Курс лекций: Строительные материалы

Тщательно подготовленную сырьевую смесь подают на обжиг во вращающуюся печь, которая представляет собой стальную трубу диаметром до 7 м и длиной до 185 м. Изнутри труба выложена огнеупорным кирпичом. Печь установлена под небольшим (3...4^о) углом к горизонту и вращается (0,8... 1,3 мин^-1), благодаря чему сырьевая смесь перемещается в ней от верхнего конца к нижнему, куда подается топливо. Максимальная температура обжига 1450°С. При таких высоких температурах оксид кальция СаО, образовавшийся в результате разложения известняка, взаимодействует с кислотными оксидами SiO₂, А1₂О₃ и Fe₂O₃, образующимися при разложении глины.

Таблица 4.3 Минеральный состав портлацщементного клинкера

В скобках сокращенное обозначение клинкерных минералов.

Продукты взаимодействия, частично плавясь и спекаясь друг с другом, образуют так называемый портландцементный клинкер -- плотные твердые куски серого цвета. В состав портландцементного клинкера входят четыре основных минерала (табл. 8.1) и небольшое количество стеклообразного вещества.

Как видно из таблицы, портландцементный клинкер в основном (на 60...80%) состоит из силикатов кальция, из-за чего портландцемент также называют силикатным цементом.

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

При взаимодействии с влагой воздуха активность портландцемента падает, поэтому его предохраняют от действия влаги. Портландцемент хранят в силосах (высоких цилиндрических емкостях из бетона или металла). На строительство его доставляют в специальных вагонах, автомобилях-цементовозах или упакованным в многослойные бумажные или полиэтиленовые мешки.

Твердение. При смешивании с водой частицы портландцемента начинают растворяться, причем одновременно может происходить гидролиз (разложение водой) и гидратация (присоединение воды) продуктов растворения с образованием гидратных соединений.

По этой схеме (гидролиз и гидратация) взаимодействуют с водой главные компоненты клинкера алит C₃S и белит C₂S:

2(3СаО * SiO₂) + 6Н₂О > 3СаО * SiO₂ * 3Н₂О + 3Са(ОН)₂

2(2СаО* SiO₂) + 4Н₂О> 3СаО * SiO₂ * ЗН₂О + Са(ОН)₂

Необходимо подчеркнуть особенности этих реакций:

*C₃S взаимодействует с водой намного активнее, чем C₂S;

*при взаимодействии силикатов кальция с водой выделяетсярастворимый в воде компонент Са(ОН)₂ -- воздушная известь, создающая щелочную реакцию в твердеющем цементе;

*C₃S выделяет Са(ОН)₂ в 3 раза больше, чем C₂S; общее количество Са(ОН)₂ достигает 15 % от массы цементного камня.

Алюминат кальция С₃А подвергается только гидратации, причем этот процесс идет очень быстро с образованием крупных кристаллов

ЗСаО * А1₂О₃ + 6Н₂О > ЗСаО * А1₂О₃ * 6Н₂О

Добавка гипса, вводимая при помоле клинкера, изменяет характер начального периода твердения С₃А и замедляет схватывание цемента на несколько часов из-за образования эттрингита ЗСаО * А1₂О₃ * 3CaSO₄ * (31 - 33)Н₂О.

Четырехкальциевый алюмоферрит C₄AF взаимодействует с водой медленнее, чем С₃А, образуя гидроалюминат и гидроферрит кальция.

Основной продукт твердения портландцемента -- гидросиликаты кальция -- практически нерастворимы в воде. Они выпадают из раствора сначала в виде геля (жесткого студня). Этот гель пронизывают, укрепляя его, кристаллы Са(ОН)₂. Гель гидросиликатов кальция со временем кристаллизуется. Остальные продукты взаимодействия клинкера с водой также участвуют в формировании структуры цементного камня и, естественно, влияют на его свойства.

Процесс гидратации зерен портландцемента из-за малой их растворимости растягивается на длительное время (месяцы и годы). Чтобы этот процесс мог протекать, необходимо постоянное присутствие воды в твердеющем материале. Однако нарастание прочности со временем замедляется. Поэтому качество цемента принято оценивать по прочности, набираемой им в первые 28 суток твердения.

Технические характеристики портландцемента. К основным характеристикам портландцемента относятся истинная и насыпная плотность, тонкость помола, сроки схватывания, равномерность изменения объема при твердении и прочность затвердевшего цементного камня.

Плотность портландцемента в зависимости от вида и количества добавок составляет 2900...3200 кг/м³, насыпная плотность в рыхлом состоянии 1000... 1100 кг/м³, в уплотненном -- до 1700 кг/м³.

Тонкость помола характеризуется количеством цемента, проходящим через сито с сеткой № 008 (размер отверстий 0,08 мм) и его удельной поверхностью. Согласно ГОСТу через сито с сеткой № 008 должно проходить не менее 95 % цемента, при этом удельная поверхность у обычного портландцемента должна быть в пределах 2900...3000 см²/г и у быстротвердеющего портландцемента 3500...5000 см²/г.

Сроки схватывания портландцемента, рассчитываемые от момента затворения, должны быть: начало -- не ранее 45 мин; конец -- не позднее 10 ч. Эти показатели определяют при температуре 20°С. Если цемент затворяют горячей водой (более 40°С), может произойти очень быстрое схватывание.

Прочность портландцемента характеризуется его маркой. Марку портландцемента определяют по пределу прочности при сжатии и изгибе образцов-балочек 40х40х160 мм, изготовленных из цементно-песчаного раствора (состава 1 : 3) стандартной консистенции и твердевших 28 суток (первые сутки в формах на влажном воздухе и 27 сут. в воде при 20°С).

Таблица 4.4

Тепловыделение при твердении. Твердение портландцемента сопровождается выделением большого количества теплоты. Так как эта теплота выделяется в течение длительного времени (дни, недели), заметного разогрева цементного бетона или раствора не происходит. Однако если объем бетона велик (например, при бетонировании плотин, массивных фундаментов), то потери теплоты в окружающее пространство будут незначительны по сравнению с общим количеством выделяющейся теплоты и возможен разогрев бетона до температуры 70...80° С, что приведет к его растрескиванию.

Равномерность изменения объема. При твердении цементное тесто уменьшается в объеме. Усадка на воздухе составляет около 0,5... 1 мм/м. При твердении в воде цемент немного набухает (до 0,5 мм/м). Однако изменение объема при твердении должно быть равномерным. Это свойство проверяют на лепешках из цементного теста, которые не должны растрескиваться после пропаривания в течение 3 ч (до пропаривания лепешки 24 ч твердеют на воздухе). Неравномерность изменения объема возникает из-за присутствия в цементе свободных СаО и MgO, находящихся в виде пережога.

По вещественному составу, приведенному в таблице 1, цементы подразделяют на пять типов:

- ЦЕМ I - портландцемент;

- ЦЕМ II - портландцемент с минеральными добавками;

- ЦЕМ III - шлакопортландцемент;

- ЦЕМ IV - пуццолановый цемент;

- ЦЕМ V - композиционный цемент.

Примечание - Цемент типа ЦЕМ I не содержит минеральных добавок в качестве основного компонента.

Условное обозначение цементов должно состоять из:

- наименования цемента;

- сокращенного обозначения цемента, включающего обозначение типа и подтипа цемента и вида добавки;

- класса прочности;

- обозначения подкласса;

- обозначения настоящего стандарта.

Примеры условных обозначений:

1 Портландцемент класса 42,5 быстротвердеющий:

Портландцемент ЦЕМ I 42,5Б ГОСТ 31108-2003.

2 Портландцемент со шлаком (Ш) от 21 % до 35 %, класса прочности 32,5, нормальнотвердеющий:

Портландцемент со шлаком ЦЕМ II/В-Ш 32,5Н ГОСТ 31108-2003.

3 Портландцемент с известняком (И) от 6 % до 20 %, класса прочности 32,5, нормальнотвердеющий:

Портландцемент с известняком ЦЕМ II/А-И 32,5Н ГОСТ 31108-2003.

4 Композиционный портландцемент с суммарным содержанием доменного гранулированного шлака (Ш), золы-уноса (З) и известняка (И) от 6 % до 20 %, класса прочности 32,5, быстротвердеющий:

Композиционный портландцемент ЦЕМ II/А-К(Ш-З-И) 32,5Б ГОСТ 31108-2003.

5 Шлакопортландцемент с содержанием доменного гранулированного шлака от 36 % до 65 %, класса прочности 32,5, нормально-твердеющий:

Шлакопортландцемент ЦЕМ III/A 32,5H ГОСТ 31108-2003.

6 Пуццолановый цемент с суммарным содержанием пуццоланы (П), золы-уноса (З) и микрокремнезема (МК) от 21 % до 35 %, класса прочности 32,5, нормальнотвердеющий:

Пуццолановый цемент ЦЕМ IV/A (П-З-МК) 32,5Н ГОСТ 31108-2003.

7 Композиционный цемент с содержанием доменного гранулированного шлака (Ш) от 11 % до 30 % и золы-уноса (З) от 11 % до 30 %, класса прочности 32,5, нормальнотвердеющий:

Композиционный цемент ЦЕМ V/A(Ш-З) 32,5П ГОСТ 31108-2003.

Разновидности портландцемента

Для удовлетворения требований современного строительства к цементам промышленность на основе портландцементного клинкера выпускает различные виды портландцемента.

Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) отличается быстрым ростом прочности в первые дни твердения. Выпускают БТЦ двух марок: 400 и 500, которые в трехсуточном возрасте должны иметь предел прочности при сжатии соответственно не ниже 25 и 28 МПа.

В составе БТЦ преобладают активные минералы: трехкальциевый силикат C₃S -- 50...55 % и трехкальциевый алюминат С₃А-- 5... 10 %. Тонкость помола у БТЦ выше, чем у обычного портландцемента (удельная поверхность до 5000 см²/г), поэтому при хранении он, впитывая пары воды из воздуха, комкуется и быстро теряет активность. БТЦ применяют для бетонов сборных конструкций с повышенной отпускной прочностью и монолитных конструкций. Коррозионная стойкость у БТЦ пониженная.

Пластифицированный портландцемент получают, добавляя к клинкеру при помоле гидрофильные поверхностно-активные вещества (например, сульфитно-спиртовую барду ССБ) в количестве 0,15...0,25 %. Такой цемент повышает пластичность бетонных и растворных смесей по сравнению с обычным портландцементом при одинаковом расходе воды. Это позволяет уменьшить расход портландцемента, повысить прочность и морозостойкость бетонов и растворов.

Гидрофобный портландцемент получают, добавляя к клинкеру при помоле гидрофобные поверхностно-активные вещества ПАВ (0,05...0,5 % от массы цемента), образующие на зернах цемента водоотталкивающие пленки. В качестве таких добавок используют главным образом отходы переработки нефти (мылонафт, асидол).

Гидрофобный портландцемент благодаря наличию защитных пленок при хранении и транспортировании даже во влажных условиях не намокает, не комкуется и почти не теряет своей активности.

При перемешивании гидрофобного цемента с водой и заполнителями ПАВ сдирается с цементных зерен и переходит в состав бетона или раствора. Поэтому бетонные и растворные смеси на гидрофобном цементе отличаются повышенной пластичностью, а после затвердевания -- повышенной морозостойкостью и водонепроницаемостью.

Применяется гидрофобный цемент в тех случаях, когда трудно обеспечить необходимые условия хранения обычного цемента.

Сульфатостойкий портландцемент изготовляют из клинкера с пониженным содержанием трехкальциевого силиката C₃S (не более 50 %) и трехкальциевого алюмината С₃А (не более 5%). При таком составе цемента уменьшается возможность образования в цементном камне гидросульфоалюмината кальция («цементной бациллы») и тем самым повышается стойкость бетона к сульфатной коррозии. Кроме того, сульфатостойкий цемент характеризуется пониженным тепловыделением при твердении. Сульфатостойкий цемент выпускают марок 300, 400, 500.