Портландцементом називають гідравлічну терпку речовину, в складі якого переважають високоосновні силікати Са (70-80%). Його отримують спільним помелом клінкеру з добавкою природного гіпсу (3-5%). Клінкер є зернистий камнеподобний матеріал, який одержують шляхом випалу до спікання (при 1450 0 С) ретельно підібраною сировинної суміші. Добавка гіпсу вводиться для регулювання термінів схоплювання портландцементу.
Відкриття портландцементу (1824-1825 рр.) Пов'язують з іменами Е.Г.Челіева і Д.Аспдіна (Великобританія).
Сировиною для виробництва портландцементу служать:
- глинисті породи складу Al2 O3 .nSiO2 .mH2 O (глини, глинисті сланці);
- коригувальні добавки (піритні недогарки, трепел, опока, боксити і ін.).
Співвідношення між карбонатними і глинистими складовими сировинної суміші 3: 1 (75% вапняку і 25% глини).
Можлива заміна глинистого і частково карбонатного компонента побічними продуктами промисловості - доменними або електротермофосфорні гранульовані шлаками, а також нефеліновим шламом, що виходять при виробництві глинозему.
У процесі випалу, що доводяться до спікання суміші, головні оксиди утворюють силікати, алюмінати і алюмоферріт кальцію у вигляді мінералів кристалічної структури, а деяка їх частина входить в склоподібний фазу.
Мінеральний склад клінкеру:
- Аліто 3СаО ∙ SiO2 (С3 S) - 45-60% - найважливіший мінерал, визначає швидкість твердіння, міцність і інші властивості;
- білить 2СаО ∙ SiO2 (С2 S) - 20-30% - повільно твердне, але досягає високої міцності при тривалих термінах тверднення;
- трехкальциевого алюмінат 3СаО ∙ Al2 O3 (С3 А) - 4-12% - швидко гідратіруется і твердне, але кінцева міцність його невелика; є причиною сульфатної корозії цементного каменю;
- чотирьохкальцієвого алюмоферріт 4СаО ∙ Al2 O3 ∙ Fe2 O3 (С4 АF) - 10-20% за швидкістю твердіння займає проміжне положення між С3 S (Аліто) і С2 S (білить).
- клінкерна скло 5-15% - затверділа у вигляді скла частина розплаву, містить СаО, Al2 O3. Fe2 O3. MgO, К2 О, Na2 O.
Виробництво портландцементу - складний технологічний і енергоємний процес, що складається з ряду операцій, які можна розділити на дві основні стадії. Перша - виробництво клінкеру, друга - подрібнення клінкеру спільно з гіпсом, а в ряді випадків і з активними мінеральними добавками.
Виробництво клінкеру складається з наступних технологічних операцій:
- видобуток і доставка сировинних матеріалів, їх підготовка;
- приготування сировинної суміші заданого складу шляхом помелу і змішування сировинних компонентів в певному кількісному співвідношенні;
- випал до спікання;
- інтенсивне охолодження клінкеру;
Виробництво портландцементу включає:
- підготовку мінеральних добавок (дроблення, сушіння);
- дроблення гіпсового каменю;
- помел клінкеру з активними мінеральними добавками і гіпсом;
- складування, пакування і відправлення цементу споживачу.
Виробництво клінкеру може здійснюватися сухим, мокрим і комбінованим способом.
Сухий спосіб полягає в приготуванні сировинної муки у вигляді тонкоизмельченного сухого порошку (з сухих або попередньо висушених матеріалів) із залишковою вологістю 1-2%.
При мокрому способі сировинні матеріали подрібнюються і змішуються в присутності води, тому суміш виходить у вигляді водної суспензії - шламу з вологістю 35-45%. Це найбільш енергоємний спосіб.
Комбінований спосіб полягає в тому, що приготований шлам до надходження в піч зневоднюється на фільтрах до вологості 16-18%. Однак енергоємність виробництва в цілому залишається високою.
Випал сировинної суміші здійснюється в основному в обертових печах, що працюють за принципом протитечії. Піч має невеликий нахил і обертається зі швидкістю 1-2 об / хв. При мокрому способі виробництва довжина печі досягає 185 м. Сировина подається в піч з боку її верхнього (холодного) кінця і при обертанні печі повільно рухається до нижнього (гарячого) кінця, з боку якого вдувається паливо (природний газ, мазут, повітряно-вугільна суміш ), що згоряє у вигляді 20-30-метрового факела. Рухаючись назустріч гарячим газам, що утворюється при згоранні палива, сировина проходить різні температурні зони. У кожній зоні проходять різні фізико-хімічні перетворення, в результаті яких і виходить цементний клінкер. Отриманий в печі розпечений клінкер надходить в холодильник, де різко охолоджується холодним повітрям. Клінкер витримують на складі 1-2 тижні.
Твердіння портландцементу відбувається завдяки складним фізико-хімічним процесам взаємодії клінкерних мінералів і гіпсу з водою.
гідросилікат Са гідроксид Са
У присутності 3-5% гіпсу утворюється практично нерозчинний з'єднання - гидросульфоалюмінат кальцію (еттрінгіт), який запобігає швидку гідратацію С3 А за рахунок утворення захисного шару на його поверхні і уповільнює схоплювання.
Крім того, роль добавки гіпсу полягає в поліпшення властивостей цементного каменю (міцності, морозостійкості) за рахунок ущільнення структури, пов'язаного зі збільшенням обсягу еттрінгіта в ще не затверділої системі.
гидросульфоалюмінат кальцію (еттрінгіт)
гідроалюмінати Са гідроферріт Са
Структура цементного каменю може бути представлена як мікроскопічна неоднорідна дисперсна система - "мікробетоном" (по В.Н. Юнгом).
Цементний камінь включає:
- продукти гідратації цементу
гель гідросилікатів (до 75% обсягу) та інші новоутворення;
кристали Са (ОН) 2 і еттрінгіта;
- прореагували зерна клінкеру - клінкерна фонд;
пори гелю (менше 0,1 мкм),
капілярні пори (від 0,1 до 10 мкм) між агрегатами частинок гелю,
повітряні пори (від 50 мкм до 2 мм).
Тонкість помелу цементу визначає швидкість затвердіння і міцність цементного каменю. Вона повинна бути такою, щоб через сито № 008 проходило не менше 85% маси проби (Питома поверхня 1 г цементу 2500-3000 см2 / г.
Sуд = 2500-3000 см 2 / г.).
Справжня щільність = 3,05-3,15 г / см 3.
Насипна щільність в середньому становить 1300 кг / м 3.
Водопотребность (НГц.т. = 21-28%) портландцементу характеризується кількістю води (% від маси цементу), необхідним для отримання цементного тіста нормальної густоти і становить 21 ... 28% .4.
Терміни схоплювання цементів визначають за допомогою приладу Віка (табл.1). Для інформації в таблиці наведені терміни схоплювання і основного алюмінатного цементу - глиноземистого.
Терміни схоплювання цементів
Рівномірність зміни обсягу. До нерівномірного зміни обсягу наводять місцеві деформації, викликані розширенням СаО своб і MgО своб при їх гідратації.
Марка портландцементу визначається випробуванням стандартних зразків розміром 4х4х16 см, виготовлених з цементно-піщаного розчину 1: 3 (по масі) через 28 діб тверднення (перша доба - в формах у вологому повітрі, потім без форм у воді). Марки портландцементу представлені в табл.2.
Тепловиділення залежить від мінерального складу клінкеру і тонкості помелу. Дані тепловиділення клінкерних мінералів наведені в табл.3.
Вимоги до міцності зразків
МПа (кгс / см 2), не менше
Тепловиділення клінкерних мінералів
Виділення теплоти, Дж / г,
мінералами при терміні твердіння
Співвідношення марок і класів портландцементу
(ГОСТ 10178-85, ГОСТ22236-85)
Клас і марка виражаються в різних одиницях виміру - в МПа і кгс / см 2 відповідно. Відмінності в численних значних класу і марки при вираженні їх в однакових одиницях виміру обумовлені тільки різними умовами випробування цементу.
Застосування. Портландцемент - основний матеріал сучасної будівельної індустрії, застосовується для будівельних розчинів, бетонних та залізобетонних виробів і конструкцій, для спеціальних видів цементу, а також при виготовленні ряду інших будівельних матеріалів.
Спеціальні види портландцементу отримують:
- регулюванням хіміко-мінерального складу і структури цементного клінкеру;
- зміною матеріального (компонентного) складу цементу (введенням добавок);
- регулюванням тонкощі помелу і зернового складу цементу.
Ряд спеціальних видів портландцементу представлений в табл.6.6.
Портландцемент є найголовнішим силікатним цементом, а глиноземистий цемент - найголовніший алюмінатний цемент. Свою назву він отримав від технічну назву оксиду алюмінію Al2 O3 - «глинозем». Це швидкотвердіюче гідравлічна в'язка, що складається переважно з моноалюміната кальцію CaO · Al2 O3.
Виробництво глиноземистого цементу почалося у Франції в 1912 році під назвою «цемент Фондю», і в Європі він до сих пір носить цю назву.
Сировиною для отримання клінкеру глиноземистого цементу служать чисті вапняки і боксити - гірська порода, що складається в основному з Al2 O3 · nH2 O. Виробництво глиноземистого цементу більш енергоємне, ніж портландцементу, а враховуючи ще й дефіцитність сировини (боксити), вартість його набагато вище, ніж портландцементу.
ВУкаіни розроблений спосіб виробництва глиноземистого цементу шляхом плавки в доменній печі бокситовий залізної руди з добавкою вапняку і залізного брухту. При цьому доменна піч видає чавун і шлак, що представляє собою клінкер глиноземистого цементу.
Однокальціевий алюмінат CaO · Al2 O3 визначає швидке твердіння і інші основні властивості глиноземистого цементу. В порівняно невеликих кількостях в клінкері також містяться інші алюмінати кальцію, алюмосиликат кальцію-Гелен і білить.
Властивості: дуже швидке твердіння; марки його у віці 3 діб - 400, 500, 600. Портландцемент набуває таку міцність тільки через 28 діб нормального твердіння. Однак глиноземний цемент має високу міцність тільки в тому випадку, якщо він твердне при помірних температурах не більше 25 0 С. Тому його не можна застосовувати при бетонуванні масивних конструкцій через розігрівання бетону, а також піддавати тепловій обробці.
При такому швидкому твердении глиноземний цемент має нормальні терміни схоплювання (початок схоплювання не раніше 30 хв. Кінець - не пізніше 12 годин від моменту замішування). У порівнянні з портландцементом він більш стійкий до корозії вилуговування (через відсутність в продуктах гідратації Ca (OH) 2) і до сульфатної корозії. Однак затверділий глиноземний цемент руйнується в розчинах кислот і лугів. Усадка глиноземистого цементу при твердінні на повітрі нижче, ніж у портландцементу, в 3-5 разів, пористість також нижче.
З урахуванням специфічних властивостей і високу вартість глиноземистого цементу його доцільно використовувати при аварійних і термінових роботах, при зимовому бетонуванні, для отримання розширюються цементов, а також для отримання жаростійких бетонів і розчинів.
Розширюються цементи відносяться до змішаних, іноді багатокомпонентних цементів. Відомо багато видів розширюються, водонепроникних і напружують цементів. Основа розширення найчастіше - освіту гідросульфоалюміната кальцію 3CaO · Al2 O3 · 3CaSO4 · 3H2 O, з'єднання зв'язує хімічно велику кількість води і за рахунок цього збільшує обсяг всієї твердіє маси. Розширюються цементи складаються з глиноземистого цементу або портландцементу і компонентів, що забезпечують освіту гідросульфоалюміната кальцію в кількості, достатній для отримання необхідного ефекту розширення.
Різновиди: водонепроникний цемент, що розширюється (ВРЦ) - бистросхвативающегося і швидкотвердіюче в'яжучий, що отримується ретельно змішуванням глиноземистого цементу (70%), гіпсу (20%) і меленого спеціально виготовленого високоосновного гідроалюмінати кальцію.
Гіпсогліноземістий розширюється цемент отримують спільним подрібненням високоглиноземисті клінкеру (70%) і природного гіпсу (30%). Цей цемент має властивість розширення при твердінні воді; при твердінні на повітрі він є безусадкова.
Розширюється портландцемент (РПЦ) отримують спільним помелом портландцементного клінкеру (60-65%), високоглиноземисті доменного шлаку або глиноземистого клінкеру, гіпсу і активної мінеральної добавки.
Напружує цемент складається з портландцементу (65-75%), глиноземистого цементу (13-20%) і гіпсу. При замішуванні водою він спочатку твердне і набирає міцність, потім розширюється як тверде тіло і напружує залізобетон. Самонапружених залізобетон застосовується в напірних трубах, в монолітних і збірних резервуарах для води, в спортивних і підземних спорудах.
Перспективна область застосування бетонів та розчинів на розширення і безусадочних цементах - безшовні тонкошарові стяжки або лицьові покриття підлог великої площі, одержуваних з сухих сумішей.
До різновидів портландцементу відносяться також безусадковий (ПЦ-400-БУС СТБ 942-93). Цемент використовують для гідроізоляційних робіт, виготовлення водонепроникних бетонів і розчинів.
Тампонажні портландцемент застосовують для цементування холодних (до 22 ° С) і гарячих (до 75 ° С) нафтових і газових свердловин.
Шлакопортландцемент - в'язка речовина, що твердне у воді і на повітрі, що отримується шляхом спільного тонкого подрібнення портландцементного клінкеру, доменного гранульованого шлаку і гіпсу або шляхом ретельного змішування тих же, але окремо подрібнених компонентів.
Шлакопортландцемент відрізняється від портландцементу, приготованого з такого ж клінкеру і має ту ж тонкість помелу, дещо меншою міцністю.
Згідно ГОСТ 970-61 в залежності від міцності на стиск випускають шлакопортландцемент чотирьох марок: 300, 400, 500 і 600.
Шлакопортландцемент характеризується зниженим або помірним виділенням тепла при твердінні, а також меншими об'ємними деформаціями в розчині і бетоні - усадкою (на повітрі) і набуханням в воді. Шлакопортландцемент призначений в основному для бетонних і залізобетонних наземних, а також підземних і підводних конструкцій, що піддаються впливу прісних, а також мінералізованих вод з урахуванням норм агресивності води - середовища.