ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА И ИХ ПРОИЗВОДСТВО

 

Гидравлическая известь —продукт умеренного обжига (не до спекания) мергелистых известняков, содержащих от 6 до 20% глини­стых примесей. Обычный интервал температур обжига составляет 900—1100°С, что зависит от состава сырья. Продукт обжига содер­жит не только свободную известь, но и химические соединения с ок­сидами глины: силикаты 2СаО∙SiO2, алюминаты 2СаО∙Al2О3, фер­риты 2СаО∙Fe2O3 кальция. Подобно воздушной извести этот продукт составляет комовую гидравлическую известь, которую под­вергают помолу в мельницах с получением тонкомолотой негаше­ной извести. Реже используют другой вариант: комовую известь га­сят, а непогасившиеся частицы (силикатов, алюминатов и ферритов) подвергают дополнительному измельчению с последующим смеше­нием погасившейся и непогасившейся частей.

При взаимодействии с водой силикаты и алюминаты в извести остаются практически негидратированными. Только при гашении этой извести в тесто постепенно образуются гидросиликаты и гид­роалюминаты кальция, что сопровождается набуханием этих соединений и переходом их в студнеобразное состояние. В зависимости от содержания в извести оксида кальция, по отношению к сумме диок­сида кремния, полуторных оксидов алюминия и железа можно условно разделить на сильно гидравлическую и слабо гидравличе­скую. Отношение называется модулем основ­ности и для сильногидравлической извести он равен 1,7—4,5, а для слабогидравлической — 4,5—9,0. Модуль основности характеризует способность извести к твердению в водной среде, а при m > 9,0 из­весть является типичным воздушным вяжущим веществом. Кроме того, модуль m косвенно отражает также и механическую прочность затвердевшего теста (или раствора). Следует отметить, что если для гашения извести воздушной в тесто требуется ввести 70—80% воды, то для гидравлической — около 20 %.

Гидравлическая известь не обладает высокой прочностью. При ее определении в образцах из раствора состава 1:3 (с нормальным песком) прочность при сжатии должна быть 2-5 МПа через 28 суток комбинированного хранения (7 суток во влажном воздухе и 21 сутки в воде).

В настоящее время гидравлическая известь имеет ограниченное применение — для строительных растворов и бетонов невысокой прочности, для кладки в сырых местах (подвалах, каналах), в мало­этажном строительстве и др. Совсем не изготовляется теперь ро­ман-цемент — гидравлическое вяжущее вещество, получавшееся из­мельчением в тонкий порошок умеренно обожженных (не до спекания) известковых или магнезиальных мергелей при содержа­нии в них глинистых примесей до 25—35%. Эту разновидность це­мента полностью вытеснил портландцемент.

Портландцемент— продукт тонкого измельчения клинкера, по­лучаемого в результате равномерного обжига до спекания природ­ного сырья (мергеля) или искусственной однородной сырьевой сме­си определенного состава, содержащей известняк и глину. В процессе помола клинкера добавляют гипсовый камень в количе­стве до 3,5% (в пересчете на серный ангидрит). Можно частично за­менить сырьевую смесь доменным шлаком, нефелиновым шламом, опокой и др. при условии, что сырье сохраняет необходимый рас­четный состав.

Природное минеральное сырье в виде известкового мергеля встречается редко, приходится ориентироваться, в основном, на ис­кусственные сырьевые смеси. Как отмечено, они составляются с по­мощью пород с высоким содержанием углекислого кальция (чистых известняков, мела, известковых туфов, мергелистых известняков и др.) и пород, относящихся к глиноземистому сырью (тяжелые гли­ны, мергелистые глины, глинистый сланец и др.). Исходя из химиче­ского состава сырьевой смеси и заданной характеристики состава клинкера вычисляют соотношение между ее компонентами с воз­можно большей точностью. Вид сырья отражается на выборе оборудования, необходимого для его подготовки, обжига и помола про­дукта обжига с добавками и с переводом их в состояние однородного мельчайшего порошка — портландцемента.



В зависимости от характера приготовления сырьевой смеси раз­личают мокрый, сухой и комбинированный способы производства портландцемента. Каждый из этих способов имеет свои особенно­сти, достоинства и недостатки. В нашей стране на цементных заво­дах преобладает пока мокрый способ, хотя многие заводы перестра­ивают технологию на более экономичный по расходу топлива сухой и комбинированный способы.

При мокром способе (рис. 9.3) сырьевую смесь измельчают в шаровых мельницах в присутствии большого количества воды (до 36—42% массы сухого вещества) и получают жидкотекучую массу, или суспензию. Ее называют шламом. Из шлам-бассейна 7 масса направляется для обжига во вращающуюся печь 8. Мокрый способ целесообразно использовать при применении в качестве компонен­тов мела, сырой глины, что понижает расход электроэнергии на измельчение сырьевой смеси. При этом способе облегчается транс­портирование и перемешивание сырьевой смеси, однако расход топлива на обжиг ее в печи в 1,5—2 раза больше, чем при сухом способе.

 

Рис. 9.3. Технологическая схема производства портландцемента по мокрому способу:

1 — подача известняка из карьера; 2 — дробилка для известняка; 3 — подача глины из карьера; 4 — подача воды; 5 — бассейн для размешивания глины; 6 — сырьевая мельница; 7 — шлам-бас­сейны; в — вращающаяся печь; 9 — холодильник; 10 — подача угольной пыли в печь; 11 — элева­тор для подачи угля из дробилки в бункер; 12 — сушильный барабан для угля; 13 — мельница для угля; 14 — склад угля; 15 — склад гипса; 16 — элеватор для подачи гипса из дробилки в бункер; 17 — склад клинкера; 18 — шаровая мельница; 19 — силосы для цемента; 20 — упаковка цемента

 

При сухом способе готовят сухой порошок смеси исходных ма­териалов (так называемая сырьевая мука), который обжигают во вращающейся печи.

Комбинированным называют способ производства, при кото­ром сырьевая смесь для обжига подготавливается в виде гранул. Шлам обезвоживают до влажности 16—18% и полученный «сухарь» (корж) перерабатывают в гранулы на специальных грануляторах. Можно также увлажнять сырьевую муку до 12—15% и из нее изго­товлять те же гранулы для обжига. Комбинированный способ, по сравнению с мокрым, дает до 20—30% экономии топлива.

При всех способах весьма важно обеспечить бесперебойное по­ступление сырьевой смеси на обжиг для получения из нее портланд-цементного клинкера.

Обжиг сырьевой смеси — центральный этап технологии цемен­та. Для обжига применяют два типа печей — шахтные и вращаю­щиеся.



Для производства цемента мокрым и сухим способами применя­ют вращающиеся печи длиной от 150 до 230 м, диаметром 5—7 м и короткие длиной от 60 до 95 м с различными запечными устройства­ми (конвейерный кальцинатор, циклонные теплообменники, холо­дильники и др.).

Вращающуюся печь 8 (см. рис. 9.3) устанавливают с небольшим уклоном (3—4°) в сторону передвижения сырьевой смеси. Печь мед­ленно (1—2 об/мин) вращается вокруг своей оси в подшипниках. Сырьевая смесь подается в печь автоматическим питателем с верх­него ее конца, а со стороны нижнего конца вдувают топливо — ма­зут, природный газ или воздушно-угольную смесь. Горячие газы на­правляются навстречу сырьевой массе. По всей длине вращающейся печи условно вьщеляют шесть зон, которые различают по основным физическим и химическим процессам, проходящим при нагревании. Внутри печи, облицованной надежной огнеупорной футеровкой, на­ходятся различные внутрипечные устройства для лучшего переме­шивания и интенсивного прогрева сырья (фильтр-подогреватели шлама, цепные завесы, металлические и керамические теплообмен­ники).

В зоне сушки испаряется свободная вода. Подсушенный матери­ал комкуется и распадается на гранулы. В зоне подогрева при тем­пературе от 200 до 700°С сгорают органические примеси, удаляется химически связанная вода и образуется каолинитовый ангидрит Al2O3∙2SiO2. Обе эти подготовительные зоны составляют при мок­ром способе около половины длины печи, при сухом способе — значительно меньше. В зоне кальцинирования при интервале темпера­тур от 700 до 1100°С происходит диссоциация карбонатов СаСО3 и MgCO3, а также разложение глинистого компонента на оксиды SiO2, Al2O3, Fe2О3. Они вступают в химическое взаимодействие с СаО. Протекают реакции, связанные с диффузионными процессами в твердом состоянии и с формированием новообразований (искусст­венных минералов). Вначале образуются однокальциевый алюми­нат СаО∙Al2О3 (или в условном обозначении СА), а затем двухкальциевый силикат 2СаО∙SiO2 (или в условном обозначении C2S). При температуре, близкой к 1200°С, однокальциевый алюминат, насы­щаясь известью, переходит в пентакальциевый триалюминат 5СаО∙3Al2О3 и затем в трехкальциевый алюминат 3СаО∙Al2О3 (или С3А). Оксид железа образует с оксидом кальция двухкальциевый феррит 2СаО ∙Fe2О3 (или С2F) и четырехкальциевый алюмо-феррит 4СаО∙Al2О3∙Fe2O3 (или C4AF).

При достижении температуры примерно 1300°С все реакции в твердой фазе в основном завершаются, но часть извести остается в свободном состоянии. При дальнейшем повышении температуры (1300—1450°С) происходит частичное плавление сырьевого матери­ала — спекание, чему особенно легко поддаются C4AF, СаО и MgO. Обычное содержание жидкой фазы при температурах спекания со­ставляет 15—30%. В твердом состоянии остается 2СаО∙SiO2, но и он частично растворяется в этой жидкости, образуя с молекулярно-дисперсной известью трехкальциевый силикат 3СаО∙SiO2 (или C3S), поскольку жидкая среда интенсифицирует диффузию молекул оксида кальция. C3S выделяется из жидкой среды вследствие мень­шей растворимости в расплаве в виде мельчайших, но способных к росту кристаллов. Это новообразующееся вещество в кристалличе­ском состоянии является главной составной частью портландцемен­та. Для его более полного выделения из расплава требуется темпера­тура 1450—1500°С со сравнительно длительным сохранением этих тепловых условий. Но даже при самых благоприятных условиях пе­ревод всего двухкальциевого силиката в более устойчивое состояние в виде трехкальциевого силиката затруднителен. Для поддержания необходимой концентрации растворенных в расплаве извести и Ca2S потребовались бы весьма высокие температуры и длительный период времени.

В сырьевых смесях, насыщенных известью, некоторая часть ее может остаться неусвоенной в процессе обжига. Однако свободной извести в портландцементе не должно быть выше 1—1,5% во избе­жание неравномерного изменения объема при его твердении.

При медленном охлаждении продукта обжига жидкая фаза мо­жет почти полностью перейти в продукты кристаллизации, а при очень быстром — в переохлажденную жидкость (стекло). Обычные тепловые режимы в печи благоприятствуют и кристаллизации, и ча­стичному застекловыванию, причем стекло окаймляет отдельные кристаллы.

Таким образом, в результате внутренних химических и физи­ко-химических процессов при обжиге сырьевой смеси образуется клинкер, в составе которого имеются сложные соединения как в кристаллическом состоянии — C3S и C2S, так и в стеклообраз­ном — С3А, С5А3, C4AF. Кроме того, присутствуют в нем MgO (главным образом в виде кристаллов периклаза), СаО и R2O — в стекловидной фазе. Некоторые из этих соединений называются ис­кусственными минералами, а именно: соединения C3S и C2S назы­ваются соответственно алитом и белитом. Эти минералы не явля­ются химически чистыми компонентами клинкера. Так, например, C3S может воспринять некоторое количество алюминатов; C4AF воспринимает немного трехкальциевого алюмината и т.д. Поэто­му микроскопический анализ показывает состав, который не совпадает с расчетным составом. По расчетному Минералогическому [составу портландцементный клинкер можно разделить на группы: алитовый с содержанием алита свыше 55% и белита меньше 20%; белитовый — с содержанием алита меньше 40% и белита — боль­ше 40%; нормальный с содержанием алита 40—55% и белита 20—40% при общем количестве во всех трех случаях С3А + C4AF 20—25% (по массе); алюминатный — при содержании С3А больше 10% и C4AF меньше 15%; .алюмоферритный — при содержании С3А меньше 10% и C4AF больше 15% при общем количестве сили­катов, равном 75%.

Из вращающейся печи клинкер выходит в виде мелких гранул (10—40 мм) зеленовато-серого цвета, после чего его охлаждают воз­духом до 100—200°С и направляют на магазинирование. Эта опера­ция выражается в выдерживании клинкера на складе или в силосе для дальнейшего снижения его температуры и частичного самоизме­льчения под влиянием тепловых перепадов, гашения свободной из­вести и других факторов.

При сухом способе подготовки сырья декарбонизация извест­няка обычно выносится за пределы вращающейся печи — в декарбонизаторы, что позволяет использовать теплоту отходящих газов, ускорить процесс обжига, снизить расход топлива и энер­гозатрат, металлоемкость оборудования за счет уменьшения дли­ны печи.

На основании изложенного можно заключить, что получаемый портландцементный клинкер характеризуется содержанием отдель­ных оксидов; соотношениями между содержанием главнейших окси­дов, выражаемыми в форме модулей и коэффициента насыщения; содержанием клинкерообразующих соединений — клинкерных ми­нералов.

Главнейшими оксидами клинкера являются CaO, SiO2, Al2О3, Fe2O3. Среди других оксидов, оказывающих нередко существенное влияние на качество цемента, следует отметить MgO, SO3, N2О, K2О, TiO2, P2O5, Mn2О3. Три последних оксида встречаются в очень ма­лых количествах и при расчетах обычно их не учитывают. Химиче­ский состав клинкера характеризуется следующими пределами со­держания вышеуказанных оксидов (% по массе): СаО — 62—67%; SiO2 — 20—24; Al2О34—8; Fe2O6 — 2—5[30], других оксидов (MgO, SO3) — 1—3%.

Имея химический состав, нетрудно определить приближенные значения модулей: основного, или гидравлического, m, который был указан выше при описании гидравлической извести (см. 8.2.1),

силикатного, или кремнеземного, и алюминатного, или глиноземного, Модули должны быть в пределах: m = 1,9—2,4; n = 1,7—3,5; p = 1,0—2,5.

В настоящее время редко используется в расчетах основный, или гидравлический, модуль для характеристики клинкера. Однако все­гда определяется коэффициент насыщения (КН), показывающий от­ношение количества извести, остающейся после полного насыщения глинозема, оксида железа и серного ангидрита, к тому количеству

извести, которое необходимо для полного насыщения кремнезема: Этот коэффициент насыщения изве­стью обычного цемента колеблется в пределах 0,82—0,95. Повышен­ное значение коэффициента насыщения (КН>1) означает наличие свободной извести, что может вызвать неравномерное изменение объема, трещинообразование, разрушение цементного камня и бе­тона. Его пониженное значение (КН<0,8) связано с замедленным процессом твердения цементного теста и уменьшением прочности (марки) портландцемента.

Указанные модули сравнительно четко характеризуют свойства цемента. Так, например, цементы с высоким силикатным модулем медленно схватываются и твердеют, но с течением времени они до­стигают весьма высоких прочностей. У таких цементов имеется по­вышенная стойкость к воздействию минерализованной воды. Одна­ко в период изготовления клинкера с высоким силикатным модулем затрудняются процессы спекания, требуется повышенная температу­ра. Наоборот, низкий силикатный модуль придает сырьевой смеси чрезмерную легкоплавкость и в связи с образованием натеков и кус­ков на футеровке печи также затрудняет обжиг.

 

Рис. 9.4. Пределы прочности клинкерных компонентов при испытании на сжатие в

разные сроки твердения (по данным С.Д. Окорокова)

 

Цементы с высоким глино­земным модулем, что соответствует повышенному содержа­нию алюминатов кальция, быстрее схватываются и твер­деют. Однако достигнутая в первые сроки прочность почти не возрастает при дальнейшем твердении. Такие цементы ме­нее стойки к воздействию ми­нерализованной воды. При ма­лых значениях глиноземного модуля, т. е. при больших ко­личествах в клинкере оксида железа, цементы медленнее схватываются и твердеют, но дают более высокую конечную прочность. Оксид железа облегчает обжиг клинкера, понижает температуру его спекания.

В цементах лимитируется содержание оксида магния (4—4,5%), так как, находясь в свободном состоянии, он может, вследствие мед­ленной и более поздней гидратации, вызывать появление напряже­ний и трещин в изделиях. Основной характеристикой клинкера слу­жит его минеральный состав, т. е. содержание C3S, C2S, С3А и C4AF. Учитывая, что каждому минералу портландцементного клинкера присущи свои особенности (рис. 9.4), которые в той или иной степе­ни влияют на общие свойства цемента, строителям нельзя обращать внимание только на прочностные показатели. По данным С.Д. Окорокова, наибольшей прочностью для всех сроков твердения обладает алит.

Наибольшей интенсивностью нарастания прочности отличается С3А, но он, как и C4AF, дает низкую прочность. Последнее место, как по абсолютным показателям прочности, так и по интенсивности роста прочности, занимает белит. Следует отметить, что в длитель­ные периоды времени твердения белит способен набирать высокую прочность. Аналогичным образом ведут себя смеси из этих компо­нентов. Наибольшую прочность показали двухкомпонентные смеси алита и С3А, наименьшую — алит в смеси с белитом и алит в смеси с С4АР. Увеличение содержания С3А до 15% повышает прочность в первые сроки твердения, но в дальнейшем дает уменьшение прочно­сти. Содержание С3А до 10% дает наилучший постоянный прирост прочности при объединении с C3S, хотя отдельно С3А как отмеча­лось выше, дает весьма малую прочность. В этом случае положите­льную роль сыграло присутствие в цементе гипса, который добав­лялся при помоле клинкера. С ним образуется при твердении теста комплексная соль — кристаллический гидросульфоалюминат каль­ция 3СаО∙Al2О3∙3CaSO4∙31 (или 32) Н2О, называемая эттрингит. О ней подробнее изложено ниже в связи с коррозией бетона (см. 9.10).

При оценке качества и выборе необходимого для конкретных целей цемента, кроме прочностных показателей принимают во вни­мание деформативные, усадочные, тепловыделение, коррозиестойкость, морозостойкость и стойкость к внешним условиям работы строительных конструкций и другие свойства. Присутствие искусст­венных минералов клинкера в различных количествах и сочетаниях вносит свои коррективы в соответствующие показатели цемента.

Деформативная способность — удароустойчивость и пластич­ность — значительно выше у алюмоферритного цемента (20% C4AF), практически лишенного трехкальциевого алюмината (по данным А.Е. Шейкина, С3А было 1%). Алитоалюмоферритный це­мент (по данным А.В. Саталкина) дает почти в 2 раза большую пре­дельную растяжимость, чем алюминатный цемент. Содержание С3А сильно уменьшает деформативную способность цемента, увеличива­ет вероятность трещинообразования. С3А является наиболее хруп­ким минералом, тогда как C4AF — наименее хрупким. Среднее по­ложение занимают C3S и C2S. Аналогичное положение занимают минералы и по свойству их твердости.

Объемные деформации при твердении теста и бетона также за­висят от минерального состава цемента. В.А. Кинд установил, что наибольшую усадку дает С3А, а затем C2S. Алит и алюмоферрит оказывают наименьшее влияние на объемные деформации цемента.

Неодинаково у минералов цементного клинкера и тепловыделе­ние, которое влияет на среднюю температуру, развивающуюся при твердении цементного теста. Так, например, наибольшее количест­во теплоты выделяют C3S и С3А, которая на третьем месяце тверде­ния составляет 200—220 кал/г. Третье место занимает C4AF — 100 и последнее место — C2S — 50—60 кал/г. Среднее количество тепло­ты, выделяемое цементами, колеблется в зависимости от минерало­гического состава от 50 до 140 кал/г, но в основном оно зависит от суммы C3S и С3А, как наиболее экзотермичных при твердении. По этой причине для бетонных работ в осенне-зимний период желате­льно использовать цемент с повышенным содержанием алита и С3А, то же — при необходимости сокращения сроков изготовления бе­тонных и железобетонных изделий, особенно тонкоребристого типа. При изготовлении массивных бетонных конструкций требует­ся цемент с возможно меньшей экзотермией, например, типа белитового.

Разрушение портландцемента при сульфатной агрессии связано с наличием в нем алюмината кальция. Следовательно, в этой среде у цемента должен быть повышенным силикатный модуль, уменьшен­ное содержание С3А, например не более 5%. Против воздействия кислот неустойчивы ни силикаты, ни алюминаты, так как происхо­дит их растворение.

Приходится учитывать также, что морозостойкость, выражае­мая многократным замораживанием и оттаиванием бетона, насы­щенного водой (например, в опорах мостов на уровне воды), пони­жается при увеличении содержания С3А в цементе.

Не являются пассивными ингредиентами щелочные оксиды K2O, когда в бетоне используются заполнители в виде опала — аморфно­го кремнезема (SiO2, n∙H2O), повышающие диффузию воды в бетон и осмотическое давление в нем вплоть до критического уровня и разрушения строительной конструкции.

Портландцемент применяют главным образом для бетонных и железобетонных конструкций в наземных, подземных и подводных сооружениях, в том числе и таких, которые подвержены поперемен­ному замораживанию и оттаиванию. Для растворов они использу­ются только в тех случаях, когда не имеется более дешевых вяжущих веществ — воздушной и гидравлической извести, смешанных цемен­тов и др. В цементных растворах требуется предусмотреть введение водоудерживающих добавок — извести, глины, цемянки, золы, молотого известняка и др. Во всех случаях использования портланд­цемента непременно учитывают, что имеются и специальные разно­видности этого вяжущего вещества — быстротвердеющий, сульфатостойкий, пластифицированный и гидрофобный, белый и цветной, тампонажный и др., а также смешанные на основе портландцемента или на основе извести. Кроме того, возможны к применению иные разновидности цементов, которые также необходимо иметь в виду при выборе рационального вяжущего вещества для конкретных строительных целей. Все они в той или иной мере рассмотрены ниже.

Здесь же важно отметить, что среди наиболее важных показателей качества портландцемента и других цементов является так на­зываемая активность — показатель предела прочности, получае­мый при испытании на осевое сжатие половинок образцов-балочек размером 4x4x16 см, изготовленных из цементного раствора соста­ва 1:3 (по массе) и В/Ц = 0,4, в возрасте 28-суточного твердения[31]. При изготовлении цементного раствора используют нормальный песок Привольского месторождения, содержащий не менее 98% кварцевых зерен размером 0,5—0,9 мм. Образцы-балочки изготов­ляют по стандартной методике. По активности судят о марках це­мента.

Маркой цемента принято именовать величину его активности, но с округлением до нижнего предела и с учетом его предела проч­ности при изгибе.

Различают следующие марки портландцемента: М 400, М 500, М 550 и М 600. Требования к маркам портландцемента и некото­рым его разновидностям приведены в табл. 9.2.

Таблица 9.2. Требования к маркам портландцемента и его разновидностям

Наименование цемента Марка цемента Предел прочности при изгибе, МПа, в возрасте, сут. Предел прочности при сжатии, МПа, в возрасте, сут.
Портландцемент и портландцемент с минеральными добавками* — — — — 5,5 6,0 6,2 6,5 — — — —
Быстротвердеющий портландцемент 4,5 5,5 6,0
Шлакопортландцемент — — — 4,5 5,5 6,0 — — —
Быстротвердеющий шлакопортландцемент 3,5 5,5

* Допускается выпускать портландцемент с минеральными добавками марки 500 с пределом прочности 28 суток твердения при изгибе не менее 4,5 МПа и при сжатии не менее 30 МПа.

 

Допускается ускоренное испытание на определение активности, например в возрасте 3 или 7 суток, но с последующим уточнением данных применительно к нормальному 28-суточному возрасту ис­пытания образцов.

Кроме активности по стандарту, желательно, в соответствии с теорией ИСК и ее законом конгруэнции (см. 3.2), определять еще расчетную активность портландцемента (и других видов вяжущего вещества). Под расчетной активностью подразумевается предел прочности при сжатии (или при других видах напряженного состоя­ния) цементного камня оптимальной структуры, полученного и ис­пытанного с учетом реальных условий ИСК на основе этого цемен­та. Зафиксированная величина активности называется расчетной потому, что входит в формулы для расчета соответствующей проч­ности бетона оптимальной структуры. Стандартная же активность является некоторой условной, нужной для товарной маркировки це­мента, т. е. для сравнения его с другими цементами. В техническую характеристику портландцемента входят такие показатели (в коли­чественных значениях): тонкость помола, плотность, сроки схваты­вания, равномерность изменения объема (по данным визуального осмотра образцов). Все они обусловлены стандартными методика­ми их определения.

Тонкость помола оценивают по количеству цемента, прошед­шему через сито с сеткой № 008 (размер ячейки в свету 0,08 мм); должно просеиваться не менее 85% массы просеиваемой пробы. Значимой величиной в оценке тонкости помола служит удельная поверхность частиц цемента, определяемая с помощью поверхностомера. Средний размер частиц цемента составляет 15—20 мкм, что соответствует удельной поверхности, равной 2500—3000 см2/г.

Плотность портландцемента без минеральных добавок равна 3,1 г/см3, насыпная плотность в среднем — 1300 кг/м3.

Сроки схватывания — начало не ранее 45 мин, конец — не позд­нее 10 ч от начала затворения цемента водой в тесто нормальной гу­стоты. Под последней понимается количество воды, в % по массе, которое потребовалось ввести, чтобы пестик в приборе Вика мог опуститься в кольцо с тестом на глубину, при которой он не дохо­дит до дна на 5—7 мм. Нормальная густота портландцемента обыч­но находится в пределах от 22 до 28%. В цементе, содержащем активные минеральные добавки, нормальная густота может возрас­тать до 32—35%.

Равномерность изменения объема, при своей простоте определе­ния, является важной характеристикой цемента. Она выражается в визуальной оценке состояния образцов-лепешек из теста нормаль­ной густоты в возрасте 24 ч, прошедших трехчасовое кипячение в воде. По стандарту образцы не должны деформироваться или иметь радиальные трещины. Эти дефекты возможны при гидратации сво­бодной извести СаО или периклаза MgO, оказавшихся в цементе сверх допустимого предела и вызвавших местные деформации испы­туемых образцов.

Все необходимые сведения о технических свойствах цемента со­общаются потребителям, получающим цемент с завода, в виде пас­порта на поставляемую партию цемента. Размер партии может со­ставлять от 300 до 400 т, но паспорт относится обычно к партии цемента в 200—300 т.

Разновидности портландцемента. Быстротвердеющий портланд­цемент, как уже отмечалось, получается в основном за счет повышен­ного содержания в клинкере быстротвердеющих минералов C3S и С3А, т. е. чтобы цемент был алитоалюминатным. Желательное содержание этих минералов находится в пределах: C3S — 50—60%, С3А — 8—12%, а сумма их — не менее 65%. Повышенное содержание этих соединений должно сопровождаться и повышенным содержанием двуводного гипса, вводимого при помоле клинкера. Гипсового камня принимает­ся такое количество, которое может быть химически связано в тверде­ющем портландцементом тесте в течение первых 24 ч после его затворения, что обычно составляет около 3% (2—5%).

Для ускорения процессов твердения необходим более тонкий и однородный помол сырьевой смеси, использование исходных мате­риалов по возможности с аморфной структурой, поддержание по­вышенных температур при обжиге с добавлением в смесь минерали­заторов (например, плавикового шпата), более быстрое охлаждение клинкера, выходящего из зоны спекания, более тонкий помол клин­кера (до 3500—4000 см2/г). Скорость нарастания прочности цемент­ного камня можно увеличить также путем введения химической до­бавки — хлористого кальция, соляной кислоты или других веществ аналогичного действия, вводимых в малых дозах.

Производство быстротвердеющего портландцемента началось в нашей стране с 1955 г., что позволило снизить расход цемента в бе­тоне и уменьшить энергозатраты на теплообработку изделий в, связи с укороченной ее продолжительностью.

Сверхбыстротвердеющий высокопрочный портландцемент (СБТЦ) отличается от быстротвердеющего (БТЦ) значительно бо­лее высокой ранней прочностью. Так, например, через 6 ч после затворения водой фиксируется прочность в 10 МПа, что в два раза бо­льше получаемой при твердении теста на основе СБТЦ. При использовании СБТЦ можно через 1—4 ч получать прочность бето­на, достаточную для распалубки изделий, расход цемента снизить до 20%, значительно сократить энергозатраты на теплообработку изделий.

В технологический период при изготовлении СБТЦ в сырьевую смесь вводят галогеносодержащие вещества, например фторид каль­ция, увеличивают в смеси содержание алюминатов.

В ряду быстротвердеющих и сверхбыстротвердеющих цементов возможно по своим свойствам расположить еще особобыстротвердеющий цемент. Он является высокопрочным и в возрасте 1 сутки имеет предел прочности при сжатии 20—25 МПа. В нем 65—68% C3S, C3A до 8%. Его удельная поверхность — свыше 4000— 4500 см2/г.

Сульфатостойкий портландцемент получают при совместном тонком помоле клинкера специального состава (с малым содержа­нием алюминатов кальция) с гипсом до 8%. Он и его разновидности имеют строго установленный химический состав: трехкальциевого силиката C3S — не более 50%, трехкальциевого алюмината C3A — не более 5%, а сумма C3A и C4AF — не выше 22%, оксида магния не более 5%. Сульфатостойкий портландцемент имеет марку 400, не должен содержать минеральных добавок, если они снижают моро­зостойкость бетонов на основе этих вяжущих веществ. Разно­видности этого цемента: Сульфатостойкий портландцемент с мине­ральными добавками марок 400 и 500, Сульфатостойкий шлакопортландцемент марок 300 и 400 и пуццолановый портланд­цемент марок 300 и 400. Их применяют при строительстве подземных и подводных частей сооружений, подвергающихся сульфатной коррозии.

Обычный сульфатостойкий портландцемент применяют для из­готовления бетонов, работающих в условиях сульфатной среды, на­пример в морской воде, а также для бетонов повышенной морозо­стойкости.

Портпандцвменты с поверхностно-активными добавками. К ним относятся пластифицированный и гидрофобный.

Пластифицированный портландцемент — продукт тонкого измельчения портландцементного клинкера с двуводным гипсом (3—5%) и с добавлением при помоле около 0,25% сульфид­но-дрожжевой бражки (СДБ) или другой пластифицирующей добав­ки Эти добавки, адсорбируясь на поверхности частиц цемента, по­вышают смачиваемость цемента водой, не препятствуя их взаимодействию. Добавки уменьшают трение между зернами цемен­та, а в бетонных смесях — и между зернами заполнителя, вследствие чего повышают их подвижность, позволяют уменьшить расход це­мента в бетоне на 5—10%.

Гидрофобный портландцемент — продукт тонкого измельчения портландцементного клинкера с двуводным гипсом (3—5%) и с добавлением при помоле 0,1—0,2% гидрофобизирующих добавок — мылонафта, синтетических жирных кислот, асидола. Синтетические жирные кислоты, их соли (мыла) и другие частицы, адсорбируясь на поверхности зерен цемента, образуют тончайшие водоотталкивающие пленки, уменьшающие смачиваемость цемента водой. В результате гидрофобные цементы могут длительное время пребывать на воздухе с повышенной влажностью без потери своей активности.

При перемешивании бетонной смеси целостность гидрофобной пленки нарушается, после чего цемент беспрепятственно взаимодей­ствует с водой. Остающиеся добавки в теле бетона улучшают его ка­чество, например повышая морозостойкость, сопротивляемость аг­рессивной среде.

Пластифицированный и гидрофобный портландцементы приме­няют наравне с обычным портландцементом для бетонных и желе­зобетонных наземных, подземных и подводных конструкций, в том числе работающих в условиях циклического замораживания или увлажнения.

Белый и цветные портландцементы. Сырьем для заводского про­изводства белого портландцемента служат чистые известняки и белые глины. Сырьевую смесь обжигают на беззольном (газовом) опливе. Для повышения белизны клинкер обжигают в восстановительной среде и отбеливают путем быстрого охлаждения водой. Белый цемент должен содержать Fе2О3 не более 0,35—0,5%. При помоле особенно тщательно предохраняют цемент от попадания в него частиц железа или оксидов железа, которые нарушают его белизну. По степени белизны белый портландцемент делится на три сорта: цемент 1-го сорта имеет коэффициент отражения не ниже 80%; 2-го сорта — не ниже 75% и 3-го сорта — не ниже 68%. Степень белизны определяют фотометром типа ФМ-58. За эталон принимают серно­кислый барий BaSО4: он имеет коэффициент отражения не менее 95%. Следует отметить, что коэффициент отражения портландце­мента обычного составляет 40%.

Цветные цементы получают путем совместного помола клинке­ра белого портландцемента со щелочестойкими и светостойкими пигментами. Пигментов добавляют не более 15% минеральных и не более 0,3% органических. Для получения цветных цементов желто­го, розового, красного, коричневого, зеленого, голубого и черного цветов используют пигменты природные (охру, железный сурик и др.) и искусственные (оксид хрома, мумию, оксид марганца — пиро­люзит).

По способу П.И. Боженова можно получать цветные клинкеры, добавляя к сырьевой смеси 0,05—0,1% соединений хрома, марганца, кобальта, никеля и др. При помоле таких клинкеров получают цвет­ные цементы с более интенсивной окраской.

Белый и цветные портландцементы выпускают марок М 400 и М 500. Их применяют для архитектурно-отделочных работ, облицо­вочного слоя панелей и блоков, скульптурных работ, цветных раз­делительных полос на автомагистралях и т. п.

Портландцемент дорожный получают совместным помолом портландцементного клинкера, в котором повышенное содержание C3S, но ограниченное C3A — до 8%, а также гипса — до 3,5% по SO3. Пластифицирующих добавок при помоле добавляют не более 0,3%. Присутствие гранулированного доменного шлака допускается до 15% массы цемента. Выпускается этот цемент двух марок: 400 и 500. Начало схватывания не ранее 2 ч после затворения водой.

Дорожный портландцемент предназначен для устройства бетон­ных покрытий автомагистралей, придавая им повышенную морозо­стойкость, деформативность, прочность при изгибе и ударной на­грузке, а также низкие показатели истираемости и усадки.

Расширяющийся портландцемент (РПЦ) — гидравлическое вя­жущее вещество, получаемое в процессе тонкого измельчения смеси, состоящей из портландцементного клинкера (60%), глиноземистого клинкера или шлака (6%), доменного гранулированного шлака или другой активной минеральной добавки (25%) и гипса (9%). РПЦ ха­рактеризуется высокой плотностью, быстрым твердением при крат­ковременном пропаривании, водонепроницаемостью до 1,2 МПа и более, а также повышенной морозостойкостью цементного камня. Главным достоинством этого цемента служит способность цемент­ного теста в начальный период твердения переходить в цементный камень с линейным расширением 0,3—0,4% при постоянном увлаж­нении (в течение трех суток).

Применяют РПЦ, как и другие цементы с аналогичным качест­вом, при заделке в целях гидроизоляции швов тюбингов, раструб­ных труб, стыков и трещин в бетонных и железобетонных конструк­циях, в производстве сборных бетонных изделий с сокращением времени их тепловой обработки.

Алинитовый цемент — одна из новых разновидностей быстротвердеющих портландцементов. В качестве сырьевых материалов для его производства применяют смесь известняка, глинистого компо­нента и добавки раствора хлористого кальция. Для получения клин­кера сырьевую смесь обжигают при температуре 1050—1150°С вмес­то 1450—1500°С при получении клинкера портландцемента. Полученный клинкер измельчают совместно с добавкой двуводного гипса в количестве 2,5—3,5% массы цемента в расчете на SO3. Допу­скается введение 10—30% активных минеральных добавок или 30—50% доменного гранулированного шлака.

В составе клинкера преобладают минералы — алинит (хлорсиликат кальция), являющийся основным, поскольку его содержится 60—80% по массе, а также хлоралюминат кальция.

Активность алинйтового цемента составляет 40—60 МПа. При производстве алинитового цемента обеспечивается по срав­нению с портландцементом более низкий (на 15—20%) расход топ­лива при обжиге сырьевой смеси. Но имеются и недостатки: бетоны, приготовленные на алинитовом цементе, имеют пониженную моро­зостойкость, а стальная арматура в железобетоне на основе такого цемента корродирует под влиянием ионов хлора. Отрицательные явления в значительной мере устраняются различными мероприя­тиями.

Механоактцвированный портландцемент начали выпускать на отдельных заводах по своеобразной технологии с целью улучшения его строительно-технических характеристик, а также увеличения его массы при сохранении исходной активности. В результате механо-химической активации повышается не только дисперсность матери­ала, но и реакционная способность, выражаемая в приросте гидравлической активности на 30—40 МПа. Последнее означает возмож­ную экономию до 70% цементного клинкера в связи с его заменой минеральными добавками, например горной кремнесодержащей породой, песком, золошлаковым отходом и др. Обычно реализуется одна из двух возможных технологических схем производства меха-ноактивированного портландцемента: по 1-му варианту --1т це­мента марки 500, добавка с получением после активации 1—4 т золошлаковых отходов, песка или другого минерального вещества с выходом на конечной операции 2—5 т вяжущего вещества марки 300—500 и возможного получения широкой номенклатуры сухих смесей для строительных и отделочных работ; по 2-му варианту — 1 т цемента марки 500 с добавкой механохимической обработки ве­щества, с получением 1 т цемента марки 700—800, и, соответствен­но, качественно новых технических свойств цемента в бетонах и рас­творах, в том числе при получении искусственного литого камня (фундаментного, тротуарного, декоративного и др.).

Глиноземистый цемент и его разновидности.К клинкеросодержа-щим гидравлическим вяжущим веществам, кроме портландцемента и его разновидностей, относится и глиноземистый цемент со своими разновидностями. Однако для его получения требуется клинкер иной, а не портландцементный. Этот цемент является быстротвердеющим вяжущим веществом, набирающим через сутки твердения прочность, которая составляет свыше 85% его марочной прочности. Он получается обжигом до плавления, и тогда сырьевая смесь в виде брикетов обжигается в электропечах или вагранках при температу­ре 1400—1500°С. Обжиг может быть до спекания, и тогда клинкер получают во вращающихся печах при температуре 1200—1300°С. За обжигом следует тонкий помол продукта обжига — сплава или клинкера. От других цементов глиноземистый отличается высоким, преобладающим содержанием в клинкере алюминатов кальция (nСаО∙mAl2O3).

К основным видам сырья для получения глиноземистого цемен­та относятся боксит Al2O3nH2O и известняк. Но боксит — сравни­тельно редко встречающаяся горная порода и, к тому же, весьма, ценная для получения металлического алюминия. Поэтому исполь­зуют некоторые промышленные отходы, богатые глиноземом (Al2O3). В нашей стране разработан способ производства этого це­мента путем плавки в доменной печи бокситовой железной руды с добавлением известняка или извести и металлической стружки или лома. В такой домне кроме чугуна получают шлам температурой 1550—1600°С, который и является глиноземистым клинкером, по­ступающим на помол его в цемент.

Глиноземистый цемент представлен следующими оксидами ( %): Al2O3 — 55; СаО — 45; SiO2 — 5—10; Fe2O3 — 5—15 (включая закись железа). Основным компонентом цемента является однокальциевый алюминат СА, который в дальнейшем при взаимодействии с водой характеризуется нормальным сроком схватывания (начало не менее 30 мин), высокой прочностью цементного камня в ранние сроки твердения. При повышенном содержании СаО возникает при обжиге C5A3 или C12A7, а при пониженном — СА2. Чтобы не было уменьшения интенсивности нарастания прочности, стремятся огра­ничить содержание C2S, поэтому должен быть минимальный предел содержания кремнезема в сырье. Не приносят пользу в сырье окси­ды и закиси железа, скорее — наоборот. Вовсе нежелательно при­сутствие МgО и TiO2, так как, отнимая часть оксида алюминия и оксида кальция, они дают негидратирующиеся, т. е. балластные, соединения. По некоторым данным, до 3—5% СаО∙TiO2 влияет на систему положительно.

Помол клинкера производят до очень высокой дисперсности це­мента: больше 90% должно проходить сквозь сито № 008 с сеткой 5476 отв/см2. Однако размалывается в порошок он труднее портлан-дцементного клинкера, с большим расходом электроэнергии на ра­боту мельницы.

Глиноземистый цемент выпускают трех марок: 400, 500 и 600, определенных в трехсуточном возрасте, но уже через одни сутки образцы набирают прочность при сжатии, соответственно, не менее 23, 28 и 33 МПа. Твердение цементного теста (и в изделиях) со­провождается выделением значительного количества теплоты (250—370 кДж/кг). Это хорошо при зимнем бетонировании, но в массивных сооружениях, особенно при работах в летнее время, мо­гут возникать местные перегревы и неравномерное деформирова­ние. Изделия на основе глиноземистого цемента при твердении не­льзя нагревать (например, пропаривать), так как с повышением температуры бетона его прочность быстро падает (в 2—3 раза) в связи с образованием в цементном камне малопрочных соедине­ний — так называемого кубического трехкальциевого гидроалюми­ната 3СаО∙Al2O3∙H2O (C3AH6). Для устранения этого явления, по предложению П.П. Будникова, при помоле клинкера в мельницу до­бавляют природный или обожженный ангидрит CaSO4. Получаемый ангидрито-глиноземистый цемент быстро твердеет не только при нормальной температуре (15—20°С), но и при повышенной (30—40°С и выше), приобретая высокую прочность. Его целесооб­разно использовать при всех срочных строительных работах, осо­бенно, если отвердевание конструкций происходит при повышен­ных температурах. При температурах же до 25—30°С весьма эффективен глиноземистый цемент, обеспечивается высокая проч­ность железобетонных изделий в начальные сроки твердения, повы­шенная морозостойкость, высокая коррозионная стойкость при воздействии сульфатных сред, морской воды. На основе глиноземи­стого цемента изготовляется расширяющийся водонепроницаемый цемент, жаростойкие растворы и бетоны. Однако следует отметить, что в связи с заметным истощением запасов высокосортных бокси­тов качество глиноземистого цемента нередко заметно снижается, в частности, за счет повышенного содержания в них SiO2 и других микропримесей с возможным образованием геленита. В последние годы появились работы, направленные на получение так называе­мого модифицированного глиноземистого цемента. Для его изго­товления используют бокситы, загрязненные примесями, но в сырь­евые смеси вводят полезные добавки, повышающие содержание химических новообразований. В результате новые модифицирован­ные смеси оказались более благоприятными для поддержания улучшенного качества. В небольших размерах применяют добавки с гарантией высокого качества готовой продукции (из работ С.И. Иващенко).

Расширяющийся водонепроницаемый цемент получают способом тщательного перемешивания (или совместного помола) глиноземи­стого цемента (около 70%), гипса (около 20%) и молотого высокоос­новного гидроалюмината кальция (примерно 10%). Он является бы-стросхватывающимся и быстротвердеющим гидравлическим вяжущим веществом. Важный его компонент — высокоосновный гидроалюминат кальция — изготовляют отдельно путем совместно­го помола смеси глиноземистого цемента и извести-пушонки, взя­тых в равных отношениях. Полученную смесь обрабатывают в гип-соварочном котле и высушивают. Готовый продукт C4AH13 — требуемый компонент (10—11%) данного цемента.

Линейное расширение твердеющего цемента в состоянии теста нормальной густоты при воздушном хранении образцов составляет в возрасте 1 суток не менее 0,05%, в возрасте 28 суток — не менее 0,02%; то же при погружении образцов в воду: через 1 ч в возрасте 1 суток не менее 0,2%. Предел прочности при сжатии кубиков разме­ром 20x20x20 мм цементного теста нормальной густоты через 3 су­ток — не менее 30, через 28 суток — не менее 50 МПа. Начало схватывания — не ранее 4 мин, конец — не позднее 15 мин от начала затворения теста. Эти сроки можно замедлять добавкой ССБ, буры и др. Данный цемент используют при восстановлении железобетонных конструкций, для гидроизоляции подземных сооружений, заделки трещин разного рода, зачеканки стыков водопроводных труб и т. п.

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент (ГГРЦ) — гидрав­лическое быстротвердеющее вещество, получаемое совместным по­молом высокоглиноземистого шлака с двуводным сернокислым ка­льцием (не более 30%). Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент имеет начало схватывания не ранее 20 мин и конец схватыва­ния не позднее 4 ч от начала затворения, что выгодно отличает его от водонепроницаемого расширяющегося цемента. При необходи­мости могут использоваться замедлители сроков схватывания — ССБ, бура, уксусная кислота и другие добавки. Линейное расшире­ние твердеющего цемента в состоянии теста нормальной густоты со­ставляет при водно-воздушном твердении не менее 0,1%, а при во­дном твердении — не менее 0,15% через одни сутки. Без влажности, т. е. на воздухе, этот цемент не расширяется и даже дает усадку. Предел прочности при сжатии через 1 сутки 35 МПа для марки 400 и 45 МПа для марки 500. Указанные марки соответствуют трехднев­ному возрасту этого цемента. Деформативная способность ГГРЦ несколько выше, чем у глиноземистого цемента. Он предназначен для получения безусадочных и расширяющихся водонепроницае­мых бетонов, гидроизоляционных штукатурных растворов, для за­делки стыков сборных бетонных и железобетонных конструкций, при бурении скважин и т. п. Обладает морозостойкостью, атмосфероустойчивостью в растворах и бетонах, изготовляемых на его основе; нельзя применять его при работе конструкций при темпера­турах выше 80°С, так как постепенно разрушается важный кристал­лический компонент цементного камня — эттрингит, содержащий в себе много кристаллизационной воды.

Напрягающий цемент (НЦ) — быстросхватывающееся, быстротвердеющее, расширяющееся вяжущее вещество, получаемое тщате­льным смешением в определенной дозировке при совместном помо­ле силикатного, алюминатного и сульфатного компонентов. Силикатным компонентом (65—75%) служит портландцемент или его клинкер; алюминатным (18—20%) — глиноземистый цемент или его клинкер, в качестве которого может быть и глиноземистый шлак; сульфатным компонентом (6—15%), в пересчете на 8Оз, явля­ется строительный гипс или природный гипсовый камень.

Начало схватывания должно быть не ранее 2 мин и конец схва­тывания не ранее 6 мин. При использовании в качестве сульфатного компонента природного гипсового камня начало схватывания НЦ наступает не ранее 8 мин и конец — не менее 15 мин. С помощью до­бавок можно замедлить сроки схватывания. Удельная поверхность НЦ — не менее 3500 см2/г.

НЦ обладает способностью к значительному расширению (до 4%) при твердении в состоянии цементного теста нормальной густоты. В железобетоне НЦ создает после отвердевания в арматуре (независимо от ее расположения) предварительное напряжение. Этим свойством как функцией химической энергии цемента пользу­ются при изготовлении предварительно напряженных железобетон­ных конструкций вместо более сложного механического или терми­ческого напряжения арматуры. С учетом величины достигаемой энергии самонапряжения, т. е. удельного давления в МПа, развивае­мого при твердении НЦ в условиях ограничения свободного расши­рения, выделяют его разновидности НЦ-2, НЦ-4 и НЦ-6. Напрягаю­щий цемент отличается также повышенными показателями водо- и газонепроницаемости, морозостойкости, прочности при растяжении и изгибе. Марки цемента — 400 и 500; определяются испытанием образцов-балочек из цементно-песчаного раствора 1:1 в возрасте 28 суток.

Напрягающий цемент применяют для изготовления конструк­ций из самонапряженного железобетона, а также для гидроизоляции шахт, подвалов, зачеканки швов, в спортивных сооружениях, под­земных гаражах, полах общественных и производственных зданий и других объектах.






Дата добавления: 2015-09-18; просмотров: 447; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию, введите в поисковое поле ключевые слова и изучайте нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам понравился данный ресурс вы можете рассказать о нем друзьям. Сделать это можно через соц. кнопки выше.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2017 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.192 сек.