Портландцемент

Наиболее важным гидравлическим вяжущим является портландцемент. Это медленнотвердеющее вяжущее, получаемое путем высокотемпературного обжига (до спекания, т.е. примерно 1500 °С) мергелей или искусственных смесей, состоящих из 75-78% известняка СаСО₃ и 22-25% каолина Аl₂О₃ · 2 SiO₂ · 2H₂O.

В процессе обжига можно выделить шесть зон мокрого способа получения цемента: 1 – испарения (100-200 °С), 2 – дегидратации (400-800 °С), 3 – декарбонизации (900-1200 °С ), 4 – экзотермических реакций (1200-1300°С), 5 – спекания (1450 °С), 6 – охлаждения.

Полученный материал, называемый цементным клинкером, подвергается тонкому помолу.

Таблица 2

Минералогический состав портландцементного клинкера

При помоле к клинкеру добавляют природный гипс в количестве от 3 до 5% с целью замедления сроков схватывания. Такой молотый тонкодисперсный продукт называется цементом.

При затворении цемента водой происходит взаимодействие его минералов с водой, сопровождающихся образованием новых соединений, которых не было в цементном клинкере. При этом протекают реакции гидролиза и гидратации:

1) 2СаО · SiO₂ + nH₂O = 2CaO · SiO₂ · nH₂O;

2) 3CaO · SiO + (n+1) H₂O = Ca(OH)₂ + 2CaO · SiO₂ · nH₂O;

3) 3CaO · Al₂O₃ + 6H₂O = 3CaO · Al₂O₃ · 6H₂O;

4) 4CaO · Al₂O₃ · Fe₂O₃ + (m+7)H₂O = Ca(OH)₂ + 3CaO + Al₂O₃ · 6H₂O + Fe₂O₃ · mH₂О.

В этом и состоит химизм твердения портландцемента. Однако, схватывание и твердение портландцемента обусловлены комплексом физико-химических процессов.

По теории А.А.Байкова процесс превращения цементного порошка при затворении его водой в цементный камень протекает в 3 стадии.

Первая стадия – затворение. При этом образуется насыщенный раствор.

Вторая стадия - стадия коллоидации. В результате взаимодействия с водой образуется гидросиликаты и гидроалюминаты кальция, обладающие малой растворимостью. Поэтому они образуют коллоидный раствор. Материал приобретает структуру геля, который еще не обладает механической прочностью, но способен сохранить форму.

Третья стадия – стадия кристаллизации. При этом наблюдается процесс перекристаллизации мелких частиц коллоидной системы в более крупные кристаллические частицы, которые, переплетаясь и срастаясь, образуют твердый материал, обладающий механической прочностью.

Наряду с кристаллизацией протекает уплотнение геля за счет связывания воды ранее непрореагированными частицами различных минералов цементного клинкера.

1.3.2. Глиноземистый цемент

Глиноземмистый цемент – быстротвердеющее, гидравлическое вяжущее, получаемое путем высокотемпературного обжига (до начала спекания, т.е. до 1600°С) смеси известняка (СаСО₃) с бокситами (xAl₂O₃ · yH₂O). Бокситы встречаются сравнительно редко и являются ценным сырьем для получения металлического алюминия. Поэтому глиноземный цемент является более дорогим строительным материалом, чем портландцемент.

Главной составной частью этого цемента является однокальциевый алюминат СаО · Al₂O₃. При взаимодействии с водой образуется гидрат двухкальциевого алюмината:

2(СаО · Al₂O₃) + 10Н₂О = 2СаО · Al₂O₃ · 7Н₂О + 2Al(OH)₃.

Двухкальциевый гидроалюминат 2СаО · Al₂O₃ · 7Н₂О – главная составляющая часть затвердевшего глиноземистого цемента. Гидратация глиноземистого цемента сопровождается выделением значительного количества тепла. Это ценно для работ при низких температурах.

В затвердеваемом цементном камне не содержится свободного Са(ОН)₃ и 3СаО · Al₂O₃ · 6Н₂О и это делает его более стойким в отношении физической и сульфатной коррозии.

Схватывание глиноземистого цемента начинается через час после затворения и длится не более 12 часов. Твердение происходит в основном в течение 1-3 дней.