Портландцемент (сырье и производство).

Сырьем для получения клинкера служат карбонатные горные породы с высоким содержанием углекислого кальция (известняки различного вида, мел, мергель) и глинистые породы (глины, сланцы), содержащие оксиды кремния, алюминия и железа. Соотношение между ними в сырьевой смеси выбирают расчетом для получения клинкера определенного химического состава. Ориентировочно смесь состоит из 75 % известняка и 25 % глины. При необходимости в сырьевую смесь вводят корректирующие добавки, содержащие недостающие оксиды (трепел, железная руда и др.). Все шире для изготовления ПЦ используют побочные продукты других производств: доменный шлак, нефелиновый шлам и т.п. Приготовление сырьевой смеси сводится к получению однородной тонкоизмельченной смеси надлежащего состава. Эта операция осуществляется мокрым или сухим способом. Соответственно различают мокрый и сухой способы производства ПЦ. При мокром способе сырьевые материалы измельчают и смешивают в присутствии воды до образования вязко-текучей массы -шлама с влажностью 36...40%. Мокрым способом перерабатывают мягкое сырье с повышенной влажностью (мел, глина). Этот способ отличается в худшую сторону высокой энергоемкостью обжига, связанной с испарением содержащейся в шламе воды. Сухой способ заключается в совместном измельчении сухих или предварительно высушенных компонентов, взятых в заданном соотношении. Получаемый в результате порошок (сырьевая мука) должен иметь остаточную влажность не более 2%. Сухой способ экономичнее и особенно выгоден при использовании однородного сырья с невысокой естественной влажностью. Обжигают сырьевую смесь во вращающихся печах, представляющих собой стальной барабан длиной до 230 м и диаметром до 7 м. Печь изнутри защищена огнеупорной футеровкой и установлена на опорах под углом 3... 4° к горизонту. При медленном вращении печи вокруг продольной оси сырьевая смесь перемещается в ней от верхнего холодного конца к нижнему горячему, откуда через форсунку вдувается топливо, сгорающее в виде факела длиной более 20 м. Горячие газы поступают навстречу сырью и обжигают его. Образование клинкера является результатом сложных физических и химических процессов, вызванных повышением температуры сырьевой смеси до максимальной (1450°С). При нагревании последовательно происходит испарение свободной воды, выгорание органических примесей, удаление химически связанной влаги из глины, термическое разложение известняка и дегидратированной глины с образованием свободных химически активных CaO, SiO2, А12О3, Fe2O3. При температуре выше 1000°С при взаимодействии кислых и основных оксидов формируются новые соединения — минералы, которые частично плавясь и спекаясь друг с другом после остывания образуют портландцементный клинкер. Клинкер состоит из прочных окатанных гранул размером от 10 до 40 мм. Для повышения реакционной способности цемента клинкер после выхода из печи подвергают быстрому охлаждению до 100... 150°С и выдерживают на складе 1...2 недели. Для получения ПЦ клинкер измельчают в шаровых мельницах с небольшим количеством природного гипса. Готовый цемент — очень тонкий порошок темно-серого или зеленовато-серого цвета. После помола цемент хранят в силосах — металлических или железобетонных емкостях цилиндрической формы диаметром 10... 15 м и высотой 25...30 м. Во время хранения цемент постепенно остывает после помола; свободный оксид кальция гасится влагой, содержащейся в воздухе.

54. Основные клинкерные минералы (образование, формулы и характеристики).

Минералогический состав клинкера.Клинкер состоит из следующих основных клинкерных минералов: трех-кальциевого силиката 3CaO-Si02 (алит), двухкальцие-вого силиката 2CaO-Si02 (белит), трехкальциевого алюмината ЗСаО-А1203, четырехкальциевого алюмоферрита 4СаО-A!203-Fe203. Часто используют их сокращенное обозначение: соответственно C3S, C2S, С3А и C4AF. Содержание этих минералов в портландцементном клинкере обычно колеблется в следующих пределах: 40—65 % C3S; 15—40 % C2S; 2—15 % С3А и 10—20 % C4AF. При увеличении содержания указанных выше минералов портландцемент получает специальное название. Так, при большом содержании C3S (более 56%) его называют алитовым, C2S (более 38%)—белитовым, С3А (более 12 %)—алюминатным и пр. Если в клинкере содержится повышенное количество двух минералов, его соответственно называют алито-алюминатным и пр. Каждый из клинкерных минералов имеет свои специфические свойства. Трехкальциевый силикат (алит) является химически активным минералом, он оказывает решающее влияние на прочность и скорость твердения цемента. Взаимодействие его с водой происходит с большим тепловыделением. Алит обладает способностью быстро твердеть и набирать высокую прочность, поэтому повышенное содержание трехкальциевого силиката обеспечивает получение из данного клинкера высокомарочного портландцемента. Двухкальциевый силикат (белит), затворенный водой, в начальный период твердеет медленно, при этом выделяется очень мало теплоты. Продукт твердения в течение первого месяца обладает невысокой прочностью, но затем на протяжении нескольких лет при благоприятных условиях прочность его неуклонно возрастает. Трехкальциевый алюминат характеризуется высокой химической активностью, в первые сутки твердения он выделяет наибольшее количество теплоты гидратации и быстро твердеет. Однако продукт его твердения имеет низкую долговечность и малую стойкость против воздействия сернокислых соединений.
Четырехкальциевый алюмоферрит характеризуется умеренным тепловыделением, твердеет он значительно медленнее, чем алит, но быстрее, чем белит. Прочность продуктов его гидратации несколько ниже, чем у алита. Располагая данными о минералогическом составе портландцементного клинкера и зная свойства клинкерных минералов, можно заранее составить представление об основных свойствах портландцемента и особенностях его твердения в различных условиях.

55. Основные свойства портландцемента и методика их определения.

К основным свойствам относятся истинная плотность, насыпная плотность, тонкость помола, нормальная густота, сроки схватывания, прочность, равномерность изменения объема. Насыпная плотность цемента зависит от степени его уплотнения и пустотности. Ее необходимо знать для расчета состава бетонов и растворов; кроме того, ее значения учитывают при выборе емкостей для хранения цементов на складах и в бетоносмесительных отделениях заводов по производству железобетонных изделий. Методика испытаний. Определение насыпной плотности цемента в рыхлом состоянии производится с помощью мерного цилиндрического сосуда вместимостью 1 л. Цемент насыпают в предварительно взвешенный мерный цилиндр с высоты 10 см от края сосуда до образования избыточного конуса. Конус снимают вровень с краями сосуда линейкой, избегая уплотнения, после чего определяют массу сосуда с цементом. Насыпную плотность цемента вычисляют по формуле  , где mi - масса мерного сосуда в кг; m2 - масса мерного сосуда с цементом в кг; V - вместимость мерного сосуда в л. Для сравнения можно определить насыпную плотность цемента и в уплотненном состоянии.

Расчет межзерновой пустотности производится по формуле , где рзер - плотность зерен цемента (3050 + 3150 кг/м3). Остальнае свойства см. ниже.

56. Активность, марки и классы портландцемента. Методика их определения.

Активность и марку определяют испытанием на стандартных образцов призм размерами 4*4*16 см, изготовленных из цементно-песчаной смеси состава 1/3 па массе и В/Ц=0,4 при консистенции раствора по расплыву конуса 106-115 мм. Через 28 суток твердения, образцы-призмы сначала испытываются на изгиб, затем на сжатие. Портландцемент разделяют на марки 400, 500, 550, 600. В соответствии с ГОСТ 30515-97 предусматривается введение классов цементов (МПа): 22,5; 32,5; 42,5; 52,5.

57. Водопотребность, сроки схватывания и равномерность изменения объема портландцемента. Методика их определения.

Равномерность изменения объема цемента - это свойство цемента в процессе твердения образовывать цементный камень, деформация которого не превышает значений, установленных нормативным документом. Этот показатель является важным свойством цементного камня, связанным с его твердением. При нарушении технологии производства и отклонениях в составе сырьевой смеси могут быть получены цементы со значительными изменениями объема. Чаще всего причиной самопроизвольного разрушения цементного камня бывает наличие в цементе избыточного количества свободного оксида кальция, которое возникает из-за недостаточной температуры обжига. Это явление возможно и при повышенном содержании в цементном клинкере оксида магния или избыточном добавлении к цементу гипса. Свободные оксиды СаО и МgО при температуре обжига 1450°С пассивируются за счет спекания мелких кристаллов, и поэтому процесс их гашения настолько замедлен, что в момент затворения цемента они не гасятся, а вступают в реакцию с водой только через несколько лет службы изделия, что ведет к разрушению строительных изделий. В лабораторных условиях у цемента определяется равномерность изменения объема. Цемент выдерживает испытание, если содержание в нем свободных СаО и МgО не превышает допускаемых ГОСТом норм. В этом случае в результате деформаций цементного камня не ухудшаются эксплуатационные свойства изделий на основе цементов (прочность, водонепроницаемость, морозостойкость). Методика испытаний. Согласно ГОСТ 310.3-76, п. 3, для испытания на равномерность изменения объема цемента приготавливают тесто нормальной гус­тоты согласно методике, приведенной в задании № 1. Затем на тех­нических весах отвешивают 4 навески теста по 75 г. Каждую навес­ку скатывают руками в виде шарика и помещают на стеклянную или металлическую пластинку, предварительно смазанную машин­ным маслом. Пластинки с шариками легко встряхивают до момента расплыва шариков в лепешки диаметром 7...8 см и толщиной в середине око­ло 1 см. Для получения острых краев и гладкой закругленной по­верхности лепешки заглаживают от наружных краев к центру смо­ченным водой ножом. Приготовленные таким образом лепешки на пластинках хранят в течение (24±2) ч с момента приготовления в ванне с гидравлическим затвором (рис. 7.2), а затем подвергают ис­пытанию. Для испытания кипячением две цементные лепешки через (24±2) ч после затворения снимают с пластинок, помещают в бачок с водой на решетку (рис. 7.3), затем воду в бачке доводят до кипения за 30.45 мин и поддерживают кипение в течение 3 ч. После охлажде­ния лепешек в бачке производят их внешний осмотр.О пригодности цемента судят по внешнему виду образцов, про­шедших испытание. Цемент считается недоброкачественным, если на лицевой по­верхности лепешек, подвергнутых испытанию, обнаружатся ради­альные, доходящие до краев трещины или сетка мелких трещин, видимая невооруженным глазом или в лупу, а также какие-либо ис­кривления и увеличения объема лепешек. Наличие искривлений устанавливается при помощи линейки, прикладываемой к плоской поверхности лепешки. Иногда в первые сутки после изготовления лепешек появляются трещины, не доходящие до краев (рис. 7.4). Если на обратной сто­роне лепешек отсутствуют радиальные трещины и лепешки при по­стукивании одна о другую издают звонкий звук, то появление тре­щин усыхания не является признаком недоброкачественности це­мента, а связано с внутренними усадочными напряжениями, возни­кающими при высыхании лепешек.

Схватывание цемента - это процесс загустевания цементного теста вследствие взаимодействия цемента с водой. Процесс схватывания цемента заключается в необратимой поте­ре подвижности цементного теста в результате гидратации и прак­тически определяется на цементном тесте нормальной густоты по погружению иглы в приборе Вика с нагрузкой (300±2) г. Началом схватывания цементного теста считают время, про­шедшее от начала затворения (момента приливания воды) до того момента, когда игла опускается в тесто не более чем на 1. 2 мм; концом схватывания - время от начала затворения до момента, когда игла опускается в тесто не более чем на 1.2 мм. Начало схватывания цемента должно наступать не ранее 45 мин, а конец - не позднее 10 ч от начала затворения. Методика испытаний. Испытания проводят согласно ГОСТ 310.3-76, п. 2. Определение начинают с того, что в прибор Вика вместо пестика вставляют и закрепляют иглу O 1,1 мм и длиной 50 мм, а также проверяют нуле­вое показание прибора. Затем приготавливают цементное тесто нормальной густоты согласно методике, приведенной в задании 1, и укладывают его в кольцо. Иглу прибора доводят до соприкоснове­ния с поверхностью цементного теста, и в этом положении закреп­ляют стержень зажимным винтом, затем освобождают его, после чего игла свободно погружается в тесто. В начале испытания во из­бежание сильного удара о пластинку допускается слегка ее задер­живать при погружении в тесто. Как только тесто загустеет настолько, что опасность погружения иглы будет исключена, ей позволяют свободно опускаться. Момент начала схватывания должен быть определен при свободном опуска­нии иглы. Иглу погружают в тесто через каждые 10 мин, меняя места по­гружений. После каждого погружения иглу следует вытереть тканью. Определение схватывания цемента требует много времени и, как правило, до конца данное испытание на лабораторных занятиях не выполняется.Аналогично определяются сроки схватывания цемента при до­бавке 2.5 % СаС1₂, которая вводится вместе с водой затворения.

Цементным тестом называется однородная пластичная смесь цемента с водой. Нормальной густотой цементного теста считают такую его консистенцию, при которой пестик прибора Вика, погру­женный в кольцо, заполненное тестом, не доходит на 5. 7 мм до пластинки, на которой установлено кольцо. Нормальная густота цементного теста характеризуется количеством воды затворения, выраженным в процентах от массы цемента, и определяется с точ­ностью до 0,25 %. Для цементов разных заводов она колеблется от 20 до 35 %. Знание нормальной густоты цементного теста необхо­димо для дальнейших испытаний цемента (определения сроков схватывания, равномерности изменения объема). Чем меньше зна­чение нормальной густоты, тем более плотный бетон можно изго­товить на таком цементе (он имеет большую подвижность бетонных и растворных смесей при меньшем содержании воды). От величины нормальной густоты цементного теста зависит рас­ход воды при изготовлении бетонных и растворных смесей задан­ной пластичности, а, следовательно, и плотность, прочность, моро­зостойкость готовых материалов и изделий. Методика испытаний. Испытания густоты цементного теста проводятся согласно ГОСТ 310.3-76, п. 1. Перед испытанием следует проверить, свободно ли отпускается стержень прибора Вика, а также нулевое показание прибора, приво­дя пестик в соприкосновение с пластинкой из не впитывающего во­ду материала, на которой расположено кольцо из того же материа­ла. В случае отклонения от нуля шкала прибора передвигается. Кольцо и пластинку перед началом испытания смазывают тонким слоем машинного масла. Для приготовления це­ментного теста отвешивают 400 г просеянного цемента, высыпают его в чашу сфери­ческой формы (рис. 4.1), пред­варительно протертую влаж­ной тканью, делают в цементе углубление, в которое влива­ют в один прием отмеренное количество воды (ориентиро­вочно 110.112 см³). В мо­мент вливания воды включа­ют секундомер. После заливки воды через 30 с осторожно перемеши­вают цемент с водой, а затем энергично растирают тесто лопаткой. Продолжительность перемешивания и растирания цемента с водой - 5 мин с момента приливания воды. Сразу после окончания перемешивания кольцо наполняют це­ментным тестом в один прием и 5. 6 раз встряхивают его, постуки­вая пластинкой с кольцом о стол. Затем поверхность теста выравнивают с краями кольца, срезая избыток теста ножом, протертым влажной тканью. Немедленно после этого приводят пестик прибора в соприкосновение с поверхностью теста в центре кольца и закреп­ляют стержень зажимным винтом, затем, быстро отвинчивая его, освобождают стержень и предоставляют пестику свободно погру­жаться в тесто. Через 30 с с момента освобождения стержня производят отсчет погружений по шкале в мм. При несоответствующей консистенции цементного теста опыт повторяют, соответственно изменяя количество воды и добиваясь погружения пестика на глубину, указанную ранее.