Портландцемент

Портландцемент

ХАРАКТЕРИСТИКАПОРТЛАНДЦЕМЕНТА.

Портландцемент – гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе, получаемое путем совместного тонкого измельчения клинкера и необходимого количества гипса. Клинкер получается результате обжига до спекания сырьевой смеси надлежащего состава, обеспечивающего преобладание в клинкере силикатов кальция. Гипс при помоле клинкера должен добавляться в таком количестве, чтобы содержание SО в портландцементе было не менее 1,5% и не более 3,5%.Каждый процент гипса (СаSО • 2Н О) вносит в цемент 0.47% SO .

Портландцемент может выпускаться без добавок или с активными минеральными добавками в количестве до 15% от веса цемента. Два придания цементу специальных свойств (пониженной водопотребности, повышенного воздухосодержания, гидрофобных свойств и т. д.) в пемент могутвводиться специальные добавки.

В ответствии с ГОСТ 10178—62,вводимым в действие с 1 ян-1964 г. вырабатываемый портландцемент будет делитьсяна пять марок: 250, 300, 400, 450 и 500.

Главнейшими окислами, входящимив состав портландцементного клинкера, являются : CaO,SiO , Al O, Fe O .Кроме того, всостав клинкера обычно входят: МgО,иногда ТiO , окислы марганца , присутствующие в том случае, когдаодним из сырьевых компонентов для получения клинкера является доменный шлак, РО , (обычно в незначительном количестве) и щелочи — NаО + К О. Портландцементный клинкер имеет сложный минералогический состав. Онсостоит из ряда кристаллических фаз и клинкерного стекла, отличающихся друг отдруга по химическому составу и оптическим свойствам. Основными минераламиклинкера являются: алит — ЗСаО • SiO (Ca S), белит —-модификация 2СаО • SiO (C S), трехкальциевый алюминат — ЗСаО • А1О (С А) и алюмоферриты кальция переменного состава, находящегося обычно впределах

 8СаО • ЗА1 O • Fе O: 4СаО • А1 О • Fе О (С А F- С АF).

Количество указанных минералов взаводских портландцементных клинкерах находится в пределах (в %):

 C S – 42-60

 C S – 15-35

 C A – 5-14

 C AF – 10-16

 Суммарноесодержание указанных минералов составляет обычно 95—98%. Эти минералы принятоподразделять на минералы-силикаты — C S + C Sи минералы-плавни — С А + С F. Соотношение междуминералами-силикатами и минералами-плавнями в клинкерах колеблется всравнительно узких пределах. Кроме того, в клинкере присутствуетнезакристаллизованное клинкерное стекло, имеющее переменный состав и содержащеезначительнее величество А1 О и Fе О . Режевстречается алюминат состава 5СаО ЗА1 О . Второстепенными минералами клинкераявляются свободная окись кальция (свободная известь) и свободная окись магния ввиде периклаза. Щелочные окислы могут находиться в виде силиката К O • 23СаО •12SiO , алюмината Nа О • 8СаО • ЗА1 О , сульфатов натрия и калия; они входяттакже в состав клинкерного стекла.

 Алит в тонких шлифах имеет вид прозрачных бесцветныхгексагональных табличек или призм со спайностью в одном направлении. Вскрещенных николях микроскопа окраска алита темно-серая или светло-серая; приотраженном свете в непрозрачных шлифах она изменяется от светло-серой дотемно-серой или синевато-серой. Белит имеет сложную двойниковую структуру, вотраженном свете его кристаллы отличаются от алита более светлой окраской иокруглыми очертаниями зерен. Трехкальциевый алюминат в проходящем свете имеетвид изотропных шестиугольных пластинок, а в отраженном свете после травленияшлифа 1%-ым спиртовым раствором НNO , имеет видпрямоугольных кристаллов. Алюмоферрит кальция в проходящем свете имеет виддлинновытянутых призматических кристаллов или мелких округлых зерен сжелто-бурой или бурой окраской. В отраженном свете в непрозрачных шлифахкристаллы этих минералов обладают наиболее светлой окраской благодаря ихвысокой отражательной способности.

Клинкерное стекло послетравления 1%-ным спиртовым раствором НNО и повторноготравления 10%-ным раствором КОН имеет вид в отраженном свете темных включенийнеправильной формы.

 Одним из важных свойств минералов портландцементного клинкераявляется их способность при воздействии воды образовывать новые водныесоединения, которые с течением времени приобретают высокую механическуюпрочность. Клинкерные минералы после затворения цемента водой подвергаютсяреакциям гидратации и гидролитической диссоциации, протекающим с различной скоростью.Основными продуктами этих реакций являются гидроалюминаты и гидроферритыкальция, а также гидрат окиси кальция, образующийся при гидролизетрехкальциевого силиката. Получающиеся гидроалюминаты кальция вступают вовзаимодействие с гипсом с образованием комплексного соединения —гидросульфоалюмината кальция.

 По скорости гидратации клинкерные минералы могут быть расположены(в порядке уменьшения скорости гидратации) в следующий ряд: трехкальциевыйалюминат, четырехкальциевый алюмоферрит, трехкальциевый силикат, двухкальциевыйсиликат. Очень медленно протекает гидратация периклаза. Таким образом,минералогический состав клинкера является основным фактором, влияющим наскорость протекания химических реакций, происходящих при твердении цемента, навремя для получения высокой механической прочности и на другие технические егосвойства.

 Длительное воздействие воды и водных растворов минеральных солейна бетонные сооружения, выполненные с применением портландцемента, вызываеткоррозию бетона, которая при неблагоприятных условиях может привести к полномуего разрушению. Наибольшее разрушительное действие оказывают минерализованныеводы — морские, озерные, грунтовые и др., содержащие значительное количествосолей MgSO , Na SO, CaSO , MgCl . Последние, взаимодействуя сновообразованиями в твердеющем цементе, нарушают нормальную структуруцементного камня. Так, например, растворенные в воде сульфаты, взаимодействуя сгидратом окиси кальция твердеющего цемента, образуют сернокислый кальций,кристаллизующийся в порах цементного камня со значительным увеличением объема.При большой концентрации сульфатов в водной среде это приводит к появлениювнутренних напряжений в бетоне, влекущих за собой вначале растрескивание, азатем полное его разрушение.

 Кроме того, накапливающийся в бетоне сернокислый кальций вступаетво взаимодействие с гидроалюминатом кальция твердеющего цемента, образуягидросульфоалюминат кальция, плохо растворимый в воде. Если эта реакцияпротекает в жидкой фазе, то она не имеет вредных последствий. Привзаимодействии же сернокислого кальция с кристаллическим гидроалюминатом росткристаллов образующегося сульфоалюмината вызывает появление в бетонеразрушительных внутренних напряжений.

Для защиты бетона от действияминерализованных вод применяют цемент специального минералогического состава созначительно уменьшенным содержанием ЗСаО • А1 О и пониженным содержанием ЗСаО •SiO ; в состав цемента вводят гидравлические добавки,максимально увеличивающие плотность бетона. Кислоты также разрушаютпортландцемент.

 Проникновение внутрь бетона пресных вод приводит к постепенномувыщелачиванию гидрата окиси калыция и уменьшению его концентрации в жидкой фазецементного камня, что при далеко зашедшем процессе коррозии может вызватьгидролиз гидросиликатов и гидроалюминатов кальция. В плотном бетоне процессыкоррозии под действием пресных вод протекают медленно и не представляют угрозы.Для повышения стойкости портландцемента в пресных водах изменяютминералогический состав клинкера в направлении уменьшения количества ЗСаО • SiO , поскольку это соединение твердеет с выделением свободнойизвести.

 Требования к качеству портландцемента тесно связаны с техническимуровнем строительного производства. Широкое внедрение в строительствоэффективных сборных предварительно напряженных железобетонных конструкцийтребует применения бетонов высокой прочности, получаемых на основевысокопрочных цементов. Кроме того, использование высокопрочных цементов даетвозможность снизить нормы расхода цемента на 1 м бетона.

 ВИДЫ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА.

 Наряду с портландцементом в соответствии с ГОСТ 10178-62выпускаются многие другие виды цементов: быстротвердеющие, сульфатостойкие,пластифицированные, гидрофобные, портландцемент с умеренной экзотермией,пуццолановые портландцементы, шлакопортландиементы, шлаковый магнезиальныйпортландцемент, портландцемент для бетонных покрытий автомобильных дорог. Всоответствии с другими стандартами выпускаются тампонажный и белыйпортландцементы и портландцемент для производства асбестоцементных изделий.

 Быстротвердеющий портландцемент. Быстротвердеюший портландцементхарактеризуется интенсивным нарастанием механической прочности в первые срокитвердения. Он предназначается, главным образом, для изготовления сборныхжелезобетонных конструкций и деталей.

 Исследования по изучению влияния минералогического составаклинкера на нтенсивность нарастания механической прочности цементов и практикаработы цементных заводов показывают, что клинкер быстротвердеющего цементадолжен иметь следующие характеристики: расчетное содержание суммы наиболееактивных минералов C3S+ С3А должно быть не менее 60%, содержание C3S находится в пределах 50 - 53% и С3А — 8-10%. Клинкертакого состава с повышенной добавкой гипса дает цемент, отвечающий требованиямстандарта.

 Повышение тонкости помола цемента существенно ускоряет провесе еготвердения, поэтому быстротвердеющий цемент можно также получать путем тонкогопомола (до удельной поверхности 4000—4500 см2 /г) клинкера обычногоминералогического состава, но с несколько повышенным содержанием C3S(не менее 50%) при предельной добавкегипса (содержание SO3 в цементе не должно превышать3,5%). Необходимо учитывать, что повышение тонкости помола на 1500—2000 см /гсверх обычной вызывает резкое снижение производительности цементных мельниц иповышение удельного расхода электроэнергии на помол. Поэтому в ряде случаевболее целесообразно прибегнуть к изменению минералогического состава клинкера,чем к повышению тонкости помола цемента.

 При выполнении лабораторных испытаний быстротвердеющего цементанеобходимо иметь в виду, что температурные условия затворения и храненияобразцов оказывают значительное влияние на показатели суточной прочностицемента. Установлено, что колебание прочностных показателей цемента приодносуточных испытаниях по отношению к показателям, полученным при 20° С,находятся в пределах от -23% (при 15°С) до +17% (при 25° С). При трехсуточныхиспытаниях эти пределы составляют от —4 до +5%, а при семисуточных от —1 до+3%. Стандарт предусматривает, что температура воды для хранения образцовдолжна быть 20 ±2°С, а температура помещения, где производятся испытания. —20 ±3° С.

Сульфатостойкий портландцемент.Сульфатостойкий портландцемент обладает по сравнению с обычным повышеннойсульфатостойкостью и пониженной экзотермией при замедленной интенсивноститвердения в начальные сроки.

 Этот цемент изготовляется из клинкера нормированногоминералогического состава и предназначается для изготовления бетонных ижелезобетонных конструкций наружных зон гидротехнических сооружений, работающихв условиях сульфатной агрессии, при одновременном систематическом попеременномувлажнении и высыхании или замораживании и оттаивании. Сульфатостойкийпортландцемент готовится из клинкера с коэффициентом насыщения известью не выше0,85, с глиноземным модулем не менее 0,7 и кремнеземным модулем не ниже 2,1.Содержание С S в клинкере должно быть не более 50%, С А — не более 5%, асумма С А + С АF не должна превышать 22%.

 Пониженное содержание трехкальциевого силиката и трех кальциевогоалюмината заметно снижает активность цемента, в связи с чем в течение первых 28суток твердения механическая прочность нарастает медленно. Введение активныхили инертных минеральных добавок при изготовлении сульфатостойкого цемента недопускается.

Тампонажный портландцемент (ГОСТ1581—42 с изменениями, внесенными в июле 1961 г.). Тампонажный цементприменяется для тампонирования нефтяных и газовых скважин с целью их изоляцииот грунтовых вод. Основные требования, предъявляемые к тампонажнымпортландцементам: придание цементному раствору достаточной подвижности; строгоеограничение сроков схватывания, с тем чтобы начало схватывания наступало нераньше, чем окончится тампонирование; обеспечение достаточно высокоймеханической прочности через 2 суток твердения.

 Для получения подвижного раствора, накачиваемого в скважинынасосами, цемент затворяют с большим количеством воды (50% от веса цемента) бездобавки песка. Такое количество воды в условиях обычных температур замедляетсхватывание цемента и понижает его прочность. Регулирование сроков схватываниятампонажных цементов при обеспечении необходимой механической прочностидостигается обычно подбором минералогического состава клинкера и применениемдобавок.

 Решающее влияние на процессы, происходящие в цементном растворе,оказывает температура в скважине. С ее повышением процессы твердения раствораускоряются, его механическая прочность повышается, а время начала схватываниясокращается. При температуре твердения выше 120°С прочность раствора падает ирезко сокращаются сроки схватывания.

 Повышенное содержание С А вызывает ускорение процессов схватыванияи увеличивает прочность цемента в первые сроки твердения. Сроки схватываниярегулируются введением надлежащего количества гипса. Для замедления схватываниятампонажных цементов применяют различные замедлители: казеин, борную кислоту,соли лигносульфоновых кислот , которые усиливают замедляющее действие гипса. Вцементах для сверхглубоких скважин эти замедлители, однако, не даютнеобходимого эффекта.

Белый портландцемент. Этотцемент предназначен для изготовления отделочного бетона, дляархитектурно-отделочных, скульптурных и покрасочных работ, а так же дляпроизводства цветных растворов. Качество белого портландцемента определяется,прежде всего, его белизной и оценивается коэффициентом яркости, которыйхарактеризует белизну данного цемента по отношению к белизне сернокислого бария(BaSO ). По степени белизны белые портландцементы делят на трисорта: БЦ-1, БЦ-2, БЦ-3 с коэффициентами яркости соответственно 76, 73 и 66.

 Клинкер высококачественного белого портландцемента обычнохарактеризуется пониженным коэффициентом насыщения, высоким кремнеземныммодулем, низким содержанием С AF(до 1.5%), Fe O (в пределах0.3-0.5%) и MnO (до 0.03%).

 Для производства белого портландцемента применяются сырьевыематериалы, по возможности не содержащие соединений, окрашивающих цемент, преждевсего, окиси железа, атак же окислов марганца, окиси хрома и др. При мокромспособе производства повышение степени белизны можно достигнуть за счетвведения хлористых солей, образующих при обжиге летучее хлорное железо.

Портландцемент для бетонныхпокрытий автомобильных дорог. Этот портландцемент должен отвечать следующимосновным требованиям: иметь малые усадочные деформации, большую эластичность,высокий предел прочности при сжатии, высокую деформативную способность прирастяжении и изгибе и обладать повышенной морозостойкостью. Для повышенияморозостойкости и уменьшения объемных деформаций в состав цемента при помолевводят 0.1- 0.25% сульфитноспиртовой барды. Из активных минеральных добавокразрешается вводить только гранулированный доменный шлак в количестве не более15%.