Строительные материалы

Неорганические вяжущие вещества

Общие сведения о вяжущих веществах

Для получения большинства искусственных строительных материалов, в первую очередь бетонов и растворов, а также для склеивания штучных материалов в изделиях и конструкциях широко используют вяжущие вещества, которые могут быть неорганическими (известь, гипс, цемент) или органическими (битумы, дегти, смолы). Наиболее широко в строительстве используются неорганические вяжущие, которые и будут рассмотрены ниже.

неорганические вяжущие вещества

Неорганические вяжущие вещества представляют собой искусственные тонкоизмельченные порошки, которые при смешивании с водой (в отдельных случаях с растворами некоторых солей) способны образовывать пластичное тесто, которое в результате физико-химических процессов переходит в камневидное состояние.

В смеси с водой вяжущие применяются редко. В большинстве случаев в смесь вяжущего и воды (тесто) вводят заполнители с целью экономии вяжущего и улучшения свойств искусственного камня.

В зависимости от условий твердения неорганические вяжущие делятся на три группы:

  1. воздушные вяжущие — способны твердеть и набирать прочность только в воздушно-сухих условиях. К ним относятся воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие, жидкое стекло;
  2. гидравлические вяжущие — способны твердеть и набирать прочность не только на воздухе, но и в воде, причем во влажных условиях эти процессы идут лучше, т.е. прочность набирается быстрее и ее конечная величина выше. К этой группе относятся гидравлическая известь, романцемент, портландцемент и его разновидности, глиноземистый цемент и др.;
  3. вяжущие автоклавного твердения — это вяжущие, для твердения которых необходимо создание специальных условий — температуры 175…200 °С в среде нагретого насыщенного пара при его давлении 0,9…1,6 МПа. Собственно говоря, для твердения этих вяжущих достаточно только вышеуказанной температуры, но если повысить температуру, то вода, необходимая для процесса твердения, испарится и твердение прекратится.

К этой группе вяжущих относятся известково-кремнеземистые, известково-шлаковые, известково-зольные и др.

Качество вяжущих веществ, как правило, определяется его маркой или классом, которые устанавливают по прочностным характеристикам.

Иногда вяжущие вещества оценивают по скорости твердения. В процессе твердения неорганических вяжущих условно принято различать два периода: 1) схватывание, т.е. потеря пластичности; 2) собственно твердение, т.е. набор прочности.

Сроки схватывания и набора прочности у разных вяжущих различны. Например, гипсовые вяжущие схватываются в течение нескольких минут, а твердеют за несколько часов. Большинство цементов схватываются за несколько десятков минут или несколько часов, а интенсивно твердеют в сроки до месяца, хотя процесс твердения при благоприятных условиях может длиться несколько лет.

Основные свойства вяжущих

Тонкость помола — влияет на водопотребность, скорость набора и конечную прочность, а также степень гидратации вяжущего.

Тонкость помола вяжущих принято характеризовать остатками при просеивании через сита, размер которых указан в нормативных документах (% по массе), или удельной поверхностью частиц вяжущего (см2/г; м2/кг). Тонкость помола регламентируется нормативными документами.

Водопотребность — характеризуется нормальной густотой теста вяжущего. Нормальная густота выражается процентным содержанием воды от массы вяжущего, при котором тесто обладает определенной пластичностью.

Сроки схватывания — характеризуются началом и концом схватывания. Начало схватывания — промежуток времени от момента затворения до момента, когда пластичное тесто вяжущего начинает терять пластичность. Далее тесто вяжущего постепенно уплотняется, загустевает и полностью теряет пластичность. Конец схватывания — промежуток времени от момента затворения до момента полной потери тестом вяжущего пластичности, после чего начинается непосредственно твердение и набор прочности.

Сырьевые материалы

Исходными материалами для производства неорганических вяжущих веществ являются различные горные породы, а также некоторые массовые побочные продукты металлургической, энергетической, химической и других отраслей промышленности (шлаки, золы и т.д.).

Для изготовления гипсовых вяжущих веществ применяют горные породы, состоящие из двуводного гипса и ангидрита.

Производство магнезиальных вяжущих базируется на природном магнезите и доломите.

Карбонатные горные породы в виде известняка, мела, доломитов, мергелей являются основой для получения воздушной и гидравлической извести, романцемента, портландцемента. В производстве портландцемента и его разновидностей чаще используют искусственные смеси известняков или мела и глинистых пород. Для этой же цели, а также для получения смешанных клинкерных и бесклинкерных цементов применяют кремнеземистые горные породы (диатомит, трепел, опоку, вулканические трассы и туф).

Высокоглиноземистые породы (бокситы), состоящие в основном из гидроксидов алюминия, применяют в смеси с другими материалами (например, с чистыми известняками) для производства глиноземистого цемента.

Для изготовления различных вяжущих веществ широко используют массовые отходы промышленности (доменные и другие металлургические шлаки, шлаки и золы от пылевидного сжигания различных видов твердого топлива, нефелиновый шлам и т.п.). При этом отпадает необходимость организации карьеров, они не требуют топлива на обжиг, многие из этих материалов к тому же находятся в рыхлом или порошкообразном состоянии, что уменьшает расходы энергии на размол. Все это предопределяет высокую технико-экономическую эффективность использования таких полупродуктов в промышленности вяжущих веществ и способствует охране окружающей среды.

Для регулирования схватывания и твердения вяжущих в них вводят добавки, ускоряющие или замедляющие эти процессы.

Для улучшения свойств вяжущего и предохранения цементов от быстрой потери активности при дальних перевозках и длительном хранении используют поверхностно-активные вещества (ПАВ), вводимые в вяжущее в количестве 0,1…0,3 % от массы вяжущего.

Придание вяжущим специальных свойств достигают введением в них полимерных органических веществ и других добавок.

Общие принципы производства неорганических вяжущих веществ

Основу производства неорганических вяжущих веществ составляют следующие технологические переделы: добыча сырья, транспортировка сырья, подготовка сырьевой смеси, обжиг и помол. Все переделы последовательно связаны между собой и проводятся в строго заданных режимах. Принципиальных отличий при изготовлении вяжущих нет; различно сырье, следовательно, и технические приемы осуществления указанных переделов.

Добыча и транспортировка сырья. Производство вяжущих веществ связано с переработкой больших количеств разнообразных сырьевых и вспомогательных материалов. Например, для получения 1 т портландцементного клинкера расходуется до 1,5…1,8 т известняка и до 0,2…0,5 т глинистых пород. Учитывая высокую стоимость транспорта, заводы вяжущих веществ строят вблизи месторождений сырьевых материалов и их добыча входит в общий комплекс технологических операций, осуществляемых заводом. Добычу нерудных ископаемых осуществляют методом прямой экскавации. Скальные породы (известняки и др.) предварительно разрыхляют взрывами. Мягкие породы (глину и мел) добывают также гидромониторным способом. Доставку сырья на завод осуществляют железнодорожным, автомобильным транспортом, различными конвейерами или перекачивают по трубопроводам в виде шлама.

Подготовка сырьевой смеси. Обязательной подготовительной операцией в производстве всех вяжущих является измельчение сырья. При производстве вяжущих из однокомпонентного сырья (извести, гипса и др.) его измельчают до кусков примерно одного размера. В противном случае мелкие куски окажутся пережженными, а крупные необожженными, т.е. не будет однородного продукта. Высококачественные вяжущие из смеси нескольких сырьевых компонентов (портландцемент и его разновидности и др.) можно изготовить только из однородной смеси, получаемой тщательным смешением составляющих в тонкоизмельченном виде.

Дробление сырья производят в конусных, щековых, молотковых, валковых и других дробилках. Тонкое измельчение (помол) сырья производят мокрым и сухим способами.

При мокром способе сырьевые материалы измельчают и смешивают в присутствии воды до образования сметанообразной водной суспензии — шлама. Компоненты сырьевой шихты, способные распускаться в воде (глины, мел, мягкий мергель и другие породы), предварительно размучивают (распускают) в специальных аппаратах-болтушках, представляющих собой бетонные резервуары, оборудованные устройствами для размешивания суспензии, а затем направляют на домол в шаровые мельницы. Твердые сырьевые материалы (известняк, мергель) размалывают в мельницах, представляющих собой стальной цилиндр, разделенный внутри на камеры дырчатыми перегородками. При вращении мельницы мелющие тела (металлические шары и цилиндрики) поднимаются на некоторую высоту и падают, разбивая и растирая зерна материала. Выходящий из мельницы сырьевой шлам влажностью 36…38 % транспортируют по трубам в шламбассейны, где его тщательно усредняют, гомогенизируют, вводят корректирующие добавки, а затем подают на обжиг.

При сухом способе дробленые сырьевые материалы частично подсушивают, дозируют в заданных соотношениях и подают в мельницу, где они измельчаются до требуемой тонины. Для тонкого измельчения сырьевой шихты преимущественно применяют технологические схемы с мельницами для одновременной сушки и помола. Усреднение и гомогенизацию сырьевой муки осуществляют в силосах, нагнетая в них сжатый воздух. При насыщении (аэрировании) воздухом сухая шихта приобретает подвижно-текучее состояние.

При производстве портландцемента используется также комбинированный способ приготовления сырьевой смеси, при котором данную смесь готовят мокрым способом, затем шлам обезвоживают и из него приготовляют гранулы для обжига.

Выбор способа подготовки сырьевой смеси обусловливается главным образом свойствами сырьевых материалов и экономическими соображениями. При мокром способе облегчается измельчение материалов и быстро достигается однородность смеси, но расход топлива на обжиг в 1,5…2 раза больше, чем при сухом способе. При сухом способе возрастает расход электроэнергии и трудоемкость производства.

Обжиг. Важнейшим этапом в производстве вяжущих веществ является обжиг сырьевой шихты. В результате физико-химических процессов, происходящих при термической обработке исходных сырьевых материалов, образуются новые соединения, способные вступать во взаимодействие с водой и при этом твердеть, превращаясь в искусственный камень. Каждый вид вяжущего требует определенных температур и времени их действия на обрабатываемое сырье.

При нагревании вследствие ускорения теплового движения ионов, атомов и молекул в твердом теле возникают условия для отрыва некоторых из них с постоянных орбит движения и перехода их в окружающее пространство. В результате, как это происходит при дегидратации (обезвоживании) природного гипса при 150…200 °С или декарбонизации (удалении СО2) карбонатных пород при 800…900 °С, образуются новые вещества (строительный гипс и воздушная известь), обладающие вяжущими свойствами.

При температурах 800…1200 °С и более тепловое движение молекул твердых веществ возрастает столь значительно, что между ними становится возможным взаимообмен ионами и атомами с образованием новых соединений. Взаимодействие двух или нескольких компонентов в твердом виде называют реакцией в твердых фазах.

Скорость химических реакций возрастает при появлении жидкой фазы (при температуре более 1300 °С). Процесс обжига с частичным плавлением сырьевой смеси называют спеканием. Обжигом до спекания получают портландцементный клинкер.

Наиболее быстро химические реакции образования веществ, обладающих вяжущими свойствами, протекают при полном плавлении сырьевой смеси. Этого обычно достигают нагреванием смеси до 1600…1800 °С, что требует повышенного расхода топлива и применения специальных печей. В настоящее время плавлением получают лишь глиноземистый цемент высоких марок.

Таким образом, получение вяжущего вещества с заданными свойствами зависит не только от химического состава сырья, но и от правильного выбора температуры обжига и интервала времени для каждой зоны обжига. Даже из одной и той же минеральной смеси при разных температурах и режиме обжига можно получить вяжущее с различными свойствами.

Процессы, происходящие при обжиге сырьевых материалов, и тепловые аппараты для обжига имеют определенную специфику для разных вяжущих, поэтому будут рассмотрены далее.

Помол. Абсолютное большинство продуктов обжига в виде частиц разной крупности еще не являются вяжущими веществами.

Для получения вяжущих веществ их подвергают тонкому измельчению в чистом виде или чаще совместно с добавками, вводимыми для регулирования сроков схватывания вяжущего, придания ему специальных свойств, облегчения помола и удешевления. Помол вяжущих веществ осуществляют в шаровых мельницах.

Воздушные вяжущие вещества

ГИПСОВЫЕ ВЯЖУЩИЕ

Гипсовые вяжущие вещества получают путем тепловой обработки сырья, в качестве которого чаще всего используют природную горную породу — гипс, который состоит преимущественно из минерала гипса СаSO42Н2О.

В зависимости от температуры тепловой обработки гипсовые вяжущие подразделяются на две группы: низкообжиговые и высокообжиговые. Высокообжиговые гипсовые вяжущие получили незначительное распространение, поэтому далее речь пойдет только о низкообжиговых.

Низкообжиговые гипсовые вяжущие вещества получают путем тепловой обработки сырья при температурах 110…180 °С. При этих температурах происходит частичная дегидратация двуводного гипса и образуется полуводный гипс СаSO42H2O = CaSO40,5H2O + 1,5H2O. В зависимости от условий, в которых производится тепловая обработка, возможно получение различных модификаций полуводного гипса, которые имеют различное строение кристаллов.

Если тепловая обработка происходит при атмосферном давлении в гипсоварочных котлах или, реже, в различных печах (вращающихся, шахтных) и вода удаляется в виде перегретого пара, то получается β-модификация в виде мельчайших, плохо выраженных кристаллов.

Если тепловая обработка происходит в автоклавах при избыточном давлении водяного пара и вода удаляется в жидком состоянии, то получается α-модификация, имеющая крупные кристаллы и обладающая меньшей водопотребностью. Затвердевший после затворения водой α-полугидрат вследствие меньшей водопотребности и пониженной пористости обладает более высокой прочностью.

Твердение низкообжиговых гипсовых вяжущих происходит в результате сложных физико-химических процессов взаимодействия полуводного гипса с водой, которое согласно теории А.А. Байкова происходит в три этапа: растворение частиц вяжущего в воде, коллоидация и кристаллизация. В результате твердения образуется искусственныйгипсовыйкамень:СаSO40,5H2O+1,5H2O=СаSO42H2O.

СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ГИПСОВЫХ ВЯЖУЩИХ

Гипсовые вяжущие обладают рядом особенностей: быстро схватываются и твердеют, имеют повышенные водопотребность и пористость, при твердении увеличиваются в объеме, после затвердевания обладают низкой водостойкостью и подвергаются значительным деформациям ползучести.

Водопотребность гипсового вяжущего определяется процентным содержанием воды от массы вяжущего, при котором диаметр расплыва теста, помещенного в цилиндр высотой 10 и диаметром 5 см, после подъема цилиндра составляет 180±5 мм. Это количество воды называют нормальной густотой гипсового теста. Водопотребность β-модификации находится в пределах 50…70 %, α-модификации — 30…45 %.

По срокам схватывания и твердения гипсовые вяжущие делятся на 3 группы:

А — быстротвердеющие (начало схватывания не ранее 2 мин, конец — не позднее 15 мин);

Б — нормальнотвердеющие (начало схватывания не ранее 6 мин, конец — не позднее 30 мин);

В — медленнотвердеющие (начало схватывания не ранее 20 мин, конец — не нормируется).

Тонкость помола характеризуется остатком при просеве на сите № 02, выражаемым в процентах по массе. По тонкости помола различают гипсовые вяжущие грубого I (остаток не более 23 %), среднего II (остаток не более 14 %) и тонкого III (остаток не более 2 %) помола.

Прочность гипсовых вяжущих определяют по пределу прочности при изгибе образцов балочек размером 40×40×160 мм и пределу прочности при сжатии половинок образцов балочек, изготовленных из теста нормальной густоты и испытанных в возрасте 2 ч после изготовления.

В зависимости от полученных результатов гипсовые вяжущие делятся на 12 марок: Г-2, Г-3, Г-4, Г-5, Г-6, Г-7, Г-10, Г-13, Г-16, Г-19, Г-22, Г-25, где цифра показывает минимальное значение предела прочности при сжатии, МПа, при соответствующей прочности при изгибе.

Гипсовые вяжущие применяют для производства гипсовой сухой штукатурки, перегородочных плит и панелей, архитектурных, звукопоглощающих и других изделий, строительных растворов для внутренних частей зданий, а также как компонент гипсоцементнопуццолановых вяжущих.

ВОЗДУШНАЯ СТРОИТЕЛЬНАЯ ИЗВЕСТЬ

Сырьем для получения воздушной извести служат карбонатные породы (известняки, мел, ракушечник, доломитизированные известняки), в которых содержание примесей глины не превышает 6 %. Обжигая такое сырье до возможно более полного удаления СО2, получают продукт, состоящий в основном из СаО и МgO. Чем выше суммарное содержание свободных оксидов кальция и магния, тем выше качество извести. В зависимости от содержания оксида магния различают следующие виды воздушной извести: кальциевую — МgO не более 5 %, магнезиальную — МgO от 5 до 20 %, доломитовую — МgO от 20 до 40 %. Обжиг сырья производят в шахтных или, реже, во вращающихся печах, а также в установках для обжига во взвешенном состоянии и кипящем слое.

Основной реакцией, происходящей при обжиге, является

СаСО3 = СаО + СО2 ↑.

Вместе с тем в сырье почти всегда присутствует карбонат магния.

При нагревании он тоже разлагается:

MgCO3 = MgO+ CO2 ↑.

Реакции разложения этих карбонатов обратимы и зависят от температуры и парциального давления углекислого газа. При термической диссоциации карбоната кальция давление углекислого газа достигает атмосферного при температуре около 900 °С, а карбоната магния — около 400 °С. Это и есть теоретические нормальные температуры обжига карбонатов. Практически для удовлетворительного хода обжига температуру печного пространства доводят до 1000…1200 °С (диссоциация карбонатов резко ускоряется).

При оптимальной температуре обжига чистого известняка до полного удаления углекислого газа (теоретически 44 %) его масса уменьшается почти в два раза, объем же продукта — лишь на 10…12 %. Получаемая в виде кусков известь представляет собой весьма пористый материал, состоящий в основном из мелких кристаллов (0,5…2 мкм) оксида кальция и частично оксида магния, что и предопределяет ее высокую реакционную способность при взаимодействии с водой.

При более высоких температурах обжига образуются крупные кристаллы оксида кальция и магния, происходит уплотнение продукта обжига. Такая известь в обычных условиях медленно или совсем не взаимодействует с водой и называется пережогом. Наличие пережога в извести отрицательно влияет на ее качество. Запоздалое его взаимодействие с водой, протекающее уже в затвердевшем растворе или бетоне, вызывает появление в них растягивающих напряжений, что может привести к возникновению трещин и разрушению.

При недостаточно высокой температуре обжига или в тех случаях, когда часть кусков сырья имела крупные размеры, возможно образование недожога, т.е. неразложившегося СаСО3, который является балластом в извести, ухудшая ее свойства.

Известь, выходящую из печи обычно в виде кусков различной величины (комья), называют комовой негашеной известью. Это полупродукт, который для превращения в вяжущее предварительно измельчают химическим путем — гашением водой (гашеная известь) или механическим — размолом в мельницах (молотая негашеная известь).

Гашение извести заключается в том, что вода, соприкасаясь с кусками негашеной извести, поглощается ею, всасываясь в поры, и одновременно химически взаимодействует с оксидами кальция и магния, образуя гидраты:

СаО + Н2О = Са(ОН)2 и MgO + H2O = Mg (OH)2.

При этом 1 кг извести-кипелки выделяет 1160 кДж тепла, которое переводит часть воды в парообразное состояние. Пар вызывает в извести внутренние растягивающие напряжения, под действием которых происходит ее измельчение в тонкий порошок.

В зависимости от количества воды, взятой при гашении, можно получить гидратную известь (пушонку), известковое тесто или известковое молоко.

Для получения извести-пушонки, представляющей собой тонкий белый порошок, теоретически достаточно 32,13 % воды от массы извести-кипелки. Практически воды берут в 2…3 раза больше (60…80 %), так как при гашении часть ее испаряется. Порошок извести-пушонки состоит из очень тонких частиц и в 2…3 раза и более превышает объем исходной извести-кипелки.

При гашении извести в тесто расход воды увеличивают до двух- трех частей (по массе) на 1 часть извести-кипелки; при еще большем количестве воды получают известковое молоко.

По скорости гашения (времени достижения максимальной температуры гашения) воздушная известь бывает: быстрогасящаяся со скоростью гашения не более 8 мин; среднегасящаяся — до 25 мин и медленногасящаяся — не менее 25 мин.

ТВЕРДЕНИЕ, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ВОЗДУШНОЙ ИЗВЕСТИ

В строительстве известь, как правило, применяют в смеси с песком или другими заполнителями в виде растворов или бетонов.

Растворы и бетоны на гашеной извести твердеют на воздухе при обычных температурах в результате двух одновременно протекающих процессов — карбонизации и кристаллизации гидроксида кальция, вызванной испарением воды. В процессе карбонизации, т.е. взаимодействия гидроксида кальция с углекислым газом воздуха, образуется карбонат кальция и выделяется вода:

Са(ОН)2 + СО2 + nH2O = CaCO3 + (n + 1)H2O.

Испарение воды способствует сближению мельчайших кристаллов гидроксида кальция, их срастанию между собой и образованию кристаллических сростков, связывающих зерна заполнителя в монолитное тело.

Образование СаСО3 и кристаллизация Са(ОН)2 происходят только при положительной температуре и низкой влажности и в обычных условиях протекают очень медленно. В частности, карбонизация захватывает только поверхностные слои, что объясняется малой концентрацией СО2 в воздухе (0,03 %) и большой плотностью пленки образующегося карбоната кальция, затрудняющей проникание углекислого газа во внутренние слои раствора.

Прочность при сжатии растворов на гашеной извести через 28 сут твердения на воздухе составляет 0,5…1,0 МПа, редко выше. При длительном твердении (десятки и даже сотни лет) прочность возрастает до 5…7 МПа и более. Это объясняется дальнейшей карбонизацией и кристаллизацией извести, а также накоплением с течением времени гидросиликатов кальция, которые образуются, хотя и крайне медленно, при взаимодействии гидроксида кальция с оксидом кремния кварцевого песка.

Превращение в твердое камневидное тело известковых растворных или бетонных смесей на молотой негашеной извести обусловлено гидратационным твердением такой извести. В соответствии с общей теорией твердения вяжущих гидратное твердение извести протекает в результате гидратации оксида кальция. Это возможно как через раствор, так и вследствие присоединения воды к твердой фазе, с последующей коллоидацией и кристаллизацией гидроксида кальция. По мере испарения воды гидрогель уплотняется, образовавшиеся субмикрокристаллические частицы гидроксида кальция взаимно сцепляются и срастаются, что вызывает рост прочности твердеющей извести. Последующая карбонизация гидроксида кальция также повышает прочность затвердевшего раствора.

В отличие от гашеной такая известь обладает способностью быстро схватываться и твердеть. Прочность при сжатии растворов через 28 сут твердения на воздухе в обычных условиях достигает 2…3 МПа и более.

Важным свойством воздушной извести, особенно гашеной, является высокая пластичность, которая связана с ее высокой водоудерживающей способностью. Вода, адсорбционно удерживаясь на поверхности тонкодисперсных частиц гидроксида кальция, создает своеобразную смазку, уменьшающую трение между ними.

В строительстве традиционным считается использование извести для изготовления кладочных и штукатурных растворов, эксплуатируемых в воздушно-сухих условиях. Широкое применение воздушная известь нашла в производстве различных плотных и ячеистых автоклавных материалов в виде силикатного кирпича и крупных изделий. Некоторую часть воздушной извести используют в производстве местных вяжущих веществ, а также для получения дешевых красочных составов.

Гидравлические вяжущие вещества

Гидравлические свойства этой группы вяжущих обусловлены присутствием в их составе силикатов, алюминатов, ферритов кальция и характеризуются модулем основности а также зависят от температуры обжига.

Основным гидравлическим вяжущим является портландцемент.

ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ. СЫРЬЕ И ПРОИЗВОДСТВО

Портландцемент — это медленно схватывающееся и медленно твердеющее гидравлические вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельчения клинкера и незначительной (до 3,5 %) добавки природного гипса, который вводится для регулирования сроков схватывания.

Клинкер получается путем обжига до спекания, т.е. частичного плавления сырьевой смеси, состоящей приблизительно из 75 % известняка и 25 % глины. В качестве сырья возможно также использовать мел, мергель, глинистые сланцы и отходы различных производств, в качестве топлива — природный газ, мазут и уголь.

Производство портландцемента — сложный технологический и энергоемкий процесс.

Подготовка сырьевой смеси может осуществляться мокрым, сухим или комбинированным способами, которые были рассмотрены выше и каждый из которых имеет свои плюсы и минусы.

Обжиг сырьевой смеси производится во вращающихся печах в виде стального барабана, длина которых в зависимости от способа подготовки сырьевой смеси составляет от 95 до 240 м, а диаметр 5…7 м. Барабан, футерованный изнутри огнеупорными материалами, уложен на роликах под углом 3…4° к горизонту и медленно (1…2 об/мин) вращается вокруг своей оси. Вращающиеся печи работают по принципу противотока. Сырье в виде порошка (сухой способ) или шлама (мокрый способ) поступает в печь со стороны ее верхнего (холодного) конца, а со стороны нижнего (горячего) конца вдувается топливо, сгорающее в виде 20…30-метрового факела. Сырье, занимая лишь часть поперечного сечения печи, при ее вращении медленно движется навстречу горячим газам к нижнему концу, проходя различные температурные зоны. Во время обжига, максимальная температура которого достигает 1450 °С, происходят сложные физико-химические процессы, в результате которых на выходе из печи получается клинкер в виде твердых и

прочных зерен темно-серого или зеленовато-серого цвета размером 30…40 мм. Клинкер в основном состоит из искусственных минералов и незначительного количества второстепенных составляющих. После выдержки в течение 7…14 сут на промежуточном складе производится помол клинкера с добавкой двуводного гипса в шаровых мельницах.

СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ КЛИНКЕРА

Трехкальциевый силикат (алит) — 3СаОSiO2 (сокращенное обозначение С3S) — главный минерал клинкера, обладает большой активностью в реакции с водой. Быстро твердея, набирает высокую прочность и выделяет большое количество тепла.

Двухкальциевый силикат (белит) — 2СаОSiO2 (сокращенно — С2S) — значительно менее активен, чем алит. В начальные сроки твердения обладает низкой прочностью и незначительным тепловыделением. Однако при благоприятных условиях (положительной температуре и высокой влажности) способен набирать прочность в течение длительного времени (до двух и более лет), которая сопоставима с прочностью алита.

Трехкальциевый алюминат — 3СаОAl2O3 (сокращенно — C3A) — самый быстротвердеющий минерал клинкера, однако продукты его твердения имеют низкую прочность, повышенную пористость и низкие морозостойкость и долговечность. Обладает очень большим тепловыделением в начальные сроки твердения. Быстрое твердение С3А вызывает раннее структурообразование и сильно сокращает сроки схватывания портландцемента. Если не ввести при помоле клинкера добавку гипса, сроки схватывания цемента будут близки к срокам схватывания строительного гипса.

Четырехкальциевый алюмоферрит — 4СаОAl2O3Fe2O3 (сокращенно — C4AF) — характеризуется умеренным тепловыделением. Прочность продуктов его гидратации в ранние сроки твердения ниже, чем у алита, и несколько выше, чем у белита.

ТВЕРДЕНИЕ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

Превращение цементного теста в камневидное состояние обусловлено сложнейшими химическими и физико-химическими процессами, в результате которых образуются гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция, практически нерастворимые в воде. В упрощенном виде взаимодействие клинкерных минералов с водой можно описать химическими реакциями:

2(3CaOSiO2) + 6H2O = 3CaO22SiO23H2O + 3Ca(OH)2;

2CaOSiO2 + 4H2O = 2CaOSiO24H2O;

3CaOAl2O3 + 6H2O = 3CaOAl2О36H2O;

4CaOAl2O3Fe2O3 + mH2O = 3CaOAl2O32O + CaOFe2O3nH2O.

Выделяющийся при твердении Са(ОН)2, с одной стороны, несколько повышает прочность цементного камня за счет его карбонизации углекислым газом воздуха, с другой — является причиной коррозии цементного камня.

Добавка природного двуводного гипса СаSO42H2O, вводимого в количестве до 3,5 % для регулирования сроков схватывания, также принимает участие в твердении. Взаимодействуя на ранних сроках схватывания с 3СаОAl2O3 c присоединением большого количества молекул кристаллизационной воды, она образует соединение эттрингит 3СаОAl2O33CaSO4(31-32)H2O. Эттрингит, осаждаясь на поверхности частиц 3СаОAl2O3, замедляет их гидратацию. Кроме этого, эттрингит имеет объем, в 2…3 раза больший, чем сумма объемов исходных реагентов. Учитывая, что образование эттрингита идет в пластичной системе, его увеличение в объеме приводит к уплотнению цементного камня.

СОСТАВ И СВОЙСТВА ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

Состав цемента характеризуется химическим и минералогическим составом клинкера.

Химический состав характеризуется содержанием оксидов: СаО — 63…66 %; SiO2 — 21…24 %; Al2O3 — 4…8 %; Fe2O3 — 2…4 %;

MgO — до 5 %; второстепенные оксиды до 3 %.

Ориентировочное содержание основных минералов в клинкере портландцемента составляет: 3СаОSiO2 — 40…65 %; 2CaOSiO2 — 15…40 %; 3CaOAl2О3 — 5…15 %; 4CaOAl2O3Fe2O3 — 10…20 %. Как

уже отмечалось выше, клинкерные минералы обладают различными свойствами. Варьируя содержание минералов, возможно получать цементы с различными свойствами.

Тонкость помола определяется путем просеивания высушенной пробы цемента через сито № 008, остаток на котором не должен превышать 15 %, что соответствует удельной поверхности 2800…3000 см2/г. Чем тоньше измельчен клинкер, тем быстрее гидратируются частицы цемента и тем выше прочность, но, с другой стороны, ввиду большого расхода электроэнергии на помол увеличивается стоимость портландцемента.

Истинная плотность портландцемента без минеральных добавок составляет 3,05…3,15 г/см3.

Насыпная плотность зависит от степени уплотнения и составляет от 1100 кг/м3 для рыхлого цемента до 1600 кг/м3 для сильноуплотненного, в среднем 1300 кг/м3.

Водопотребность портландцемента зависит от наличия введенных добавок и тонкости помола. В среднем без добавок она составляет 24…28 %.

Сроки схватывания портландцемента составляют: начало схватывания не ранее 45 мин, конец — не позднее 10 ч. Все операции по перемешиванию, доставке, укладке и уплотнению цементных растворов или бетонов должны быть выполнены до момента начала схватывания.

Прочность портландцемента является главным свойством, характеризующим его качество. В зависимости от предела прочности при сжатии и при изгибе портландцемент разделяют на марки: 300 (цементы с добавками; некоторые специальные виды цементов); 400; 500; 550; 600 (цифра показывает минимальный предел прочности при сжатии, кг/см2) или классы: 22,5; 32,5; 42,5; 52,5 (цифра показывает минимальный предел прочности при сжатии, МПа). Класс цемента определяется с учетом коэффициента вариации, среднеквадратичного отклонения отдельных результатов от величины среднего значения прочности, который не должен быть более 5 %, т.е. портландцемент должен обладать стабильными показателями прочности.

Марку и класс цемента определяют испытанием стандартных образцов-призм размером 4×4×16 см, изготовленных из цементнопесчаной растворной смеси состава 1:3 (по массе) и водоцементного (В/Ц) отношения, при котором расплыв усеченного конуса с нижним диаметром 100 мм на встряхивающем столике составляет 106…115 мм. Испытание образцов проводят через 28 сут твердения: первые сутки образцы находятся в формах, хранящихся во влажном воздухе, а затем их вынимают из форм и 27 сут хранят в воде при температуре 20±2 °С. Образцы-призмы сначала испытывают на изгиб, а затем половинки призм на сжатие.

Затвердевший цементный камень при контакте с мягкими водами или взаимодействии с агрессивными средами может подвергаться коррозии, причинами которой в основном служат выделяющийся при твердении Са(ОН)2 и продукты гидратации С3А.

По существующей классификации коррозия делится на три вида:

физическая, заключающаяся в растворении и уносе мягкими водами Са(ОН)2; химическая, заключающаяся во взаимодействии Са(ОН)2 с кислотами или солями, в результате которого образуется более водорастворимое соединение; сульфатная, заключающаяся во взаимодействии продуктов гидратации С3А с сульфатами, с присоединением большого количества кристаллизационной воды, в результате чего образуется соединение, имеющее больший объем, чем сумма объемов исходных компонентов, которое, откладываясь в порах цементного камня, вызывает внутренние растягивающие напряжения.

РАЗНОВИДНОСТИ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

Для получения портландцемента с заданными специальными свойствами используют следующие основные способы: регулирование минерального состава и структуры цементного клинкера; введение минеральных или органических добавок; регулирование тонкости помола и зернового состава цемента; различное сочетание этих способов.

Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) — портландцемент, отличающийся повышенной прочностью через 3 сут твердения, которая составляет более половины его марочной прочности. Сумма С3S + C3A в клинкере — обычно не менее 60…65 %. Помол БТЦ производится более тонко до удельной поверхности 3500…4000 см2/г (вместо 2800…3000 см2/г для обычного портландцемента), что ускоряет твердение цемента. БТЦ выпускают М400 и М500 с нормативными показателями прочности.

Этот цемент применяют в производстве сборных железобетонных конструкций, а также при зимних бетонных работах. Следует иметь в виду его повышенное тепловыделение, которое исключает применение данного цемента для бетонирования массивных конструкций.

Сульфатостойкий портландцемент изготовляют на основе клинкера, содержащего не более 50 % С3S, 5 % С3А и 22 % С3А + C4AF. Сульфатостойкий портландцемент предназначается не только для изготовления бетонов, подвергающихся действию сульфатной коррозии, но и для бетонов повышенной морозостойкости, что обе

спечивается прежде всего пониженным содержанием трехкальциевого алюмината.

Портландцементы с органическими добавками. В современной технологии производства цементов широко применяют поверхностно-активные вещества, вводимые в малых дозах — 0,05…0,3 % от массы клинкера при его помоле.

Поверхностно-активные добавки можно разделить на гидрофилизующие и гидрофобизующие.

Пластифицированный портландцемент изготовляют путем введения при помоле клинкера около 0,25 % гидрофильной добавки. Он отличается от обычного портландцемента способностью придавать растворным и бетонным смесям повышенную подвижность. Пластифицирующий эффект используется для уменьшения водоцементного отношения, повышения морозостойкости и водонепроницаемости бетона. Если же сохранить В/Ц отношение, то можно снизить расход цемента (примерно на 10…15 %) без ухудшения качества бетона.

Гидрофобный портландцемент получают, вводя при помоле клинкера 0,1…0,2 % гидрофобизующих веществ. Он обладает пониженной (по сравнению с обычным цементом) гигроскопичностью, лучше сохраняет свою активность при хранении и перевозках, пластифицирует бетонные и растворные смеси, повышает морозостойкость и водонепроницаемость бетона.

Портландцементы с минеральными добавками. Активными минеральными добавками называют природные или искусственные вещества, которые при смешивании в тонкоизмельченном виде с воздушной известью и затворении водой образуют тесто, способное после твердения на воздухе продолжать твердеть и под водой.

Активные минеральные добавки (иначе называемые гидравлическими) содержат двуоксид кремния в аморфном, а следовательно, в химически активном состоянии и способны поэтому взаимодействовать с гидроксидом кальция, образуя гидросиликаты кальция.

Активные минеральные добавки могут быть природными (естественными) и искусственными. В качестве природных широко используют горные породы (диатомит, трепел, опоку, горелые глинистые породы — глиежи), а также породы вулканического происхождения (вулканический пепел, туф, пемзу, витрофир, трасс). Искусственные добавки представляют собой побочные продукты и отходы промышленности: быстроохлажденные (гранулированные) доменные шлаки; белитовый (нефелиновый) шлам — отход глиноземного производства, содержащий в своем составе до 80 % минерала белита (двухкальциевого силиката); золы-унос — отход, получившийся при сжигании твердого топлива в пылевидном состоянии и улавливаемый электрофильтрами и другими устройствами. Использование отходов промышленности, в частности для выпуска вяжущих веществ, имеет большое природоохранное и экологическое значение.

Пуццолановый портландцемент изготовляют путем совместного помола клинкера и активной минеральной добавки с необходимым количеством гипса. Добавок осадочного происхождения (диатомита, трепела, опоки) должно быть не менее 20 и не более 30 %, а вулканических добавок (пемзы, туфа), а также глиежа или топливной золы — не менее 25 и не более 40 %. Активная минеральная добавка вначале адсорбирует, а затем химически связывает гидроксид кальция, образующийся при взаимодействии алита с водой:

mCa(OH)2 + SiO2 акт. + nH2O → (0,8—1,5) CaOSiO2рН2O.

В результате этого процесса, происходящего во влажных условиях и при положительной температуре, растворимый гидроксид кальция связывается в практически нерастворимый гидросиликат кальция. Вследствие этого значительно возрастает стойкость бетона в отношении выщелачивания Са(ОН)2. Пуццолановый портландцемент следует применять для бетонов, постоянно находящихся во влажных условиях (подводные и подземные части сооружений). На воздухе бетон на пуццолановом портландцементе дает большую усадку и в сухих условиях частично теряет прочность, что объясняется «выветриванием» воды из гидратных соединений. Кроме этого, бетоны на этом цементе имеют низкую морозостойкость и не годятся для сооружений, подвергающихся замораживанию и оттаиванию. Пуццолановый портландцемент твердеет в нормальных условиях медленнее, чем портландцемент. Поэтому его не следует применять при зимних бетонных работах.

Пуццолановый портландцемент обладает сравнительно небольшим тепловыделением и часто применяется для бетонов внутренних частей массивных сооружений (плотин, шлюзов и т.п.).

Шлакопортландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе. Получается путем совместного тонкого помола клинкера и гранулированного доменного (или электротермофосфорного) шлака с необходимым количеством гипса. Допускается раздельный помол компонентов и их последующее смешение. Количество доменного шлака в шлакопортландцементе должно быть не менее 21 и не более 80 % (от массы цемента). Допускается замена до 10 % шлака трепелом или активной минеральной добавкой.

Незначительное содержание в цементном камне Са(ОН)2 повышает стойкость шлакопортландцемента в мягких и сульфатных водах по сравнению с портландцементом. Тепловыделение при твердении шлакопортландцемента в 2…2,5 раза меньше, чем у портландцемента, поэтому он является самым подходящим цементом для бетона массивных конструкций. Шлакопортландцемент выгодно отличается от пуццоланового портландцемента умеренной водопотребностью, более высокой воздухои морозостойкостью. Он успешно применяется как для наземных, так и для подземных и подводных сооружений. Стоимость его на 15…20 % ниже стоимости портландцемента.

Жаростойкость шлакопортландцемента значительно выше, чем у портландцемента, поэтому он широко используется для изготовления жаростойких бетонов.

ГЛИНОЗЕМИСТЫЙ ЦЕМЕНТ

Глиноземистый цемент — быстротвердеющее и высокопрочное гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельчения клинкера, содержащего преимущественно низкоосновные алюминаты кальция.

Для получения клинкера глиноземистого цемента в качестве главных компонентов сырьевой массы берут известняк СаСО3 и породы, содержащие глинозем (Al2O3nH2O), например, бокситы. Глиноземистый цемент обладает высокой прочностью только в том случае, если твердеет при умеренных температурах, не свыше 25 °С, поэтому вследствие большого тепловыделения при твердении и разогрева бетона его нельзя применять для бетонирования массивных конструкций, а также подвергать тепловлажностной обработке.

Глиноземистый цемент выпускается марок 400, 500 и 600. Марочная прочность определяется в возрасте 3 сут, при этом уже через сутки он набирает прочность, равную приблизительно 90 % марочной. При столь быстром твердении глиноземистый цемент обладает нормальными сроками схватывания, почти такими же, как у портландцемента. Начало схватывания глиноземистого цемента должно наступать не ранее 30 мин (у портландцемента не ранее 45 мин), а конец — не позднее 12 ч от начала затворения. Тепловыделение глиноземистого цемента при твердении примерно в 1,5 раза больше, чем у портландцемента. В продуктах гидратации глиноземистого цемента не содержится гидроксида кальция и трехкальциевого шестиводного гидроалюмината (если температура не превышает 25 °С), поэтому бетон на глиноземистом цементе более стоек по сравнению с портландцементом против выщелачивания Са(ОН)2, а также к сульфатной коррозии.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *