Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: Археология Биология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Техника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ? Влияние общества на человека Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления

Главная Избранные Случайная статья Познавательные Новые добавления Обратная связь FAQ РОЗДІЛ 3. Неорганічні в'яжучі речовини ⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 13Следующая ⇒ Будівельні в'яжучі призначені в основному для отримання шту­чних матеріалів конгломератного типу, розчинів і бетонів. Їх прийнято розділяти на дві групи: неорганічні або мінеральні і органічні. До не­органічних в'яжучих відносять порошкоподібні або пастоподібні ма­теріали, здатні при взаємодії з водою або водними розчинами солей утворювати пластичну масу, яка в результаті фізико-хімічних процесів переходить у каменеподібне тіло. В залежності від характеру середовища, в якому твердіють не­органічні в'яжучі, їх ділять на повітряні, гідравлічні і автоклавного твердіння. Повітряні в' яжучі твердіють і зберігають міцність лише на повітрі, а гідравлічні - як на повітрі, так і у воді. В'яжучі автоклавного твердіння ефективно твердіють тільки при гідротермальній обробці, тобто при підвищених температурі і тиску насиченої пари. 3.1 Повітряні в'яжучі речовини Основними представниками повітряних в'яжучих є гіпсові в'яжучі і повітряне вапно. До цієї групи матеріалів відносяться також магнезіальні в'яжучі і рідке скло. Повітряні в'яжучі використовуються в основному в загальнобудівельних роботах, для отримання розчинів і виробів, які не взаємодіють систематично з водою. Гіпсові в ' яжучі речовини. Гіпсовими в'яжучими називають речовини, які складаються з напівводного гіпсу Са8040,5И20 або ангідриту Са804, здатні при взаємодії з водою твер­діти в повітряному середовищі. Їх отримують при тепловій обробці і подрібнені сировинних матеріалів, які складаються в основному з двоводного (Са804-2И20) або безводного гіпсу. Найбільш широко за­стосовують природний гіпс - гіпсовий камінь, який містить 70.95 % Са8042Н20. Можуть застосовуватись в якості сировини також глини­сто-гіпсові породи і сульфатні відходи хімічної промисловості. Залежно від температури термічної обробки гіпсові в'яжучі по­діляють на низьковипалювальні (110.180 °С) і високовипалювальні (600.900 °С). При отриманні низьковипалювальних гіпсових в' яжучих основним є процес часткової дегідратації гіпсу Са804-2И20 = Са804-0,5Н20 + 1,5Н20 Отриманий напівводний гіпс або напівгідрат Са8040,5Н20 має здатність швидко тужавіти і твердіти при замішуванні водою в ре­зультаті зворотної реакції - гідратації, яка супроводжується перехо­дом напівгідрату в кристалічний двоводний гіпс. При отриманні високовипалювальних в'яжучих іде більш гли­боке зневоднення гіпсу. Ці в'яжучі складаються в основному з ангід­риту Са804 і характеризуються повільним твердінням в присутності добавок-активізаторів. Найбільше практичне значення має низьковипалювальне гіпсове в'яжуче - будівельний гіпс - один з найстаріших в'яжучих матеріалів, який використовувався ще при спорудженні пірамід в Єгипті 3000.2500 років до н.е. Отримують будівельний гіпс випалом гіпсо­вого каменю у варочних котлах або сушильних барабанах. При випалі у варочних котлах сировину попередньо висушують і подрібнюють в порошок, в сушильних барабанах випалюють куски, а тонкому подрі­бненню піддають напівгідрат. Є також і комбіновані схеми, коли операції сушки, помелу і випалу двоводного гіпсу об'єднані. При ви­палі гіпсу в відкритих апаратах вода видаляється у вигляді перегрітої пари, і утворюються високодисперсні кристали в - Са804-0,5Н20 (в- напівгідрат). При видаленні води в рідкому стані (наприклад, в авто­клавах) утворюються більш крупні кристали а- напівгідрату, для яко­го характерна більш низька водопотреба. Якість гіпсових в' яжучих визначається строками тужавлення, тонкістю помелу, водопотребою, границею міцності на стиск та згин. Залежно від строків тужавлення гіпсові в' яжучі ділять на три групи: швидкотвердіючі (А), нормальнотвердіючі (Б) та повільнотвердіючі (В). Для перших двох груп початок тужавлення повинен наставати не раніше відповідно 2 та 6 хвилин, кінець не пізніше 15 та 30 хвилин. Для гіпсових в' яжучих групи В початок тужавлення настає не раніше, ніж через 20 хвилин. Тонкість помелу гіпсових в'яжучих оцінюється просіюванням на ситі з розміром отворів 0,2 мм. Для в'яжучих грубого (І), середньо­го (ІІ) та тонкого (ІІІ) помелу залишок на ситі повинен бути не більше відповідно 23, 14 та 2%. Усі гіпсові в'яжучі діляться за міцністю на 12 марок (табл. 3.1.) (від Г2 до Г25), чисельне значення марки відповідає мінімальній гра­ниці міцності зразків на стиск у мегапаскалях. Для будівельного гіпсу найбільш характерними є марки Г4...Г7 з нормованою границею міц­ності на згин не менше відповідно 2.3,5 МПа. Таблиця 3.1. Марки гіпсових в'яжучих   Границя міцності ба­ Марка в' яжучого Границя міцності бало­ Марка в'яжучого лочок через 2 год тве­рдіння не менше, МПа чок через 2 год твер­діння не менше, МПа на стиск на згин   на стиск на згин Г-2   1,2 Г-10   4,5 Г-3   1,8 Г-13   5,5 Г-4     Г-16     Г-5   2,5 Г-19   6,5 Г-6     Г-22     Г-7   3,5 Г-25

 

В умовних позначеннях вказується марка гіпсового в'яжучого за міцністю, група по строкам тужавлення та тонкості помолу. Напри­клад, Г-5 АІІ - гіпс марки Г5, швидкотвердіючий (А) середнього по­мелу (ІІ).

При транспортуванні та зберіганні гіпсові в' яжучі повинні бути захищені від зволоження та забруднення.

Для отримання гіпсового тіста нормальної густоти необхідно 50.70 % води, що приблизно в 3.4 рази більше, ніж вимагається для гідратації. При висушуванні міцність гіпсу підвищується і може дося­гати 20 МПа. Сушать гіпсові вироби при температурі не більше 60­70°С. В перший період твердіння гіпс розширюється на 0,05.0,15 %, а при подальшому висиханні дає усадку. Здатність твердіючого гіпсу збільшуватися в об'ємі використовується при отриманні виливок різ­них архітектурних деталей. Для затверділого гіпсу характерні пласти­чні деформації під навантаженням (повзучість), особливо у зволоже­ному стані.

Будівельний гіпс застосовується для виробництва перегородко- вих плит і панелей, листів для обшивки стін і перекриттів (гіпсової сухої штукатурки), теплих звукоізоляційних плит. вентиляційних ко­робів, для штукатурних, ремонтних та опоряджувальних робіт і т. п. Гіпсові вироби можуть експлуатуватися при відносній вологості пові­тря не більше 60 %. Водостійкість гіпсових виробів підвищується з введенням 5. 25 % вапна, гранульованого доменного шлаку, при до­даванні деяких добавок, просоченні карбамідними смолами, кремні- йорганічними рідинами і т.п. При змішуванні 50.70 % будівельного гіпсу, 15. 20 % портландцементу і 10. 25 % активної мінеральної добавки отримують г і п с о ц е м е н т о п у ц о л а н о в і (ГЦПВ) в ' я ж у ч і, які об'єднують найбільш цінні якості гіпсу і цементу - здат­ність швидко тверднути, характеризуватися водо-, сульфатостійкістю, низькою повзучістю. З ГЦПВ можна отримати бетони класів В10.В15 з морозостійкістю 25.50 циклів і коефіцієнтом розм'якшення 0,6.0,8, які досягають через 2.3 год. після приготу­вання 30.40 % проектної міцності. Такі бетони успішно застосову­ють для виробництва панелей і об'ємних елементів санітарно- технічних кабін, покриттів підлог, стін малоповерхових будинків.

Будівельне повітряне вапно. Будівельним вап­ном називають продукт випалу кальцієвих і магнезіальних карбонат­них порід до можливо повного видалення СО2. В залежності від умов твердіння розрізняють повітряне і гідравлічне будівельне вапно.

Повітряне вапно забезпечує твердіння будівельних розчинів і бетонів і збереження ними міцності в повітряно-сухих умовах. Для його отримання застосовують вапняки, крейду, доломіти, карбонатні відходи промислових підприємств, які містять не більше 8 % глинис­тих домішок. При більшому вмісті глинистих домішок утворюється гідравлічне вапно. В сировинних матеріалах не бажані гіпсові і залізи­сті домішки, які погіршують якість вапна.

Вапно розділяють на негашене і гашене (гідратне). В залежності від вмістів оксидів кальцію і магнію повітряне негашене вапно ділять на кальцієве (МgО не більше 5 %), магнезіальне (МgО = 5...20 %) і до­ломітове (М^О = 20...40 %), Підвищення вмісту оксиду магнію спові­льнює швидкість гашення вапна.

Вапно випускають в грудковому або тонкоподрібненому поро­шкоподібному вигляді. Негашене грудкове вапно (кипілка) отримують після випалу сировинних матеріалів в результаті декарбонізації вугле­кислого кальцію

СаСО3 = СаО + С02І.

Температура випалу вапняків в заводських умовах складає 1000. 1200 °С. Для випалу вапна застосовують шахтні, обертові і інші печі. Найбільш поширені шахтні печі, основним елементом яких є ша­хта висотою до 28 м і діаметром до 6 м у вигляді циліндра чи конуса, захищеного всередині вогнетривкою футеровкою. Шахтні печі пра­цюють безперервно: у верхню частину завантажують вапняк, який по­вільно опускається вниз, проходячи через зони сушки і підігріву, ви­палу і охолодження і перетворюється в грудкове вапно.

Поряд з шахтними пересипними печами застосовують шахтні печі з винесеними топками, де можна спалювати вугілля з підвищеним вмістом летких домішок. Обертові печі мають більш високу потуж­ність, дозволяють забезпечити автоматизацію випалу і отримати вапно з крейди і інших м'яких карбонатних порід. Однак в них підвищені витрати палива і енергії.

Якість негашеного вапна визначається вмістом активних оксидів кальцію і магнію, здатних енергійно реагувати з водою - гаситись. Важливо не допустити "перевипалу" вапна, що призводить до пере­кристалізації і спікання оксидів кальцію і магнію. Це сповільнює їх гашення, викликає утворення тріщин у затверділих розчинах. Вимоги до негашеного кальцієвого вапна наведені в табл. 3.2. Грудкове вапно є напівфабрикатом для отримання порошкоподібного меленого або гідратного вапна, а також вапняного тіста.

Таблиця 3.2. Вимоги до негашеного кальцієвого і гідратного вапна Норми для сортів вапна Показник негашеного гашеного   І ІІ ІІІ І ІІ Вміст активних СаО+М§Р, %, не більше:           без добавок           з добавками     —     Вміст СО2, %, не більше           без добавок           з добавками     —     Непогашені зерна, %, не більше       — —

 

Подрібнення грудкового і отримання меленого негашеного вап­на дозволяє прискорювати гашення і запобігти утворенню відходів непогашених частинок, випускати розчини і вироби більш високої мі­цності. Для підвищення водостійкості і покращання інших якостей вапняних розчинів при подрібненні вапна вводять активні мінеральні добавки: золи, шлаки. Можна вводити також кварцовий пісок, гіпс. Тонкість подрібнення вапна оцінюється просіюванням крізь сито з сітками №№ 0,2 і 0,08. Проходити повинно відповідно не менше 98,5 і 85 % маси просіюваної проби. Мелене негашене вапно без добавок так само, як і грудкове, ділиться на три сорти, з добавками - на два (табл. 3.2).

Порошкоподібне вапно можна отримати не тільки його поме­лом, але й гашенням, взявши 0,6.0,8 частини води по масі на 1 час­тину негашеного вапна (кипілки):

СаО + Н2О = Са(ОН)2 + 65 кДж.

Час гашення для швидкогасного вапна - не більше 8хв., серед- ньогасного - не більше 25 хв. і повільногасного - більше 25 хв.

Отримане гашене (гідратне) вапно (пушонка) - готовий продукт, який при взаємодії з водою перетворюється в тісто. В упакованому вигляді його легше транспортувати і зберігати, ніж негашене вапно. Гідратне вапно також випускається з добавками і без добавок і ділить­ся на два сорти (див. табл. 3.2).

Негашене грудкове або мелене вапно частіше зразу гасять до утворення вапняного тіста. При цьому на 1 частину вапна по масі бе­руть 2.3 частини води.

Розчинні і бетонні суміші на основі вапна можуть тверднути по карбонатній, гідратній або гідросилікатній схемам. В розчинах на га­шеному вапні при звичайній температурі і тиску іде карбонатне твер­діння, яке включає одночасно два основних процеси: кристалізацію Са(ОН)₂ з насиченого водного розчину і утворення карбонату кальцію по реакції:

Са(ОН)2 + СО2 + пН20 = СаСОз + (п + ОДО.

Розчини на гашеному вапні твердіють дуже повільно. Приско­рити ріст їх міцності можна при гідратному твердінні, застосовуючи мелене негашене вапно. Гідратне твердіння іде в результаті розчинен­ня меленого негашеного вапна в воді, утворення пересиченого розчи­ну, виділення дрібних частин Са(ОН)2, їх взаємного зчеплення і зрос­тання. Нормальне гідратне твердіння можливе при достатній тонкості подрібнення вапна, певному водовапняному відношенні, швидкому відведенні виділеної теплоти. Найбільш висока міцність вапняних розчинів і бетонів досягається при гідросилікатному твердінні, яке полягає у сполученні вапна з кремнеземом при тепловологісній обро­бці виробів в автоклавах насиченою парою під тиском 0,9. 1,6 МПа і утворенні гідросилікатів кальцію, цементуючих зерна піску і інших заповнювачів. На гідросилікатному твердінні вапна основане одер­жання силікатної цегли і силікатних бетонів.

Головна позитивна особливість повітряного вапна - висока пла­стичність, яка надає розчинам і бетонам високу легковкладальність, а також водоутримуючу здатність та запобігає розшаруванню сумішей. Будівельне вапно застосовують для приготування кладочних і штука­турних розчинів, які працюють в повітряно-сухих умовах, для вигото­влення низькомарочних бетонів, змішаних гідравлічних в'яжучих, си­лікатних виробів.

Р о з ч и н н е т а р і д к е с к л о. Розчинне скло - скловидний сплав, що складається з лужних силікатів. Загальна формула його Я₂О'п8іО₂, де Я₂О - лужний оксид (№₂О, К₂О), п- силікатний модуль. Значення силікатного модуля може змінюватися від 1 до 6,5. В будів­ництві найчастіше використовують натрійове розчинне скло з моду­лем 1,5.3. Калійове скло з модулем 4.4,5 використовують основ­ним чином для отримання силікатних фарб. Випускають розчинне скло у вигляді твердого моноліту (силікат-глиби), який подрібнюють на куски, або дрібнозернистого продукту (силікат-грануляту). Для його отримання використовують шихту, що включає кремнеземистий та лужний компоненти, наприклад, пісок та соду або сульфат натрію. Шихту плавлять у скловарних печах при 1100....1400°С.

Силікат-глиба утворюється при повільному охолодженні роз­плаву на повітрі, силікат-гранулят - при охолодженні у проточній во­ді. Розчинення силікату-глиби у воді проводять в автоклавах під тис­ком 0,3...0,8 МПа. Гранулят можна розчинювати при атмосферному тиску і температурі 90... 100 °С.

Водний розчин силікатів лужних металів називають рідким склом. Його можна отримати як із розчинного скла, так і безпосеред­ньо у автоклавах обробкою аморфних кремнеземистих продуктів у розчинах їдких лугів.

Рідке скло являє собою колоїдний розчин густиною 1,4... 1,5 г/см³, у закритих посудинах воно може зберігатися дуже довго, на по­вітрі повільно затвердіває. Суть процесу твердіння полягає у випару­ванні рідкої фази, підвищенні концентрації вільного колоїдного кремнезему та його наступній коагуляції та ущільненні. Вуглекислий газ повітря нейтралізує луги, що містяться у водному розчині та спри­яє коагуляції кремнезему. Суттєво прискорює процес твердіння рідко­го скла добавка кремнефтористого натрію та деякі інші речовини.

Характерна особливість рідкого скла - висока клеюча здатність, яка у З...5 разів вища, ніж у цементів та інших мінеральних в'яжучих. Завдяки цьому його широко використовують для склеювання картону, паперу, дерев'яних та силікатних виробів і т.п.

Для закріплення грунту під фундаментами, захисту від ґрунто­вих вод при проходженні шахт та тунелів використовують силікати­зацію - нагнітання у грунт рідкого скла разом з розчинами добавок крізь систему перфорованих труб.

Рідке скло служить затворювачем кварцових кремнійфтористих кислототривких цементів - продуктів сумістного подрібнення або змішування кварцового піску та кремнійфтористого натрію. Виготов­ляють два типи таких цементів: І - для кислототривких замазок, ІІ - для бетонів та розчинів. Вони різняться вмістом кремнійфтористого натрію та строками тужавлення. Кислототривкі цементи використо­вуються для склеювання хімічно стійких матеріалів, футеровки різних апаратів та захисних покрить будівельних конструкцій. Кислототривкі цементи не можна використовувати в умовах дії лугів, фтористовод­невої та кремнійфтористоводневої кислот, киплячої води та водяної пари.

Відмінною особливістю розчинів та бетонів на основі рідкого скла поряд з кислотостійкістю є також висока жаростійкість.

М а г н е з і а л ь н і в 'я ж у ч і. Магнезіальні в'яжучі є продукта­ми помірного випалювання магнезиту (каустичний магнезит) або до­ломіту (каустичний доломіт), замішуваних розчинами електролітів: хлориду та сульфату магнію, сульфату заліза та ін. Каустичний магне­зит отримують при 800...850°С, каустичний доломіт - при 650...750°С.

Підвищення температури вище оптимальної веде до ущільнення кристалів МдО, а при випалі доломіту - дисоціації СаСО_з, що погір­шує якість магнезіальних в'яжучих.

Найвища міцність магнезіальних в'яжучих забезпечується при використанні як затворювача хлориду магнію. Так, каустичний магне­зит, замішаний водним розчином хлориду магнію з густиною 1,2 г/см³, на 28-у добу показує границю міцності на стиск 50....60 МПа та вище. Магнезіальні в'яжучі належать до кращих в'яжучих для отримання ма­теріалів з використанням деревної тирси (ксилоліт) та стружки (фіб­роліт), що відрізняються високою ударною міцністю, тепло- та звуко­ізоляційними властивостями. У воді і у вологій атмосфері міцність виробів на основі магнезіальних в'яжучих знижується. Найсильніше підвищують їх водостійкість фосфатні добавки.

Необхідність використання для замішування магнезіальних в'я­жучих розчинів солей різко обмежує їх вживання у будівництві.

/^ ти • • • • •

.2. Іідравлічні в'яжучі речовини

В групу гідравлічних в'яжучих входять гідравлічне вапно і вап- новміщуючі в'яжучі, романцемент, портландцемент, шлакопортланд­цемент, пуцолановий і глиноземистий цементи і їх різновиди. Для бу­дівництва найбільше значення мають портландцемент і похідні від нього в'яжучі матеріали.

Вапновміщуючі в ' яжучі. Першими гідравлічними в' яжучими були гідравлічне вапно і романцемент. Гідравлічне вапно отримують помірним випалом мергелистих вапняків, які містять 8.20 % глинистих домішок (романцемент - не менше 25 %). Його здатність повільно твердіти у воді обумовлена вмістом, крім вільних оксидів СаО і МgО, ще і мінералів-силікатів, алюмінатів, феритів (2СаО8іО₂, ЗСаОА1₂О₃, 2СаОБе₂О₃) та ін. Гідравлічне вапно розді­ляють на слабогідравлічне (СаО + МgО 40.65 %) і сильногідравлічне (СаО + МgО 5.40 %). Границя міцності зразків через 28 діб твердін­ня для слабогідравлічного вапна повинна бути не менш: на стиск 1,7, на згин 0,4 МПа, для сильно-гідравлічного відповідно 5 і 1 МПа. Га­шення гідравлічного вапна проходить повільно, пластичність розчинів на його основі нижча, ніж на основі повітряного.

Суміш повітряного чи гідравлічного вапна з гранульованим шлаком або золою виносу та іншими активними мінеральними добав­ками дає змішані гідравлічні в'яжучі. Вміст вапна в них в перерахунку на активні СаО + МgО повинен бути в межах 10.50 % за масою. Для них характерний початок тужавлення не раніше 25хв., кінець - не піз­ніше 24 год. від початку затворення. Марки цих в'яжучих, які визна­чаються границею міцності через 28 діб зразків-балочок розмірами 40x40x160 мм з розчину складу 1:3 (по масі) з нормальним піском, - 50, 100, 150, 200. Розглянуті в'яжучі застосовуються в основному для приготування низькомарочних будівельних розчинів і бетонів.

П о р т л а н д ц е м е н т - гідравлічна в'яжуча речовина, що тве­рдіє у воді і на повітрі. Його отримують шляхом сумісного тонкого помелу клінкеру, необхідної кількості гіпсу та інших добавок. П о р т л а н д ц е м е н т н и й к л і н к е р - продукт спікання сировинної су­міші певного хімічного складу, що забезпечує після випалювання пе­реважання силікатів кальцію.

Цементна промисловість випускає значну кількість цементів на основі портландцементного клінкеру, які умовно можна поділити на цементи загальнобудівельного і спеціального призначення.

Згідно державного стандарту, який діє на Україні (ДСТУ Б В.2.7- 46-96), цементи загальнобудівельного призначення поділяють на 5 типів за речовинним складом і міцністю на стиск в 28-добовому віці:

Тип І - портландцемент (від 0 до 5% мінеральних добавок, марки 300,400, 500, 550, 600);

Тип II - портландцемент з добавками (від 6 до 35% мінеральних добавок), марки 300,400, 500,550, 600;

Тип III - шлакопортландцемент (від 36 до 80% доменного грану­льованого шлаку), марки 300,400, 500;

Тип IV - пуцолановий цемент (від 21 до 55% мінеральних доба­вок), марки 300, 400, 500;

Тип V - композиційний цемент (від 36 до 80% мінеральних доба­вок), марки 300, 400, 500.

За міцністю в ранньому віці (після двох або семи діб тверднення) цементи марок 400 і 500 поділяють на два види: цемент із звичайною міцністю в ранньому віці і швидкотверднучий.

При умовному позначенні цементу вказують його тип і спеціа­льні ознаки (висока міцність в ранньому віці - Р; пластифікація і гід- рофобізація - ПЛ, ГФ, нормованість мінералогії - Н). Наприклад, портландцемент марки 400 з добавкою до 20% шлаку, пластифікова­ний, швидкотверднучий позначається ПЦ-ІІ/А-Ш-400Р-ПЛ ДСТУ.

К л і н к е р - напівфабрикат для виробництва цементу. Його отримують випалом до спікання сировинної суміші певного хімічного складу.

Для портландцементу сировиною служать карбонатні і глинисті породи (крейда, вапняк, глини, суглинки та ін.) і їх природні суміші - мергелі. Застосовують також побічні продукти інших галузей промис­ловості - доменні шлаки, золи, нефеліновий шлам та ін. Склад сиро­винної суміші підбирається таким чином, щоб забезпечити в клінкері вміст оксидів в наступних межах, %:

СаО - 63.66; 8і02 - 21.24; АІ2О3 - 4.8; Бе2Ов - 2...4; МвО - 0,5.5; 8Ов - 0,3.1; ^О + К2О - 0,3.1; ТЮ2 + СГ2О3 - 0,2.0,5; Р2О5 - 0,1.0,3.

Виробництво портландцементу полягає в добуванні, подрібнен­ні і змішуванні сировинних матеріалів, випалі однорідної сировинної суміші до спікання, подрібненні отриманого клінкеру з гіпсом і, при

36

необхідності, з іншими добавками до порошкоподібного продукту - цементу. Можливі два основних способи виробництва портландцеме­нту - мокрий і сухий. При найбільш поширеному в нашій країні мок­рому способі в процесі подрібнення сировинних матеріалів вводиться вода, і сировинна суміш поступає на випал у вигляді водяної суспензії - шламу вологістю 33.42 %. Введення води в сировинну суміш поле­гшує її помел, досягається висока однорідність, однак при цьому (в 1,5.2 рази) підвищується витрата палива. При сухому способі сиро­винні матеріали після подрібнення висушуються і поступають на ви­пал в порошкоподібному або гранульованому вигляді. Цей спосіб за­вдяки високим техніко-економічним показникам отримує все більше поширення.

При випалі сировинної суміші по мірі підвищення температури проходить ряд фізичних і хімічних процесів. Випал клінкеру завершу­ється при температурі приблизно 1450 °С. Помел клінкеру прово­диться в трубних млинах (рис. 3.1) з мелючими тілами - стальними кулями і циліндрами.

2 \ ^ f J

чЬ Ґ_______ І /

^ ________________ p^

І

Рис. 3.1. Схема кульового млина для по­дрібнення сировинної суміші і цемент­ного клінкеру:

1 - корпус млина; 2 - підшипник; 3, 4 - пустотілі цапфи; 5 - кульове завантаження

Фізико-механічні властивості портландцементу залежать від ба­гатьох факторів, з яких головними є його хіміко-мінералогічний склад і тонкість помелу. Портландцемент - багатомінеральний продукт (рис. 3.2). Основним мінералом портландцементу є а л і т - трикаль- цієвий силікат 3СаО8іО₂, який містить 2.4 % А1₂О₃, МgО та ін. Із збільшенням вмісту аліту, який складає 45.60 % маси клінкеру, під­вищується міцність, прискорюється твердіння, однак затруднюється випал портландцементу. На відміну від аліту б е л і т - двокальцієвий силікат Р-2СаО-8іО₂,з домішками А1₂О₃, Бе₂О₃ та ін. Він складає 15.30 % маси клінкеру, твердіє повільно і отримує високу міцність

і а

3 7

лише у віддалені терміни - 1..2 роки. Рис. 3.2. Мікроструктура цементного клінкеру (видно призматичні криста­ли трикальцієвого силікату Сз8та округлі - двокальцієвого С28).

 

Крім мінералів-силікатів у портландцемент входять трикальціє- вий алюмінат 3СаОА1₂О₃ (5. 15 %) і твердий розчин алюмоферитів, близький по складу до 4СаОАІ₂О₃Ре₂О₃ (10.20 %). Т р и к а л ь ц і є в и й а л ю м і н а т сприяє швидшому твердінню портландцементу, однак знижує його морозостійкість і стійкість в мінералізованих во­дах. Чотирикальцієвий алюмоферит, так само, як і беліт, отримує ве­лику міцність лише протягом довгого проміжку часу. До складу порт­ландцементу входять в невеликих кількостях лужні сполуки, вільні оксиди кальцію і магнію та ін. Основну масу портландцементу скла­дають зерна 5.40 мкм. При просіюванні через сито №008 повинно проходити не менше 85 % маси просіюваної проби. Більш загальним показником тонкості помелу є питома поверхня цементного порошку (як правило, вона складає 2500.3000 см /г), однак при тонкому поме­лі зростають витрати електроенергії. Для інтенсифікації помелу вво­дять спеціальні добавки, які не погіршують якість цементу.

Густина портландцементу 3.3,2 г/см³, насипна густина в роз- сипчастому стані складає 900. 1100, а в ущільненому - 1400.1700 кг/м, Основними фізико-механічними якостями порт­ландцементу є водопотреба, строки тужавлення, рівномірність зміни об'єму і міцність.

Водопотребу цементів оцінюють кількістю води замішування в процентах від маси цементу, необхідної для утворення тіста нормаль­ної густоти. Нормальна густота цементного тіста - це така його кон­систенція, коли голка приладу Віка не доходить на 5.7 мм до плас­тини, на якій встановлено кільце, заповнене тістом. Нормальна густо­та портландцементу 24.29 %. Вона зростає із збільшенням вмісту С₃А, при введені добавок осадового походження - опоки, трепелу, ді­атоміту і ін., а зменшується за рахунок пластифікуючих поверхнево- активних добавок. Із збільшенням водопотреби цементу збільшується необхідна витрата води в бетонних сумішах заданої рухливості, і в результаті росте витрата цементу, погіршуються якості бетону.

Т у ж а в л е н н я - це перша стадія твердіння цементного тіста. Воно характеризується початком - часом від моменту зачинення до початку загустіння (голка приладу Віка не доходить до пластинки на 1.2 мм) і кінцем - часом від моменту зачинення до повної втрати цементним тістом пластичності (голка приладу Віка занурюється в тісто не більше ніж на 1 мм). Строки тужавлення цементу нормуються у межах, зручних для виготовлення бетонів і розчинів, і регулюються добавками, які містять двоводний гіпс (не більше 3,5 % по 8О₃). Поча­ток тужавлення портландцементу повинен наступати не раніше 45 хв. для цементу марок М550 і М600 і 60 хв. - для марок 300, 400, 500, а кінець - не пізніше 10 год.

Процес твердіння портландцементу супроводжується зміною об'єму в результаті деформацій усадки на повітрі чи набуханні у воді. При цьому обов' язковою вимогою є р і в н о м і р н і с т ь з м і н и о б ' є м у цементу, яка визначається оглядом зразків з тіста нормаль­ної густоти, що тверділи добу у ванні з гідравлічним затвором, а потім витриманих 3 год. в киплячій воді. На зразках не повинно бути трі­щин, викривлень і інших ознак пошкодження. Нерівномірність зміни об'єму цементу може бути викликана напруженнями розширення в затверділому цементному камені при надлишку оксидів кальцію і ма­гнію, сульфатів і інших шкідливих компонентів. Важливою якістю цементу, яка визначає його придатність до виготовлення бетонів і роз­чинів, є міцність, яку визначають випробуванням зразків-балочок розміром 4^4x16 см спочатку на згин, а потім утворених половинок - на стиск. Зразки виготовлюють вібрацією з розчинної суміші яка міс­тить по масі одну частину цементу і три частини нормального (Воль- ського) піску. Консистенція суміші при водоцементному відношенні, рівному або меншому 0,4, повинна характеризуватися розпливом ко­нуса 106. 115 мм. Границя міцності при стиску зразків, які тверділи протягом 28 діб, називається активністю цементу. В зале­жності від активності і границі міцності при згині для портландцемен­ту і портландцементу з мінеральними добавками встановлені марки 300, 400, 500, 550 і 600 (табл. 3.3).

Таблиця 3.3. Вимоги до міцності цементів_____________ Марка Межа міцності через 28 діб, МПа, не менше 2 доби 7 діб 28 діб   —       —     400Р   —       —       —       —

 

Крім хіміко-мінералогічного складу і тонкості помелу, на міц­ність цементу впливає ряд інших факторів. Позитивно впливають рів­номірно зерниста структура клінкеру, легуючі добавки деяких оксидів та ін. Активність цементу знижується при довгому зберіганні під дією вологи і СО₂ повітря.

Твердіння портландцементу. В результаті взає­модії мінералів, які містяться в цементі, з водою утворюються нові сполуки - гідрати. При гідратації мінералів-силікатів такими сполука­ми є гідросилікати. Так, процес гідратації С₃8 можна представити рів­нянням: 2(3Са08і02) + 6Н2О = 3Са0-28і02-3Н20 + 3Са(ОН)2.

Склад утворюваних при реакції гідросилікатів залежить від тем­ператури і концентрації гідроксиду кальцію.

Трикальцієвий алюмінат С₃А в присутності гіпсу, який містить­ся у цементі, і води утворює гідросульфоалюмінат кальцію (етрингіт), який сповільнює процес тужавлення цементного тіста:

3СаОАІ2О3 + 3Са804-2Н2О + 25Н2О = 3СаОАІ2О3-3Са8О4-31Н2О.

При гідратації С₄ЛБ поряд з гідросульфоалюмінатом утворю­ється і гідросульфоферит кальцію або твердий розчин цих двох спо­лук. Хімічні реакції починають протікати зразу після змішування це­менту з водою. Компоненти цементу розчиняються, і вже через кілька

хвилин утворюється розчин, який заповнює простір між зернами і пересичений по відношенню до гідроксиду кальцію, що виділяється при гідролізі аліту. Першими гідратними новоутвореннями є етрингіт і гідроксид кальцію. Потім утворюються дуже дрібні гідросилікати кальцію.

Механізм твердіння цементу дуже складний. У відповідності з сучасними уявленнями, розвинутими під керівництвом акад. П. О. Ре- біндера, з пересиченого розчину новоутворення кристалізуються в два етапи. Протягом першого проходить формування каркасу з появою контактів зростання між кристалами новоутворень. При цьому мож­ливий також ріст кристалів, які зростаються між собою. Протягом другого етапу нові контакти не виникають, а проходить лише оброс­тання вже існуючого каркасу, тобто ріст складаючих його кристалів. В результаті підвищується міцність цементного каменю, однак можуть виникнути і внутрішні розтягуючі зусилля. Вирішальну роль грає пе­ресичення розчину. При малому пересиченні кількість кристалів неве­лика, вони не зростаються. Для найбільшої міцності штучного каменю необхідні оптимальні умови гідратації, які забезпечують виникнення новоутворень достатньої величини при мінімальних напруженнях.

Другий напрямок в теорії цементів оснований роботами акад. О. О. Байкова, у відповідності з якими можна виділити три періоди твер­діння: 1) розчинення в'яжучого у воді до утворення насиченого роз­чину; 2) пряме (без розчинення) приєднання води до цементу і виник­нення колоїдних гідратів; 3) перекристалізація колоїдних частинок в більш крупні і ріст міцності.

Твердіння портландцементу залежить в значній мірі від темпе- ратурно-вологісних умов. Так, пониження температури від 20 °С до 5 °С сповільнює твердіння в 2.3 рази, а підвищення до 80 °С збіль­шує швидкість гідратації в 6 разів. При температурах нижчих -10 °С гідратація цементу практично припиняється.

Нормальне протікання процесів твердіння можливе лише при достатній вологості середовища, підвищення температури не повинно супроводжуватися висиханням. Прискорення фізико-хімічних проце­сів твердіння портландцементу при тепловій обробці (пропарювання, елктропрогрів та ін.) дозволяє отримувати в короткий строк бетонні і залізобетонні вироби з необхідною відпускною міцністю.

Корозія цементного каменю. Цементний камінь, який є основою бетону, при впливі агресивного середовища кородує - руйнується. Для споруд з бетону і залізобетону найбільш небезпечна хімічна корозія в природних водах. За В. М. Москвіним хімічні коро­зійні процеси при впливі водного середовища можна розділити на три види.

Корозія першого виду пояснюється розчиненням деяких компо­нентів цементного каменю, і в першу чергу гідроксиду кальцію - про­дукту гідролізу трикальцієвого силікату (корозія вилуговування). Во­на іде інтенсивно в м' яких водах, особливо при фільтрації води через бетон. При вилуговуванні Са(ОН)₂ поряд із зменшенням щільності і порушенням структури цементного каменю починається розклад ін­ших гідратів, стійких лише при певній концентрації СаО.

Корозія другого виду основана на обмінних хімічних реакціях взаємодії між цементним каменем і агресивним водним розчином з утворенням легкорозчинних, вимиваємих солей чи аморфних продук­тів, які не мають в'яжучі якості. До неї можна віднести кислотну, вуг­лекислу і магнезіальну корозії. Кислотність природних вод обумовле­на в основному присутністю в них СО₂ і гумінової кислоти. Гідроксид кальцію, що міститься в цементному камені, спочатку взаємодіє з СО2 з утворенням малорозчинного СаСО₃, а потім при його надлишку утворює розчинний гідрокарбонат, що вимивається з бетону:

Са(Он)2 + СО2 + Н2О = СаСО3 + 2Н2О, СаСО3 + СО2+ Н2О ^ Са(НСО3)2.

При збільшенні жорсткості води кількість вільного С02 зменшу­ється і вуглекисла корозія менш небезпечна.

Корозія третього виду також викликана обмінними реакціями речовин, розчинених у воді з компонентами цементного каменю, од­нак продуктами їх є малорозчинні солі, кристалізація яких іде в порах

і капілярах із збільшенням об'єму. Типовим прикладом корозії цього

виду являється сульфатна корозія. Вона викликається іонами 80₄ ", джерелом яких є сульфати кальцію, магнію і натрію. Різновиди суль­фатної _ сульфоалюмінатна і гіпсова корозія. При сульфоалюмінатній корозії іде реакція між сульфатом кальцію, який знаходиться у воді, та гідроалюмінатами в цементному камені з утворенням етрингіту 3СаОАІ₂О₃-3Са8О₄-3Ш₂О, що супроводжується значним збільшенням

об'єму і виникненням руйнівних напружень. При більшій концентра-

ції сульфатів (більше 1000 мг/л 80₄) в капілярах цементного каменю кристалізується гіпс (гіпсова корозія).

Корозію цементного каменю викликає також взаємодія лугів цементу з активним кремнеземом, який міститься в таких мінералах, як опал, халцедон та ін., що зустрічаються в заповнювачах бетону.

Небезпечні напруження при цьому є наслідком утворення драглеподі­бних лужних силікатів.