Лекция 7. Гидравлическая известь. Портландцемент

и применение
Продукт умеренного обжига (не до спекания) мергелистых известняков, содержащих

от 6 до 20 % глинистых примесей. Имеет свойство затвердевать не только на воздухе, но и в воде. Сырьем для производства являются мергелистые известняки. Известняки обжигают в шахтных печах при , не доводя до спекания. Во время обжига образуется не только свободная известь , а ее соединения с оксидами глины: силикаты , алюминаты и ферриты кальция , которые придают извести гидравлические свойства.
Гидравлическая известь первые 7 суток твердеет на воздухе, а дальше может твердеть и набирать прочность в воде. Не имеет высокой прочности и ее необходимо перевозить и сохранять в закрытых емкостях, сохраняя от влаги. Применяется (рис. 7.1.):
приготовления кладочных и штукатурных растворов;
бетонов низких классов;
изготовления бетонного стенового камня;
для приготовления смешанных вяжущих.













а. б.
Рис. 7.1. Применение гидравлической извести: а – приготовление растворов; б - бетонный стеновой камень

вяжущее вещество, в составе которого преобладают силикаты кальция (70÷80%). Основное

вяжущее в современном строительстве. Продукт тонкого измельчения клинкера с добавкой гипса (3÷5%).

7.2.1. Сырье для получения портландцемента.

Сырьевая смесь состоит из известняка (75%) и глины (25%). В качестве сырья используют: мел, мергель, глинистые сланцы и отходы различных производств (доменные шлаки, нефелиновый шлам и т.д.).
В качестве топлива используют природный газ, мазут и уголь.

7.3. Производство портландцемента

7.3.1. Общие положения

Технология производства портландцемента сложный и энергоемкий процесс, состоящий:
добычу в карьере и доставку на завод сырьевых материалов, известняка и глины;
приготовление сырьевой смеси;
обжиг смеси до спекания в клинкер;
складирование клинкера;
помол клинкера совместно с гипсом, минеральными и другими добавками;
упаковка готового продукта.

производства портландцемента:
сухой,
мокрый,
комбинированный.
А). Сухой способ (рис. 7.2). Основан на дроблении и

тщательном перемешивании сухих или первоначально высушенных сырьевых материалов (сырьевая мука). Дробление в мельницах объединяют с сушкой до влажности 1÷2 %. Сырьевая мука подается в силосы, где образуется технологический запас для бесперебойной работы печей.
Б). Мокрый способ (рис. 7.3). Целесообразно применять, когда сырье имеет значительную влажность. Входные компоненты дробят и смешивают с большим количеством воды (36÷42 %), образуя редко текучую массу – шлам. С мельниц шлам подают в шлам-бассейны, где регулируют его состав, а оттуда в вращающуюся печь на плавление.
Этот способ снижает энергоемкость дробления, облегчает транспортировку и перемешивание сырьевой смеси, но затраты топлива на ее плавление в 1,5÷2 раза больше, чем при сухом способе.
В). Комбинированный способ (рис. 7.4). Предусматривает подготовку сырьевой смеси для плавления в виде гранул. Шлам обезвоживают до влажности 16÷18 % и перерабатывают в гранулы. В сравнении с мокрым, этот способ дает возможность экономить 20÷30 % топлива.

7.3.2. Плавление сырьевой смеси.

Сырьевую смесь до образования цементного клинкера плавят в печах двух типов – шахтных и вращающихся. Вращающаяся печь дает возможность плавить сырье, подготовленную сухим и мокрым способом, шахтная – только сухим.

цилиндра, который внутри обкладывается огнестойкой футеровкой. Длина печи 60…230 м, диаметр

5…7 м. Во время работы печь вращается вокруг своей оси со скоростью .
Сырье подают со стороны холодного конца, а топливо – с противоположной стороны. Требуемая температура достигается за счет 20…30 метрового факела, направленного навстречу сырьевой массе, которая свободно движется в нижний конец печи, проходя разные температурные зоны.
1 – зона сушки - происходит выпаривание свободной влаги;
2 – зона подогревания - сгорают органические примеси, из минералов глин удаляется связанная кристаллохимическая вода, образуется ;
3 – зона кальцинирования - происходит диссоциация карбонатных солей и , образование большого количества , разложение глинистого компонента на ; ; , которые вступают в химическое взаимодействие со свободным оксидом кальция, образуя минералы ; ; ;
4 – зона экзотермии - образуется дополнительное количество ; , а также минерала .
5 – зона спекания - происходит частичное плавление сырьевых гранул, образуется жидкая фаза в количествах 20…30 %, образуя минерал цементного клинкера . В конце зоны температура снижается до и происходит кристаллизация ; и ;

- завершается формирование состава и структуры

цементного клинкера и он приобретает вид зеленовато-серых гравиеподобных

«горошин». На выходе клинкер охлаждают в холодильниках до , чтобы предупредить образование крупных кристаллов.









Рис. 7.5. Общий вид вращающейся печи.

7.3.3. Складирование клинкера.

Из холодильников клинкер поступает на склад, где его выдерживают на протяжении 1÷2 недель для гашения остатков свободной извести и полной карбонизации.

в таких мельницах дробят стальными шарами (в камерах грубого помола)

или стальными цилиндрами (в камерах тонкого помола). В мельницы вводят необходимое количество гипсового камня для регулирования сроков схватывания (до 3,5 %), других добавок для регулирования свойств цемента. После помола цемент поступает на силосный склад. Общая схема производства цемента с вертикальными печами обжига рабочей смеси приведена на рис. 7.6.

7.3.5. Химический и минеральный состав клинкера

Качество клинкера зависит от его химического и минерального состава. Химический состав клинкера – это четыре основных оксида:
Таблица 7.1

рабочей смеси.








Кроме основных оксидов в состав портландцемента могут входить Na2O,

K2O, и Mg2O другие, которые снижают качество цемента. Их наличие в сырье ограничивают.
В процессе обжига до спекания основные оксиды образуют 4-ре основных минерала цементного клинкера:
1). Трехкальциевый силикат (алит) - определяет скорость твердения, прочность ПЦ, содержания в клинкере ;

- второй по важности минерал. Свободно твердеет, достигает высокой

прочности на поздних стадиях твердения, 20÷30% содержания в клинкере;

3). Четырехкальциевый алюмоферрит - так же промежуточное вещество, в определенной степени влияет на скорость твердения при гидратации цемента, 10÷18% содержания в клинкере;
4). Трехкальциевый алюминат (целит) - входит в состав клинкера, как промежуточное вещество. Образует растворы, которые быстро гидратируют и твердеют, но имеют небольшую прочность, 4÷14% содержания в клинкере.

7.4. Твердение цементного камня и формирование его структуры.

Вследствие смешивания цементного порошка с водой образуется пластическое тесто, которое постепенно сгущается и переходит в камнеподобное состояние. Такое преобразование называется твердением цемента. Это очень сложное явление и потому, несмотря на то, что теория твердения цемента развивается уже более 100 лет, сегодня существуют лишь ее гипотезы.
Известны кристаллизационная теория твердения, коллоидная теория, а также теория, которая их объединяет (А.А. Байков, 1930). Согласно этой теории различают три основных периода твердения портландцемента:
Растворения и гидратации, когда минералы клинкера образуют насыщенные нестойкие системы.
Коллоидация (схватывание), которое характеризуется переходом новообразований в коллоидную систему (гель);
Кристаллизация, когда коллоидная система поступательно кристаллизуется (твердеет) и прочность растет.

цементный камень – это сложная неоднородная система, которая содержит такие

составы:
продукты гидратации цемента – гелеподобные гидросиликаты и гидроалюминаты кальция, а также крупные кристаллы гидроксида кальция;
зерна клинкера, которые не прореагировали с водой, количество которых уменьшается с увеличением сроков схватывания;
заполненные водой поры.
Отличия между физико-механическими свойствами кристаллического и гелеподобного вещества в цементном камне, дает возможность рационально меняя минеральный состав клинкера, управлять структурообразованием цемента.

.

во время его эксплуатации может оказаться под агрессивным воздействием внешней

среды:
насыщению водой;
попеременному замораживанию и оттаиванию;
намоканию и высыханию;
химическому воздействию веществ, которые содержаться в воде и воздухе.
При отрицательных температурах вода, которая находится в капиллярных и воздушных порах цементного камня, переходит в лед, увеличиваясь в объеме на 9 % и, постепенно разрушает его. Для повышения морозостойкости цемента необходимо:
применять цементы с низким содержанием (он образует рыхлые нестойкие структуры);
цементы с минимальным содержанием минеральных добавок (увеличивают водопотребление и капиллярную пористость);
применять интенсивные способы уплотнения при формовании цементных изделий.

времени; б — схема взаимодействия зерен цемента с водой в

различные сроки: 1 — зерно цемента; 2 — вода; 3 — гидратные новообразования; 4 — воздушные пары

Рис. 7.8. Основные структурообразующие фазы цементного камня
(твердение портландцементного теста в воде при 20°С, В/Ц=0,35, в течение 28 суток) по А. Ф. Щурову
При наличии в цементах активных минеральных добавок осадочного происхождения, цементный камень имеет низкую способность сопротивляться нагреванию под действием прямых солнечных лучей, а также попеременному намоканию и высыханию (большая усадка и дегидратация силикатов кальция).
Коррозия цементного камня происходит под действием мягкой воды, растворов кислот, некоторых солей и кислых газов. На практике встречается коррозия цементного камня трех видов.

камня вымывается (выщелачивается) , лишая

прочности пор и, снижая общую прочность изделия. Внешне этот процесс проявляется белыми потеками на поверхности изделия.
Процесс замедляется, если:
В поверхностном слое образуется малорастворимый вследствие естественной или искусственной карбонизации углекислым газом;
снижение в цементе до 50 %;
введение в цемент активных минеральных добавок, содержащих аморфный кремнезем, который химически связывает в нерастворимый в воде гидросиликат кальция :

. .
7.5.3. Второй вид коррозии (кислотная коррозия).

Это разрушение цементного камня водой, который содержит соли, способные вступить в обменные реакции с составляющими цементного камня, образуя продукты, которые либо легко растворяются, либо вымываются водой, либо не имеющие достаточной прочности:
.

.

имеют значение . Кислоты вступают

в реакцию с гидроксидом кальция, образуя растворы солей, которые затем вымываются водой, либо соли, которые увеличиваются в объеме. Некоторые кислоты могут разрушать силикаты кальция. Эффективной защитой цементных изделий от кислотной коррозии является покрытие их кислотоупорными растворами. Достаточно агрессивными для цементного камня являются минеральные удобрения.

7.5.4. Третий вид коррозии.

Третий вид коррозии – разрушение цементного камня под действием сульфатов и едких щелочей. Например, сульфтоалюминатная коррозия:

Трудно растворимый гидросульфатоалюминат кальция (стрингит), который образуется в порах цементного камня, кристаллизуется, увеличивается в объеме в 2,5 раза и разрушает цементный камень. Защита от сульфатной агрессии – сульфатостойкие портландцементы.
Растворы щелочей в порах цементного камня карбонизируется под действием и образует кристаллы , которые являются причиной внутреннего кристаллизационного давления. Это ослабляет структуру и снижает прочность цементного камня.

.

а – общий вид здания с Набережной; б - коррозия

бетона и арматуры плиты перекрытия

7.6. Свойства портландцемента.
7.6.1. Тонкость помола.
Тонкость помола есть необходимое условие проявления вяжущих свойств цемента.
При просеивании через сито № 008 (0,08 мм) должно проходить не менее 85 % массы пробы. Тонкость помола можно определить и поверхностомером.
Прочность и сроки схватывания прямо пропорциональны удельной поверхности, которая должна быть .

7.6.2. Истинная и насыпная плотность.
Истинная плотность портландцемента находиться в диапазоне .

; в уплотненном
7.6.3.

Водопотребление цемента.
Водопотребление цемента – это минимальное количество воды необходимое для получения цементного теста нормальной консистенции (густоты). Нормальная густота определяется с помощью прибора Вика. Водопотребление портландцемента составляет 2427 %, при введении минеральных добавок осадочного происхождения 3237 %. Водопотребление характеризуется соотношением составляющих цемента, тонкостью помола и т.д.
7.6.4. Сроки схватывания цемента.
Сроки схватывания цемента – это время, на протяжении которого масса теряет свою пластичность. Сроки схватывания в соответствие со стандартом обозначают погружением иголки прибора Вика в цементное тесто нормальной густоты. Начало схватывания – время от начала замешивания до момента, когда иголка не доходит до дна на 24 мм. Конец схватывания определяется моментом времени, когда иголка заходит в тесто не больше, чем на 12 мм. Для портландцемента начало схватывания может наступать не ранее как через 45 мин., а конец – не позднее, чем через 10 часов.









а. б.
Рис. 7.10. Прибор Вика для определения сроков схватывания бетона: а – общий вид; б - схема

фосфаты и нитраты калия и др.) и ускорители (карбонаты и

сульфаты металлов).

7.6.5. Активность и марка цемента.

Активность и марка цемента характеризуется его механической прочностью, которая устанавливается пределом прочности на сжатие половинок образцов балочек размером . Стандартные образцы готовят из цементно-
песчаной смеси состава 1:3 (по массе) при на вольском песке,

когда консистенция смеси по расплыву конуса 106115 мм. Испытания проводят в возрасте 28 суток (первоначально – на изгиб, затем – на сжатие).
Значение предела прочности на сжатие образцов называют активностью цемента, а округленное значение в сторону уменьшения активности – маркой цемента.
Марки портландцемента: М400, М500, М550, М600. Число показывает прочность

при сжатии в