46. Портландцемент (сырье и производство). Основные клинкерные минералы (образование, формулы и характеристики).

Из всех вяжущих веществ важнейшим является портландцемент - один из основных строительных материалов, без которого невозможно получить бетон, железобетонные конструкции, высококачественные растворы для каменных кладок и штукатурок.

Типы: 1) портландцемент бездобавочный (ПЦДО); 2) с минеральными добавками (ПЦД5, ПЦД20); 3) шлакопортландцемент (ШПЦ).

Портландцемент - гидравлическое вяжущее вещество, способное после затворения водой твердеть и набирать прочность на воздухе и в воде, получаемое совместным тонким измельчением портландцементного клинкера с необходимым количеством двуводного гипса (CaSO₄•2H₂O), замедляющего сроки схватывания портландцемента.

Сырьевыми материалами для изготовления портландцементного клинкера служат карбонатные (СаС0₃₎ и глинистые горные породы (алюмосиликаты). Для получения клинкера глину и известняк берут в соотношении 1:3. От качества клинкера зависят: прочность и скорость ее нарастания, долговечность, стойкость в различных условиях.

Пр-во портландцемента включает следующие технологические операции: приготовление сырьевой смеси, ее обжиг и получение клинкера, помол клинкера с добавкой гипса.

В зав-ти от методов приготовления смеси различают мокрый и cуxoй способы пр-ва цемента. При мокром способе (высокая однородность, затраты топлива) сырье смешивают и измельчают в присутствии воды. Затем смесь в виде шлама, содержащего 40...50 % воды, обжигают во вращ-ся печах. При сухом способе сырьевые материалы высушивают, измельчают, смешивают и обжигают в сухом виде (влажность - 1...2 %).

Максимальная температура обжига - 1450 °С. Продукты взаимодействия СаО с кислотными оксидами, образующимися при разложении глины, частично плавясь и спекаясь друг с другом, образуют так называемый портландцементный клинкер - пористые гранулы серого цвета.

Основными минералами портландцементного клинкера являются:

алит - ЗСаО • • Si0₂ (или C₃S) 45...65 %. Это - самый важный минерал клинкера, определяющий время твердения, прочность и другие свойства портландцемента;

белит - 2СаО • Si0₂ (или C₂S) - 20...35 %.

целит - трехкальциевый алюминат ЗСаО • Аl₂0₃ (или С₃А) - 4...12%.

четырехкалъциевый алюмоферрит (браунмиллерит) 4СаО • • А1₂0₃ • Fe₂0₃ (или C₄AF) - 10...20 %.

Для получения портландцемента клинкер размалывают в трубных или шаровых мельницах с гипсом. Свойства портландцемента зависят от его минералогического состава и тонкости помола клинкера.

47. Теория твердения портландцемента.

При смешивании портландцемента с водой образуется пластичное, легко формуемое тесто, постепенно схватывающееся и переходящее в камневидное состояние. Процесс твердения условно разделяется на три периода: подготовительный, коллоидации и кристаллизации.

В подготовительном периоде частицы цемента смачиваются водой и растворяются; со временем образуется насыщенный раствор. В этот период, длившийся 1...3 ч, цементное тесто пластично и легко поддается формованию. Основные минералы клинкера в растворе с водой гидратируются по следующим уравнениям:

ЗСаО • Si0₂ + 5Н₂0 = 2СаО • Si0₂ • 4H₂0 + Са(ОН)₂;

2СаО • Si0₂ + 4Н₂0 = 2СаО • Si0₂ • 4Н₂0;

ЗСаО • А1₂0₃ + 6Н₂0 = ЗСаО • А1₂0₃ • 6Н₂0;

4СаО • А1₂О_э • Fe₂0₃ + nН₂0 = 4СаО • А1₂0₃ • Fe₂0₃ • nН₂0.

В период коллоидации концентрация гидратных новообразований в растворе возрастает. Образующиеся соединения (новообразования) отличаются меньшей растворимостью, чем минералы клинкера, - и в виде мельчайших коллоидных частичек - субмикрокристаллов - выделяются из раствора, образуя цементное тесто.

Возникновение большого количества теста приводит к зaгустеванию цементного теста, которое утрачивает пластичность. Момент загустевания (схватывания) цементного теста наступaет через 3...5 ч после затворения цемента водой.

В цементе, состоящем из одного клинкера, потеря пластичности (схватывание) наступает через несколько минут. Природный гипс, растворившись, взаимодействует с трехкальциевым алюминатом и водой с образованием гидросульфоалюмината кальция

ЗСаО • А1₂0₃ + 3CaS0₄ +31Н₂0 = ЗСаО • А1₂0₃ • 3CaS0₄ • 31Н₂0. Последний создает на цементных зёрнах оболочки, которые затрудняют дальнейшую гидратацию минералов и замедляют схватывание цемента. В процессе гидратации оболочки разрушаются, после чего скорость гидратации цемента возрастает

Период кристаллизации характеризуется дальнейшей гидратацией цемента. Гель постепенно преобразуется в кристаллические сростки. Формируется кристаллическая структура цементного камня с химическими связями между частицами. Цементный гель теряет значительное количество воды, и наступает конец схватывания. Число и площадь поверхности контактов в кристаллах новообразований увеличиваются, что приводит к заметному росту прочности цементного камня.

Приведем наиболее важные выводы из рассмотренного механизма твердения портландцемента.

Все химические реакции взаимодействия клинкерных минералов с водой – экзотермические. (Т.е. цемент слишком/замечательно быстро твердеет).

До окончания схватывания структура цементного геля способна обратимо восстанавливаться после снятия механического воздействия. Это позволяет после затворения цемента водой сохранить формовочные свойства и не сразу формовать изделия.

В процессе взаимодействия трехкалъциевого силиката с водой образуется гидроксид кальция. Это значит, что в результате твердения в цементном камне всегда возникает щелочная среда, в какой (при рН > 12,5) не происходит коррозии железа.

А для повышения стойкости БЕТОНА к коррозии в цемент вводят минеральные добавки, связывающие Са(ОН)₂ в более стойкие соединения. Так пол-ют пуццолановый цемент.

Затворение цементного порошка водой - это необходимое условие образования прочного цементного камня, но избыточное количество не увеличивает, а уменьшает его прочность.

Вся лишняя вода остается в жидком состоянии, после испоряется. Что плохо.