO T 259: Устойчивость бетона к проникновению хлорид-ионов
  • AASHTO T 277 и ASTM C 1202: Электрическая индикация способности бетона противостоять проникновению хлорид-иона
  • AASHTO T 303 и ASTM C 227: Ускоренное обнаружение потенциально опасного расширения строительного раствора из-за щелочно-кремнеземной реакции

Страница не найдена для constituents_of_normal_portland_cement

Имя пользователя*

Электронное письмо*

Пароль*

Подтвердить Пароль*

Имя*

Фамилия*

Страна Выберите страну … Аландские острова IslandsAfghanistanAlbaniaAlgeriaAndorraAngolaAnguillaAntarcticaAntigua и BarbudaArgentinaArmeniaArubaAustraliaAustriaAzerbaijanBahamasBahrainBangladeshBarbadosBelarusBelauBelgiumBelizeBeninBermudaBhutanBoliviaBonaire, Санкт-Эстатиус и SabaBosnia и HerzegovinaBotswanaBouvet IslandBrazilBritish Индийского океана TerritoryBritish Virgin IslandsBruneiBulgariaBurkina FasoBurundiCambodiaCameroonCanadaCape VerdeCayman IslandsCentral африканского RepublicChadChileChinaChristmas IslandCocos (Килинг) IslandsColombiaComorosCongo (Браззавиль) Конго (Киншаса) Кук IslandsCosta RicaCroatiaCubaCuraÇaoCyprusCzech RepublicDenmarkDjiboutiDominicaDominican RepublicEcuadorEgyptEl SalvadorEquatorial GuineaEritreaEstoniaEthiopiaFalkland IslandsFaroe IslandsFijiFinlandFranceFrench GuianaFrench PolynesiaFrench Южный Территория нг КонгВенгрияИсландияИндияИндонезияИранИракОстров ЧеловекаИзраильИталия Кот-д’ИвуарЯмайкаЯпонияДжерсиИорданияКазахстанКенияКирибатиКувейтКиргизияЛаосЛатвияЛебанЛезотоЛиберияЛибияЛихтенштейнЛихтенштейнЛитва ЮжныйAR, ChinaMacedoniaMadagascarMalawiMalaysiaMaldivesMaliMaltaMarshall IslandsMartiniqueMauritaniaMauritiusMayotteMexicoMicronesiaMoldovaMonacoMongoliaMontenegroMontserratMoroccoMozambiqueMyanmarNamibiaNauruNepalNetherlandsNetherlands AntillesNew CaledoniaNew ZealandNicaraguaNigerNigeriaNiueNorfolk IslandNorth KoreaNorwayOmanPakistanPalestinian TerritoryPanamaPapua Новый GuineaParaguayPeruPhilippinesPitcairnPolandPortugalQatarRepublic из IrelandReunionRomaniaRussiaRwandaSão Tomé и PríncipeSaint BarthélemySaint HelenaSaint Китса и NevisSaint LuciaSaint Мартин (Голландская часть) Сен-Мартен (французская часть) Сен-Пьер и MiquelonSaint Винсент и GrenadinesSan MarinoSaudi ArabiaSenegalSerbiaSeychellesSierra LeoneSingaporeSlovakiaSloveniaSolomon IslandsSomaliaSouth AfricaSouth Грузия / Sandwich ОстроваЮжная КореяЮжный СуданИспанияШри-ЛанкаСуданСуринамШпицберген и Ян-МайенСвазилендШвецияШвейцарияСирияТайваньТаджикистанТанзанияТаиландТимор-ЛештиТогоТокелауТонгаТринидад и ТобагоТунисТурция ТуркменистанТуркс и Острова КайкосТувалуУгандаУкраинаОбъединенные Арабские ЭмиратыВеликобритания (Великобритания) США (США) УругвайУзбекистанВануатуВатиканВенесуэлаВьетнамУоллис и ФутунаЗападная СахараЗападное СамоаЙеменЗамбияЗимбабве

Captcha *

Регистрируясь, вы соглашаетесь с Условиями использования и Политикой конфиденциальности.*

Для типов_обычного_портового_цемента страница не найдена

Имя пользователя*

Электронное письмо*

Пароль*

Подтвердить Пароль*

Имя*

Фамилия*

Страна Выберите страну … Аландские острова IslandsAfghanistanAlbaniaAlgeriaAndorraAngolaAnguillaAntarcticaAntigua и BarbudaArgentinaArmeniaArubaAustraliaAustriaAzerbaijanBahamasBahrainBangladeshBarbadosBelarusBelauBelgiumBelizeBeninBermudaBhutanBoliviaBonaire, Санкт-Эстатиус и SabaBosnia и HerzegovinaBotswanaBouvet IslandBrazilBritish Индийского океана TerritoryBritish Virgin IslandsBruneiBulgariaBurkina FasoBurundiCambodiaCameroonCanadaCape VerdeCayman IslandsCentral африканского RepublicChadChileChinaChristmas IslandCocos (Килинг) IslandsColombiaComorosCongo (Браззавиль) Конго (Киншаса) Кук IslandsCosta RicaCroatiaCubaCuraÇaoCyprusCzech RepublicDenmarkDjiboutiDominicaDominican RepublicEcuadorEgyptEl SalvadorEquatorial GuineaEritreaEstoniaEthiopiaFalkland IslandsFaroe IslandsFijiFinlandFranceFrench GuianaFrench PolynesiaFrench Южный Территория нг КонгВенгрияИсландияИндияИндонезияИранИракОстров ЧеловекаИзраильИталия Кот-д’ИвуарЯмайкаЯпонияДжерсиИорданияКазахстанКенияКирибатиКувейтКиргизияЛаосЛатвияЛебанЛезотоЛиберияЛибияЛихтенштейнЛихтенштейнЛитва ЮжныйAR, ChinaMacedoniaMadagascarMalawiMalaysiaMaldivesMaliMaltaMarshall IslandsMartiniqueMauritaniaMauritiusMayotteMexicoMicronesiaMoldovaMonacoMongoliaMontenegroMontserratMoroccoMozambiqueMyanmarNamibiaNauruNepalNetherlandsNetherlands AntillesNew CaledoniaNew ZealandNicaraguaNigerNigeriaNiueNorfolk IslandNorth KoreaNorwayOmanPakistanPalestinian TerritoryPanamaPapua Новый GuineaParaguayPeruPhilippinesPitcairnPolandPortugalQatarRepublic из IrelandReunionRomaniaRussiaRwandaSão Tomé и PríncipeSaint BarthélemySaint HelenaSaint Китса и NevisSaint LuciaSaint Мартин (Голландская часть) Сен-Мартен (французская часть) Сен-Пьер и MiquelonSaint Винсент и GrenadinesSan MarinoSaudi ArabiaSenegalSerbiaSeychellesSierra LeoneSingaporeSlovakiaSloveniaSolomon IslandsSomaliaSouth AfricaSouth Грузия / Sandwich ОстроваЮжная КореяЮжный СуданИспанияШри-ЛанкаСуданСуринамШпицберген и Ян-МайенСвазилендШвецияШвейцарияСирияТайваньТаджикистанТанзанияТаиландТимор-ЛештиТогоТокелауТонгаТринидад и ТобагоТунисТурция ТуркменистанТуркс и Острова КайкосТувалуУгандаУкраинаОбъединенные Арабские ЭмиратыВеликобритания (Великобритания) США (США) УругвайУзбекистанВануатуВатиканВенесуэлаВьетнамУоллис и ФутунаЗападная СахараЗападное СамоаЙеменЗамбияЗимбабве

Captcha *

Регистрируясь, вы соглашаетесь с Условиями использования и Политикой конфиденциальности.*

Как производится цемент

Портландцемент является основным ингредиентом бетона. Бетон образуется, когда портландцемент образует пасту с водой, которая связывается с песком и камнем, чтобы затвердеть.

Цемент производится с помощью тщательно контролируемого химического соединения кальция, кремния, алюминия, железа и других ингредиентов.

Обычные материалы, используемые для производства цемента, включают известняк, ракушечник, мел или мергель в сочетании со сланцем, глиной, сланцем, доменным шлаком, кварцевым песком и железной рудой.Эти ингредиенты при нагревании при высоких температурах образуют каменное вещество, которое измельчается в мелкий порошок, который мы обычно называем цементом.

Каменщик Джозеф Аспдин из Лидса, Англия, впервые изготовил портландцемент в начале XIX века, сжигая порошкообразный известняк и глину в своей кухонной плите. С помощью этого грубого метода он заложил основу отрасли, которая ежегодно буквально перерабатывает горы известняка, глины, цементной породы и других материалов в порошок, настолько мелкий, что он может проходить через сито, способное удерживать воду.

Лаборатории цементных заводов проверяют каждый этап производства портландцемента путем частых химических и физических испытаний. Лаборатории также анализируют и тестируют готовый продукт, чтобы убедиться, что он соответствует всем отраслевым спецификациям.

Самый распространенный способ производства портландцемента — сухой. Первым шагом является добыча основного сырья, в основном известняка, глины и других материалов. После добычи порода дробится. Это включает в себя несколько этапов.Первое дробление уменьшает размер камня до максимального размера около 6 дюймов. Затем порода поступает на вторичные дробилки или молотковые дробилки для измельчения примерно до 3 дюймов или меньше.

Дробленая порода смешивается с другими ингредиентами, такими как железная руда или летучая зола, измельчается, смешивается и подается в цементную печь.

Цементная печь нагревает все ингредиенты примерно до 2700 градусов по Фаренгейту в огромных стальных цилиндрических вращающихся печах, облицованных специальным огнеупорным кирпичом. Обжиговые печи часто достигают 12 футов в диаметре — достаточно большого размера, чтобы вместить автомобиль, и во многих случаях больше, чем высота 40-этажного здания.Большие печи устанавливаются с небольшим наклоном оси от горизонтали.

Тонко измельченное сырье или суспензия подается в верхнюю часть. В нижней части находится ревущий взрыв пламени, произведенный точно контролируемым сжиганием порошкообразного угля, нефти, альтернативных видов топлива или газа с принудительной тягой.

По мере того, как материал движется через печь, определенные элементы уносятся в виде газов. Остальные элементы объединяются, образуя новое вещество, называемое клинкером.Клинкер выходит из печи серыми шарами, размером с мрамор.

Клинкер выгружается раскаленным из нижнего конца печи и обычно доводится до рабочей температуры в различных типах охладителей. Нагретый воздух из охладителей возвращается в печи, что позволяет сэкономить топливо и повысить эффективность горения.

После охлаждения клинкера цементные заводы измельчают его и смешивают с небольшим количеством гипса и известняка. Цемент настолько мелкий, что в 1 фунте цемента содержится 150 миллиардов зерен.Теперь цемент готов к транспортировке компаниям по производству товарного бетона для использования в различных строительных проектах.

Хотя сухой процесс является наиболее современным и популярным способом производства цемента, в некоторых печах в США используется мокрый процесс. Эти два процесса по сути схожи, за исключением мокрого процесса, когда сырье измельчается с водой перед подачей в печь.

Портландцемент — обзор

2 Состав

Портландцемент состоит из четырех основных клинкерных смесей: C 3 S, C 2 S, C 3 A и C 4 AF вместе с добавленным гипсом во время шлифования.Относительные доли этих соединений могут быть изменены для оптимизации определенных свойств цемента (более подробно обсуждается ниже). В таблице 2 показаны типичные составы соединений, которые рассчитаны исходя из (ошибочно) идеальной стехиометрии и химического равновесия в печи (расчет Bogue).

Таблица 2. Средний компаундный состав портландцемента (мас.%).

Тип ASTM Описание C 3 S C 2 S C 3 A C 4 AF CS̄ 2
I общего назначения 55 17 10 7 6
II Умеренная сульфатостойкость 55 20 6 10 5
III Высокая ранняя прочность * 55 17 9 8 7
IV Низкая теплота гидратации 35 40 4 12 4
V Сульфатостойкий 55 20 4 12 4

Примечание: * Этот цемент обычно измельчается более мелко: ∼550 м 2 кг −1 по сравнению с 380 м 2 кг −1

Все соединения клинкера образуют твердые растворы с небольшими количествами каждого элемента, находящегося в клинкере.В дополнение к четырем основным оксидам, MgO, K 2 O и Na 2 O являются повсеместными примесями в большинстве сырьевых материалов. Примесь C 3 S называется алит : он реагирует с водой быстрее, чем чистый C 2 S. C 2 S существует в виде четырех основных полиморфов: γ, β, α ‘и α. При температурах окружающей среды негидравлический γ-полиморф является термодинамически стабильным, но в цементе примеси стабилизируют гидравлический β-полиморф. Примесь C 3 A содержит значительные количества (∼10 мол.%) железа, что может сделать его менее химически активным, чем чистое соединение. Высокие уровни замещения натрия изменяют его кристаллическую структуру от ромбической до кубической с соответствующим уменьшением реакционной способности.

C 4 AF не имеет точной стехиометрии; непрерывный твердый раствор между A и F позволяет его составу варьироваться примерно от C 6 A 2 F до C 6 AF 2 . По этой причине C 4 AF обычно называют ферритовой фазой.Хотя во многих цементах состав ферритной фазы близок к C 4 AF, в тех, которые имеют очень низкое содержание C 3 A, состав ближе к C 6 AF 2 . По мере увеличения содержания железа реакционная способность ферритной фазы снижается. Цвет цемента придает ферритная фаза: когда в ферритной фазе присутствует MgO, он становится черным, а цемент — серым.

Если содержание MgO низкое или ферритная фаза содержит значительное количество двухвалентного железа (из-за восстановительной атмосферы в печи), цемент имеет более коричневый цвет.Кроме того, кристаллический MgO (периклаз) присутствует в большинстве клинкеров, обычно в диапазоне 2–4 мас.%. На количество MgO накладываются ограничения, поскольку его медленная гидратация может вызвать разрушительное расширение затвердевшей пасты. В клинкерах, которые производятся с использованием угля с высоким содержанием серы в качестве топлива, иногда встречаются сульфаты щелочных металлов, такие как KS̄ или C 2 KS̄ 3 ; эти соединения могут повлиять на поведение при схватывании и могут снизить 28-дневную прочность.

Цементы можно классифицировать в соответствии с типами ASTM, приведенными в таблице 2.Эти классификации основаны в основном на характеристиках, а не на составе, хотя, как правило, цементы одного типа имеют в целом схожие составы. Более 90% всего портландцемента, производимого в США, относится к типу I.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *