30. Портландцемент. Состав. Свойства. Применение.

Портландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе. Его получают тонким измельчением обожженной до спекания сырьевой смеси известняка и глины, обеспечивающей преобладание в клинкере силикатов кальция. Спекшаяся сырьевая смесь в виде зерен размером до 40 мм называется клинкером; от качества его зависят важнейшие свойства цемента: прочность и скорость ее нарастания, долговечность, стойкость в различных эксплуатационных условиях.

 Сырье, пригодное для получения портландцемента должно иметь 75-78% карбоната кальция и 22-25% глины. Такое природное сырье встречается крайне редко, поэтому заводы производящие цемент отлично работают на искусственных смесях из карбонатных пород и глины.

Получение портландцемента хорошего качества зависит от содержания главнейших оксидов в клинкере, процент которых должен быть в пределах: CaO – 60-68%. SiO₂ – 19-25%, оксида алюминия 4-8%, оксида железа 2-6%.

Основные свойства портландцемента и методы их определения нормируются ГОСТами. К ним относятся: плотность и объемная масса, тонкость помола цементного порошка, способность схватываться и приобретать прочность в определенные сроки, равномерность изменения объема при схватывании и твердении, нормальная густота цементного теста. Кроме того, портландцемент может характеризоваться такими свойствами, как выделение тепла при схватывании и твердении, изменение объема при твердении (усадка на воздухе, набухание в воде) и др. Плотность портландцемента зависит от минералогического состава и колеблется в пределах 3,0-3,2 т/м³. Объемная масса его в рыхлом состянии 0,9-1,3 т/м³, в уплотненном – 1,5-2,0 т/м³.  Тонкость помола портландцемента существенно влияет на его свойства, она обуславливает суммарную поверхность зерен цемента в единице массы. Чем тоньше помол, тем полнее использован цемент в образовании цементного клея. Тонкость помола определяют просевом высушенной навески цемента 50 г через сито №008. В соответствии с требованиями необходимо, чтобы через сито №008 проходило не менее 85% от веса пробы; при этом важно, чтобы его гранулометрический состав был неоднородный, что улучшает условия твердения. Удельная поверхность для обычного портландцемента колеблется в пределах 2500-3000 см²/г, а для быстротвердеющих – 4000 см²/г, иногда – до 6000 см²/г. Схватывание и твердение цемента Скорость схватывания является существенной технологической характеристикой цемента. Скорость схватывания цемента зависит от минералогического состава, тонкости помола, количества воды для затворения, температуры и др. Для портландцемента начало схватывания должно наступить не ранее 45 мин., а конец – не позднее 12 ч от начала затворения. Обычно же начало схватывания у портландцемента наступает через 2-3 ч, а конец – через 5-8 ч. Как быстрое, так и очень медленное схватывание затрудневает и усложняет организацию производства строительных работ. На сроки схватывания цементного теста большое влияние оказывает температура. Чем выше температура окружающего воздуха и материалов, тем быстрее наступает начало и конец схватывания, и наоборот. Нормальная густота – условное количество воды, которое необходимо для достижения заданной пластичности. Обычно для портландцемента нормальная густота составляет 20-25%. Нормальная густота цементного теста определяется при помощи прибора Вика. Начало и конец схватывания теста нормальной густоты определяют на приборе Вика, но вместо пестика вставляют иглу с подвижным стержнем, которую опускают в тесто через каждые 5 мин до начала схватывания, а затем – через 15 мин до конца схватывания. За начало схватывания принимают время в часах и минутах, прошедшие от времени затворения до момента, когда игла не дойдет до дна на 1-2 мм. За конец схватывания принимают время от начала, затворения до момента, когда игла опускается в тесто не более, чем не 1 мм. Для определения начала « конца схватывания я нормальной густоты теста можно использовать автоматический прибор АПСС-6 для шести образцов одновременно. Портландцемент, применяемый для бетонных покрытий автомобиль-ных дорог, должен иметь начало схватывания не ранее 2 ч с момента его затворения. Равномерность изменения объема цемента при твердении является одним из главных его свойств. Основной причиной неравномерности изменения объема портландцемента является присутствие свободной, или несоединившейся извести или окиси магния выше известного предела. Равномерность изменения объема определяется на четырех лепешках, изготовленных из теста нормальной густоты массой до 75 г каждая. Лепешки после 24 ч хранения их в шкафу с повышенной влажностью подвергают кипячению в воде в течение 4 ч. После охлаждения две лепешки подвергают дополнительному испытанию в автоклаве при давлении пара до 2 МПа в течение 3 ч. Цемент считается выдержавшим испытание, если на лицевой стороне всех четырех лепешек не обнаружится радиальных доходящих до краев трещин или сетки мелких трещин, которые видны невооруженным глазом, а также каких-либо искривлений и увеличения объема лепешки. Плотность цемента определяют в объемомере.

Изделия и конструкции, изготовленные с использованием портландцемента, широко используют в надземных, подземных и подводных условиях. Его применяют для изготовления монолитного и сборного бетона и железобетона в жилищном, промышленном, гидротехническом, до-рожлом строительстве и т. д. На нем изготовляют тяжелые и легкие бетоны, ячеистые бетоны, строительные растворы высоких марок, теплоизоляционные материалы и т. д. Портландцемент не следует применять для конструкций, подвергающихся воздействию морской, минерализованной и даже пресной воды проточной или под сильным напором. В этих случаях рекомендуется использовать цементы специальных видов (сульфатостойкие, цементы с добавками).

31. Технология получения портландцемента.

Технология получения цемента

Основные технологические операции выполняющиеся для получения цемента:

1. Добыча сырья и приготовление сырьевой смеси.

2. Обжиг сырьевой смеси и получение цементного клинкера.

3. Помол цементного клинкера с добавкой

Добыча сырья

Добыча сырья является основной в ступени производства цемента. Сырьём для цемента служит слой известняка зеленовато – жёлтого цвета. Добыча ведётся открытым способом. Залегания цементного известняка располагается на глубину до 10 м. неравномерными слоями до 0,7 м. Из опыта геологоразведочных работ таких слоёв, как правило, четыре.  Первичная обработка

После добычи известняк транспортируют и производят специальную сушку и первичный помол с добавлением специальных добавок. В маркировке такого цемента добавляется обозначение Д20, например ПЦ500 Д0 обозначает 0% добавок, а ПЦ 400Д20 - 20% добавок. В конце прохождения этой стадии смеси подвергают обжигу – таким образом получается клинкер. Конечная обработка

Далее полученный клинкер ещё раз размалывают и сушат с добавлением известкового камня и активными минеральными добавками. Полученный материал является готовым цементом с заданными свойствами.

Поскольку у каждого вида исходного сырья есть свои особенности: минеральный состав, влажность, прочность каждое производство имеет свою уникальную технологию, позволяющую добиться необходимых свойств цемента. В основном при производстве цемента на второй стадии используют одну из трёх отработанных технологий:

• мокрый;

• сухой;

• комбинированный.

Мокрый способ

Применяется при производстве цемента из сырья состоящий из мела, глины, железосодержащих добавок. Требование к глине по влажности не более 20%, к мелу – не более 29%. Измельчение сырья производится в воде. Полученная шихта в виде суспензии влажностью до 50% поступает в печь для обжига. Диаметр печи может составлять 7 метров и длиной более 200 метров. В результате обжига получаются небольшие шарики – клинкеры, которые после тонкого помола станут готовым цементом.  Сухой способ

Основным отличием данного способа является то, что сырьё после или во время измельчения не увлажняется, а наоборот сушится. Таким образом, порошкообразная шихта поступает на обжиг уже в сухом виде. Данный вид обработки является наиболее экономически целесообразным, поскольку позволяет экономить не только сырьё, но и энергию, которая при мокром способе тратится на удаления воды из шихты. Комбинированный способ

Данный способ производства совмещает в себе два способа и предполагает две разновидности технологий.

Мокрым способом готовят сырьевую смесь – шлам. После чего шлам пропускают через фильтры, осушая смесь до 16-18%, а затем отправляют на обжиг.

Сухим способом готовят шлам. Затем добавляют воду до влажности смеси 10-14% и гранулируют в шарики. После обжига они становятся клинкерами. Размер клинкеров 10-15 мм

32. Процессы твердения гипса, извести, цемента.

Твердение строительного гипса

Процесс твердения наступает после затворения вяжущих веществ водой, когда они образуют пластичную массу, превращающуюся с течением времени в твердое камневидное тело, обладающее известной механической прочностью. Вначале пластичная масса начинает уплотняться и густеть; это состояние соответствует началу схватывания; затем по мере дальнейшего уплотнения наблюдаются окончательная потеря пластичности и постепенное превращение вещества в твердое тело, не обладающее, однако, заметной прочностью. Этот момент соответствует концу схватывания.

После окончания схватывания протекают дальнейшие химические и физические преобразования, сопровождающиеся продолжающимся уплотнением и нарастанием механической прочности, характеризующими собой процесс твердения вяжущих веществ. Схватывание является начальной стадией этого процесса; оно характеризуется превращением пластичной массы затворенного водой вяжущего вещества в твердое тело.

Процесс твердения строительного гипса по теории А. А. Байкова заключается в следующем: при затворе-нии строительного гипса водой он растворяется в ней до тех пор, пока не получится насыщенный раствор. Как в растворе, так и в нерастворенном виде под действием окружающей его воды полуводный гипс гидратируется с образованием двуводного гипса.

Та часть гипса, которая прогидратировалась в растворе, выпадает из него в виде кристаллов, так как раствор, насыщенный по отношению к полуводному гипсу, оказывается пересыщенным по отношению к двуводному (растворимость полуводного гипса составляет 7 г на 1 л воды, считая на CaSO₄, а двуводного - 2 г на 1 л воды). При этом вследствие обеднения раствора сернокислым кальцием в нем могут растворяться новые порции полуводного гипса, которые в свою очередь также гидратируются и выделяются из раствора.

Однако, как указывает А. А. Байков, большая часть полугидрата подвергается гидратации не в растворе, а при непосредственном взаимодействии с водой, причем образующийся при этом двуводный гипс не может переходить в раствор, поскольку последний является по отношению к нему пересыщенным. Поэтому двуводный гипс образуется в виде коллоидальной гелеобразной массы, придающей затворенному водой строительному гипсу необходимую пластичность. Коллоидальная масса двуводного гипса переходит с течением времени в кристаллическую форму, что сопровождается потерей пластичности.

Таким образом, процесс твердения строительного гипса по А. А. Байкову можно разделить на три периода:

1. период растворения и образования насыщенного раствора;

2. период образования коллоидальной массы в виде студня;

3. период кристаллизации с превращением студня в кристаллический сросток.

Эти периоды не протекают последовательно один за другим, а налагаются друг на друга, так что при не закончившемся по всей массе материала процессе коллоидообразования в определенных частях твердеющей массы могут уже идти процессы кристаллизации.

Как указывалось выше, для превращения полуводного гипса в двуводный теоретически необходимо значительно меньше воды, чем то, которое приходится брать на практике (исходя из необходимости получения теста нормальной густоты, обусловливающей требуемую удобообрабатываемость массы). После окончания процесса гидратации (на что требуется примерно 20-25 мин) избыточная вода отделяет частицы двуводного гипса одну от другой и замедляет нарастание прочности, которое протекает в дальнейшем уже в результате высыхания твердеющего гипса. При испарении воды растворенный в ней гипс образует кристаллы двуводного гипса, которые сращиваются. Для ускорения этого процесса твердеющий гипс сушат при температуре не выше 60-70ºС (во избежание обратного процесса - дегидратации двуводного гипса), причем сушка оказывается в данном случае полезной из-за большой скорости гидратации строительного гипса, после окончания которой вода больше не нужна. Для гидравлических вяжущих веществ, например для портландцемента, сушка изготовленных из них изделий недопустима, так как гидратация их протекает весьма медленно, и преждевременное удаление воды приостановит нарастание их прочности.

Строительный гипс отличается быстрым твердением, что является весьма положительным его свойством, используемым при заводском изготовлении гипсовых изделий.

Твердение строительной извести

Строительная известь, как и другие вяжущие вещества, твердеет только при затворении водой в строительных растворах и бетонах. Например, известковое тесто в своей массе может долго оставаться неизменным. На его поверхности образуется сухая корка, препятствующая удалению даже механической воды, а внутри тесто остается жидким.

Твердение извести негашеной молотой. Принципиальное отличие процесса твердения извести негашеной молотой заключается в том, что твердение ее совмещается с гашением, происходящим тоже при особых условиях.

При твердении извести негашеной молотой происходит сначала се гашение, что приводит к разогреванию раствора за счет выделяющегося тепла. Это способствует кристаллообразованию гидрата окиси кальция, удалению из раствора избыточной воды. В первый период затворения извести водой происходит гашение ее зерен с поверхности, затем гидратация основной массы извести с образованием раствора, насыщенного новообразованиями (СаО-Н20). Из него выделяется гидрат окиси кальция, а в обедневшем растворе происходит гидратация свежих порции окиси кальция.

Образование частиц гидрата окиси кальция может идти также и топохимическим путем - путем непосредственного присоединения воды к твердому веществу окиси кальция.

В результате испарения воды за счет тепла, развивающегося при гашении, происходит высыхание массы, а в дальнейшем и карбонизация изделия с поверхности, в процессе которых получается изделие в несколько раз более прочное по сравнению с изделиями на известковом тесте.

Процесс твердения растворов на извести негашеной молотой идет в несколько раз быстрее по сравнению с растворами на известковом тесте или извести-пушонке. Однако существенным условием для получения указанных результатов в процессе твердения извести негашеной молотой является необходимость строгого соблюдения количества воды для приготовления раствора

Отвердивание цемента.

Процесс, когда цементное тесто теряет свою подвижность и постепенно переходит из тестообразного состояния в более твердое, с последующим образованием цементного камня, специалисты называют процессом твердения цементов.

Процесс твердения цементов состоит из последовательных частей. Сначала происходит переход растворимых продуктов, содержащихся в цементе, в раствор. Этот период процесса твердения цементов называют растворением. Далее нерастворимые в воде продукты, содержащиеся в цементе, образуют определенную коллоидную систему или гель. Цементное тесто наконец теряет свою подвижность. Этот период процесса твердения цементов называют схватыванием. И, наконец, заключительная стадия процесса твердения цементов, во время которой гели превращаются в нерастворимые и кристаллизуются, образуя очень тесные переплетения, дающие цементу требуемые свойства прочности. Этот период в процессе твердения цементов называют кристаллизацией.

Встречается и другая градация процесса твердения цемента, согласно которой существует всего два основных периода твердения цемента – схватывание и окончательное твердение. Разделение здесь построено на том факте, что после схватывания, путем добавления воды мы можем еще получить снова цементное тесто. Правда, менее пластичное, чем раньше. А вот после окончательного твердения это уже невозможно. Любое вмешательство в структуру цементного теста на этой стадии приведет только к его разрушению.

Процесс твердения цементов можно ускорить. Сделать это можно разными способами. Например, произведя тепловлажную обработку цемента или добавив в цемент определенные добавки. Можно это сделать и с помощью электропрогрева цементного порошка.

Замедлить процесс твердения цементов также возможно. Сделать это можно, добавив в цементный порошок нитрат калия, натрия или аммония, который значительно увеличивает растворимость свободной извести, содержащейся в цементе, в воде. Также можно добавить при затворении цемента в сам раствор небольшое количество раствора хлористого кальция или обычную поваренную соль.

Знание процесса твердения цемента имеет очень большое практическое значение. Строителям нужно так затворить цемент и в таких количествах, чтобы его можно было успеть использовать полностью еще до того, как цемент окончательно схватится. А схваченный цемент, использованный по назначению, во избежание слома всей конструкции нельзя ни в коем случае беспокоить.

Влияет на процесс твердения цемента и температурный режим. Увеличение температуры окружающей среды повышает скорость твердения цемента. Снижение температуры – наоборот. А при температуре ниже 10 градусов по Цельсию процесс твердения вообще приостанавливается. И возобновляется только при подъеме температуры окружающей среды выше этой отметки. То есть, опять мы имеем те знания, которые помогают нам на практике. Ведь получается, что, если мы используем цементный порошок на основе портландцементов (а вся информация в этой статье дана именно по этим цементам), то мы можем спокойно вести строительство и при небольшом морозе. Просто в раствор в таком случае нужно будет добавить немного меньше воды, чем обычно.

33. Коррозия цементного камня. Виды коррозии и способы защиты от них.

Бетонные сооружения могут разрушаться под действием природных вод. Разрушение начинается с цементного камня, структурные составляющие которого или растворяются, или вступают в химическое взаимодействие с солями и кислотами, содержащимися в минирализованной воде. Образующиеся новые химические соединения растворяются в воде или кристаллизуются в цементном камне со значительным увеличением объема, приводящим к возникновению внутренних напряжений и разрушению бетона (коррозии).

Коррозию цементного камня, встречающуюся в практике, можно разделить на три вида. Коррозия первого вида начинается обычно с растворения свободного гидроксида кальция, выделяемого цементом при гидратации; коррозия второго вида обусловлена образованием легкорастворимых солей при действии кислот, кислых газов и других агрессивных веществ на гидроксид цементного камня (кислотная, магнезиальная коррозия); коррозия третьего вида связана с образованием в порах цементного камня соединений, занимающих больший объем, чем исходные продукты реакции, что вызывает появление внутренних напряжений и растрескивание (сульфоалюминатная и щелочная коррозия).

В практике редко встречается коррозия одного вида. Кроме того, трудно разграничивать коррозию, например, первого и второго вида. Однако почти всегда можно выделить преобладающий вид коррозии и с учетом сопутствующих ему вторичных коррозионных воздействий запланировать меры по защите конструкций от коррозии.

Стойкость цементного камня при воздействии природных вод может быть обеспечена комплексом мер, главными из которых являются:

— повышение плотности;

— выбор специальных вяжущих веществ;

— введение добавок, изменяющих структуру цементного камня, уменьшающих водопотребность;

— обработка поверхностного слоя флюатированием, высо­комолекулярными соединениями;

— защита поверхности от агрессивной среды путем окрас­ки, оклейки, оштукатуривания гидроизоляционными материа­лами.

34. Структура и свойства бетона

Структура бетона. Бетон можно представить как цементный камень с втопленными в него заполнителями, имеющий поры и пустоты различных размеров и разнообразного происхождения.

Плотные тяжелые и легкие бетоны, как правило, характеризуются поровой макроструктурой (рис. 8.8) и включают каркас заполнителей, активно влияющих на их свойства. Такая структура является рациональной, поскольку обеспечивает низкую пористость бетонов при умеренном расходе цемента. Легкие бетоны по строению отличаются от тяжелых наличием дополнительных пор в зернах заполнителей.

Микроструктура бетона отражает строение цементного камня. Цементный камень представляет собой конгломерат продуктов гидратации цемента, включений негидратированных зерен клинкера, добавок и пузырьков воздуха.

Поры в цементном камне представлены в виде сообщающихся друг с другом каналов капилляров, разобщенных продуктами гидратации цемента (цементным гелем). По происхождению поры разделяют на поры геля и капиллярные поры.

Капиллярные поры, образованные избыточной механически связанной водой, имеют размеры обычно более 0,1 мкм. Они ухудшают основные свойства бетона, особенно морозостойкость. Капиллярная пористость уменьшается по мере снижения водоце-ментного отношения, расхода воды и увеличения длительности гидратации. Наряду с капиллярными отрицательное влияние на свойства бетона оказывают поры и пустоты, являющиеся результатом плохого уплотнения. Общий объем пор в цементном камне составляет 25—40% общего объема, при этом основная доля приходится на капиллярные поры. С увеличением длительности твердения уменьшается общая пористость и объем макрокапилляров, что приводит к улучшению свойств бетона.

Наряду с процессами совершенствования структуры в бетоне со временем развиваются и деструктивные, т. е. разрушительные, процессы в основном за счет агрессивных факторов окружающей среды. Активным средством управления структурой являются поверхностно-активные и другие добавки.

Свойства бетона. Прочность.

Самым важным свойством бетона является его прочность, т. е. способность сопротивляться внешним силам не разрушаясь. Как и природный камень, бетон лучше всего сопротивляется сжатию, поэтому за критерий прочности бетона строители приняли предел прочности бетона при сжатии. Чтобы определить прочность бетона, из него изготовляют Эталонный кубик с ребром 200 мм, если разрушился при нагрузке 80 тонн, то предел прочности при сжатии будет равен 20 МПа.

В зависимости от прочности на сжатие бетон делится на марки. Марку бетона строители определяют по пределу прочности эталонного кубика с ребром 200 мм. Так, в России в строительстве применяют следующие марки бетона: «600», «500» , «400», «300», «250», «150», «100» и ниже. Выбор марки зависит от тех условий, в которых будет работать бетон.

Прочность бетона зависит от прочности каменного заполнителя (щебня, гравия) и от качества растворенного в воде цемента: бетон будет тем прочнее, чем прочнее каменные заполнители и чем лучше они будут скреплены цементным клеем. Прочность природных камней не изменяется со временем, а вот прочность бетона со временем растет.

Плотность.

Другим важным свойством бетона является плотность – отношение массы материала к его объему. Плотность бетона всегда меньше 100%.

Плотность сильно влияет на качество бетона, в том числе и на его прочность: чем выше плотность бетона, тем он прочнее. Поры в бетоне, как правило, появляются при его изготовлении: в результате испарения излишней воды, не вступившей в химическую реакцию с цементом при его твердении, при недостатке цемента.

С плотностью связано и обратное свойство бетона – пористость – отношение объема пор к общему объему материала. Пористость как бы дополняет плотность бетона до 100%. Как бы ни был плотен бетон, в нем всегда есть поры!

Водостойкость.

Водостойкость – свойство бетона противостоять действию воды не разрушаясь. Чтобы определить водостойкость бетона, изготовляют два образца: один в сухом виде раздавливают на прессе и определяют его нормальную прочность. Другой образец предварительно погружают в воду, а после насыщения водой также разрушают на прессе. Из-за ослабления связей между частицами прочность образца уменьшается. Отношение прочности насыщенного водой образца к прочности образца в сухом виде коэффициентом размягчения материала. Для бетона он больше 0,8. Поэтому бетон является водостойким и может применяться для сооружения конструкций, подвергающихся действию воды – плотин, пирсов, молов.

Теплопроводность.

Теплопроводность характеризует способность бетона передавать через свою толщину тепловой поток, возникающий из-за разности температур на поверхностях бетона. Теплопроводность бетона почти в 50 раз меньше, чем у стали, но зато выше, чем у строительного кирпича.

Сравнительно невысокая теплопроводность обеспечивает бетону высокую огнестойкость – способность материала выдерживать действие высоких температур. Бетон может выдержать в течение длительного времени температуру выше 1000^oС. При этом он не разрушается и не растрескивается.

Морозостойкость.

Все знают, что если в поры камней проникает вода, то, замерзая, она расширяется и тем самым разрушает даже самые крепкие горные породы. Бетон же при насыщении водой может выдерживать многократное замораживание и оттаивание. При этом он не разрушается и почти не снижает своей прочности. Это свойство называется морозостойкостью.