Портландцемент

Портландцемент (англ. Portland cement) — вид цемента, наиболее широко применяемый во всех странах; название получил от г. Портленд (Portland) в Англии. Основой портландцемента является силикат кальция, также известный как портландит.

Портландцемент – гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением клинкера и гипса. Клинкер – продукт равномерного обжига до спекания однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины определенного состава, обеспечивающего преобладание силикатов кальция (3СаО∙ SiO2 и 2СаО∙ SiO2 70-80%). Самые распространенные методы производства портландцемента так называемые «сухой» и «мокрый». Все зависит от того, каким способом смешивается сырьевая смесь – в виде водных растворов или в виде сухих смесей.

При измельчении  клинкера вводят добавки: 1.5-3.5% гипса  СaSO4∙0,5H2O (в перерасчете на ангидрид серной кислоты SO3) для регулирования  сроков схватывания, до 15% активных минеральных  добавок - для улучшения некоторых  свойств и снижения стоимости цемента.

Сырьем для  производства портландцемента служат смеси, состоящие из 75-78 % известняка (мела, ракушечника, известнякового туфа, мрамора) и 25-22 % глин (глинистых сланцев, суглинков), либо известняковые мергели, использование которых упрощает технологию. Для получения требуемого химического состава сырья используют корректирующие добавки: пиритные огарки, колошниковую пыль, бокситы, пески, опоки, трепелы. При мокром способе производства уменьшается расход электроэнергии на измельчение сырьевых материалов, облегчается транспортирование и перемешивание сырьевой смеси, выше гомогенность шлама и качество цемента, однако расход топлива на обжиг и сушку составляет на 30-40 % больше чем при сухом способе.

Обжиг сырьевой смеси проводится при температуре 1470 0С в течение 2-4 часов в длинных вращающихся печах (3,6х127 м, 4х150 м и 4,5х170м) с внутренними теплообменными устройствами, для упрощения синтеза необходимых минералов цементного клинкера. В обжигаемом материале происходят сложные физико-химические процессы. Вращающуюся печь мокрого способа условно можно поделить на зоны: - сушки (температура материала 100-200 0С – здесь происходит частичное испарение воды); - подогрева (200-650 0С – выгорают органические примеси и начинаются процессы дегидратации и разложения глинистого компонента). Например, разложение каолинита происходит по следующей формуле: Al2O3∙2SiO2∙2H2O → Al2O3∙2SiO2 + 2H2O; далее при температурах 600-1000 0С происходит распад алюмосиликатов на оксиды и метапродукты. - декарбонизации (900-1200 0С) происходит декарбонизация известнякового компонента: СаСО3 → СаО + СО2, одновременно продолжается распад глинистых минералов на оксиды. В результате взаимодействия основных (СаО, MgO)и кислотных оксидов (Al2O3, SiO2) в этой же зоне начинаются процессы твердофазового синтеза новых соединений (СаО∙ Al2O3 – сокращенная запись СА, который при более высоких температурах реагирует с СаО и в конце жижкофазового синтеза образуется С3А), протекающих ступенчато; - экзотермических реакций (1200-1350 0С) завершется процесс твердофазового спекания материалов, здесь полностью завершается процесс образования таких минералов как С3А, С4АF (F – Fe2O3) и C2S (S – SiO2) – 3 из 4 основных минералов клинкера; - спекания (1300-1470-1300 0С) частичное плавление материала, в расплав переходят клинкерные минералы кроме C2S, который взаимодействуя с оставшимся в расплаве СаО образует минерал АЛИТ (С3S); - охлаждения (1300-1000 0С) температура понижается медленно. Часть жидкой фазы кристаллизуется с выделением кристаллов клинкерных минералов, а часть застывает в виде стекла.

 
Узнать данный вид цемента можно  по внешнему виду — это зеленовато-серый порошок. Как и все цементы, если к нему добавить воду, он при высыхании принимает камнеобразное состояние и не имеет существенных отличий по своему составу и физико-химическим свойствам от обычного цемента.

Существуют следующие  виды портландцемента:

• быстротвердеющий;
• пластифицированный;
• гидрофобный;
• сульфатостойкий;
• дорожный;
• белый и цветной;
• с умеренной экзотермией;
• с поверхностноактивными органическими добавками.

Свойства  портландцемента 

      Портландцемент  – важнейший гидравлический вяжущий  материал, имеющий широкое применение в строительстве. Портландцементом называется продукт тонкого помола цементного клинкёра, который получают обжигом до спекания искусственной смеси (известняка, мела, глины, и др.) или природного сырья надлежащего состава, обеспечивающих в цементе преобладанием силикатов кальция. При измельчении клинкёра вводят добавки: 1.5-3.5% гипса (в перерасчете на ангидрид серной кислоты SO₃) для регулирования сроков схватывания, до 15% активных минеральных добавок – для улучшения некоторых свойств и снижения стоимости цемента.

      К основным техническим свойствам  портландцемента относят – плотность и объёмную насыпную массу, тонкость помола, сроки схватывания, равномерность изменения объёма цементного теста и прочность затвердевшего цементного раствора.

      Плотность цемента находится в пределах 3.0-3.2 г/см³, объемная насыпная масса в рыхлом состоянии составляет 900-1100 кг/м³ и до 1700 кг/м³ – в уплотнённом.,

      Тонкость  помола характеризует степень измельчения цемента и устанавливается ситовым анализом (просеиванием через определённые сита). Более точный характеристикой степени измельчения цемента является его удельная поверхность, т.е. поверхность всех зёрен, содержащихся в 1 г цемента. Тонкость помола в значительной степени влияет на прочность цементного камня. Чем более тонко измельчён цемент (до известного предела), тем выше прочность цементного камня.

      В соответствии с требованиями ГОСТ 10178-62 тонкость помола должна быть такой, чтобы  через сито №008 проходило не менее 85% от всей навески портландцемента. Удельная поверхность обычного портландцемента  находится в пределах 2000-3000 см²/г и 3000-5000 см²/г – быстротвердеющих и высокопрочных цементов.

      Сроки схватывания цементного теста (цемент + вода) зависят от тонкости помола, минерального состава и водопотребности  цемента. При этом водопотребность  характеризуется количеством воды в процентах от массы цемента, необходимой для получения теста нормальной густоты, т.е. определённой подвижности (24-28%).

      В соответствии с указанным ГОСТом начало схватывания должно наступать  не ранее 45 минут, а конец не позднее 12 часов. За начало схватывания принимают время, прошедшее от начала затворения цемента водой до начала загустевания цементного теста: а за конец – время от начала затворения теста до полной потери им пластичности.

      С повышением температуры схватывания  цементного теста ускоряется, с понижением – замедляется.

      За  период схватывания, которое завершается  относительно быстро (несколько часов), следует продолжительный процесс  превращения цементного теста в  цементный камень.