загрузка...
загрузка...
На головну

портландцемент

  1. різновиди портландцементу

Загальна характеристика і речовий склад портландцементу.Портландцемент був винайдений в 1824 році англійцем Джозефом Аспдін і паралельно з ним російською промисловцем Єгором Челиев. Портландцемент - це гідравлічна в'язка речовина, яка складається на 70-80% з високоосновних силікатів кальцію, що отримується випаленням при температурі 1450 ° С сировинної суміші вапняку і глини з подальшим помелом продукту випалу (клінкеру) в тонкий порошок разом з гіпсом і мінеральними добавками.

Природний гіпс додають до клінкеру при помелі в кількості 4-5% від клінкеру. Добавка гіпсу грає важливу роль в якості регулятора термінів схоплювання. Без добавки гіпсу цемент буде дуже швидко схоплюватися і мати знижену міцність.

При помелі клінкеру в кількості до 20% можна додавати активні мінеральні добавки. Використовують добавки осадового походження: діатоміт, трепел (їх можна вводити до 10%); вулканічного походження - вулканічні попелу, туфи, пемза (до 15%), а також доменні гранульовані шлаки (до 20%). Залежно від вмісту мінеральних добавок портландцемент має позначення: ПЦ-Д0 (без добавок), ПЦ-Д5 (до 5% добавок), ПЦ-Д20 (до 20% добавок).

Хімічний склад портландцементного клінкеру висловлюють вмістом оксидів (по масі). Головними є: СаО - 63-66%, SiО2 - 21-24%, Al2O3 - 4-8% і Fе2О3 - 2-4%, сумарний вміст яких становить 95-97%. У невеликих кількостях у складі різних з'єднань можуть входити МgO, Na2O, K2O, TiO2, Cr2O3, P2O5, Які відіграють певну роль у властивостях портландцементу.

Мінеральний склад клінкеру включає ряд штучних мінералів, що утворилися при випалюванні і складаються з перерахованих вище оксидів. Орієнтовний зміст основних чотирьох мінералів в клінкері становить (у відсотках по масі): Аліто 3CaO · SiO2 (C3S) - 40 ... 65, білить 2CaO · SiO2 (C2S) - 15 ... 40, трехкальциевого алюмінат 3CaO · Al2O3 (C3A) - 5 ... 15, чотирьохкальцієвого алюмоферріт 4CaO · Al2O3· Fe2O3 (C4AF) - 10 ... 20.

Алит C3S - головний мінерал цементного клінкеру - має велику активність в реакції з водою. Алит швидко твердне і набирає високу міцність.

білить C2S - значно менш активний, ніж Аліто. Тепловиділення Беліта при повній гідратації приблизно в два рази менше, ніж у аліта, і до трьох діб становить близько 10% від тепловиділення при повній гідратації. Твердіння Беліта відбувається повільно, до місячного терміну продукт його твердіння володіє невисокою міцністю, але при тривалому твердінні (кілька років) його міцність неухильно зростає і досягає високих значень (при плюсовій температурі і вологому середовищі).

трехкальциевого алюмінат C3A - найактивніший клінкерна мінерал, що відрізняється швидким взаємодією з водою. При твердінні в чистому вигляді він характеризується низькими показниками міцності, але в поєднанні з іншими компонентами цементного клінкеру і відносно невеликому змісті (5-12%) цей мінерал сприяє швидкому зростанню міцності в першу добу тверднення цементу. Якщо не ввести добавку гіпсу в портландцемент, то швидке твердіння C3A викликає раннє структуроутворення в цементному тесті і сильно прискорює терміни схоплювання (кілька хвилин); виходить цемент - «Бистряков», бетонні суміші на якому через передчасного схоплювання не встигають добре перемішати і укласти в форму, а бетон не набирає необхідної міцності.

чотирьохкальцієвого алюмоферріт C4AF - характеризується помірним виділенням тепла і за швидкістю твердіння займає проміжне положення між трьохкальцієвим і Двухкальціевий силикатами. Міцність продуктів його гідратації в ранні терміни нижче, ніж у аліта, але вище, ніж у Беліта.

Крім цих основних складових в клінкері містяться також і деякі інші кристалічні освіти, зокрема CaO і MgO у вільному стані, а також клінкерна скло. Маючи дані про мінеральний склад клінкеру і знаючи властивості клінкерних мінералів, можна заздалегідь визначити основні властивості цементу і особливості його твердіння в різних умовах експлуатації.

Небажаними складовими частинами клінкеру є вільні оксиди кальцію і магнію, тому що вони гидратируются дуже повільно, в уже затверділому цементному камені, що викликає в ньому нерівномірні деформації, що ведуть до тріщин. Зміст CaO і MgO у вільному стані в клінкері допускаються не більше 1 і 5% відповідно.

У клінкері можуть бути також лужні оксиди Na2O і K2O, що перейшли в нього з сировинних матеріалів і золи твердого палива. Вони шкодять в тому випадку, якщо бетон виготовлений на заповнювачах, що містять аморфний кремнезем. Луги, реагуючи з діоксидом кремнію, утворюють у водному середовищі водорозчинні силікати калію і натрію зі збільшенням обсягу, що викликає розтріскування бетону. зміст Na2O і K2O в цементах за умови їх застосування в таких бетонах обмежується до 0,6%.

Теорія твердіння портландцементу.Перетворення цементного тесту в камневидное тіло обумовлено складними хімічними та фізико-хімічними процесами взаємодії клінкерних мінералів з водою, в результаті яких утворюються нові гідратів з'єднання, практично не розчинні у воді. Процес гідролізу і гідратації трехкальциевого силікату виражається рівнянням

В результаті утворюється практично нерозчинний у воді гідросилікат кальцію і гідроксид кальцію, який частково розчинний у воді.

Двухкальціевий силікат гідратіруется повільніше C2S, і при його взаємодії з водою виділяється менше  , Що видно з рівняння реакції

Взаємодія трехкальциевого алюмината з водою призводить до утворення гідроалюмінати кальцію:

Ця реакція протікає з великою швидкістю. Утворений шестіводний трехкальциевого алюмінат створює неміцну пухку кристаллизационную структуру і викликає швидке загустіння цементного тесту. Уповільнення термінів схоплювання ПЦ досягається введенням при помелі невеликий добавки двуводного гіпсу. В результаті хімічної взаємодії трехкальциевого гідроалюмінати з введенням гіпсом і водою утворюється труднорастворімий гидросульфоалюмінат кальцію (еттрінгіт) за схемою:

У насиченому розчині  еттрінгіт спочатку виділяється в колоїдному тонкодисперсном стані, осідаючи на поверхні цементних часток, утворюючи тонку щільну екранує оболонку, що сповільнює їх гідратацію і відсуває схоплювання цементу. При правильному дозуванні гіпсу він є не тільки регулятором термінів схоплювання ПЦ, але і покращує властивості цементного каменю. Це пов'язано з тим, що кристалізація  з пересичені розчину знижує концентрацію гідроксиду кальцію в розчині, і еттрінгіт через 6-8 ч перекрісталлізовивают у вигляді довгих голкоподібні кристалів, які створюють початкову волокнисту структуру твердіє цементного каменю.

Чотирьохкальцієвого алюмоферріт при дії води гидролитически розщеплюється з утворенням шестіводного трехкальциевого алюмінату і гідроферріта кальцію за схемою

Однокальціевий гідроферріт, взаємодіючи з гідроксидом кальцію, який раніше утворився при гідролізі C3S, переходить в більш високоосновної гідроферріт кальцію  . Гідроалюмінати зв'язується добавкою гіпсу, а гідроферріт входить до складу цементного гелю.

Як зазначено вище, механізм твердіння мінеральних в'яжучих, в тому числі і портландцементу, описують теоріями Ле-Шательє, Міхаеліса і Байкова. Кристаллизационная теорія Ле-Шательє була показана вище на прикладі твердіння гіпсових в'яжучих. колоїдна теорія Міхаеліса полягає в тому, що в'язке гідратіруется НЕ через розчин, як в теорії Ле-Шательє, а безпосереднім приєднанням води до твердої фазі в результаті топохимической реакцій. При цьому відбувається самодіспергірованіе твердої фази, а гідрати у вигляді гельовідниє частинок випадають на поверхні вихідних зерен, утворюючи гелеві плівки. У міру розвитку процесу гідрати накопичуються в межах контуру вихідних зерен, відбувається ущільнення гелю і твердіння системи.

В даний час процес тверднення цементу найбільш часто описують теорією російського вченого А.А. Байкова. Ця теорія певною мірою узагальнює теорії Ле-Шательє і Міхаеліса, і, згідно з нею, процес затвердіння можна розділити на три періоди. На першому періоді гідратація йде через розчин (по Ле-Шательє), проте цей процес протікає повільно і суттєвої ролі принаймні в ранній термін твердіння не грає. На другому періоді відбувається безпосереднє приєднання води до твердої фазі шляхом топохимической реакцій, і накопичення маси гелю гідратних новоутворень призводить до схоплювання системи. третій період відповідає освіті кристалічного «зростка» в основному за рахунок перекристалізації гелевих частинок і їх зрощення, а також приєднання до них кристалів, що утворилися на першому періоді, що в кінцевому підсумку призводить до твердненню системи. Слід підкреслити, що, згідно з А.А. Байкову, всі три періоди йдуть паралельно в часі.

З сучасної точки зору процеси твердіння портландцементу призводять до появи і розвитку в часі шару новоутворень, що складаються з «зовнішнього», що утворюється через розчин, і «внутрішнього» (в результаті топохимической реакцій) гідратів, що відрізняються за структурою і морфології. Для тих і інших гідратів характерна приуроченість до поверхні цементних зерен (зокрема зерен З3S), так як для «внутрішніх» гідратів служать підкладкою активні ділянки поверхні, а приуроченість «зовнішніх» гідратів обумовлена ??більш високою концентрацією і пересиченням рідкої фази мінералообразующего іонами саме поблизу поверхні вихідних зерен. Наслідком зазначених причин є те, що центральна зона межзернового простору може бути вільна або частково заповнена «зростками» кристалічних частинок «зовнішніх» гідратів, що створює ослаблені ділянки в формується структурі. Подолати цю неоднорідність структури цементного каменю і поліпшити його якість допомагають оптимальні кількості хімічних добавок і наповнювачів.

Структура цементного каменю. Виділяють основні елементи структури цементного каменю:

1. прореагували зерна клінкеру, кількість яких поступово зменшується.

2. Щодо крупні кристали  і еттрінгіта (ГСАК), що утворюють каркас цементного каменю, який збільшує його пружні властивості, жорсткість.

3. Дрібні гельовідниє частинки гідросилікатів кальцію - цементний клей, який грає роль матриці, надає цементному каменю зв'язаність і деформативні властивості.

Співвідношення кристалічної і гелевою складових визначає індивідуальні фізико-механічні властивості цементного каменю: міцність, деформативність і т.д. При цьому зазначене співвідношення залежить від хімічного і мінерального складу цементу.

4. Дуже дрібні гелеві пори (В яких вода замерзає лише при -50 ° С і нижче і не переміщається під дією сили тяжіння). Ці пори великого впливу на властивості цементу не роблять.

5. капілярні пори (Розміром 0,1-20 мкм), які виходять за рахунок випаровування зайвої води замішування, що не набрала хімічні реакції. Вони не бажані, тому що в них вода замерзає вже нижче -5 ° С, що небезпечно з точки зору морозостійкості. З іншого боку, вода поглинається в ці пори навіть з повітря за рахунок капілярної конденсації. Кількість цих пір необхідно зменшувати за рахунок зниження початкового кількості води замішування.

6. Великі повітряні пори (Від 50-100 мкм до 2 мм), які з'являються за рахунок залучення повітря в бетонну і розчинну суміш при перемішуванні. Вони, як правило, замкнуті і мають позитивне значення, так як, на відміну від капілярних пір, як правило, не заповнюються водою і в більшій мірі знижують теплопровідність матеріалу і, крім того, не тільки не знижують, а навіть збільшують його морозостійкість (грають роль резервних пір).

У порах цементного каменю зазвичай присутній рідка фаза, Яка представляє собою водні розчини лугів, перш за все  . Це обумовлює відсутність корозії сталевої арматури в цементному бетоні при достатній концентрації розчину Са (ОН)2 внаслідок «фізична хімія» дії лугу по відношенню до сталі.

Властивості портландцементу. справжня щільність портландцементу 3,1-3,15 г / см3; Насипна щільність 900-1100 кг / м3.

водопотребность цементу при отриманні тесту нормальної густоти зазвичай 24-28%. Зниження водопотребности досягається використанням добавок пластифікаторів (ПАР) і особливо суперпластифікаторів.

терміни схоплювання портландцементу визначаються теж на приладі Віка (з голкою). За ГОСТ початок схоплювання ПЦ має бути не раніше 45 хвилин і не пізніше 10 годин. Для прискорення або уповільнення зчеплення застосовують хімічні добавки. прискорювачами є: хлориди, сульфати і карбонати лужних металів (CaCl2, Поташ К2СО3 і т.п.), рідке скло, форміат кальцію. Необхідно враховувати, що деякі з них (особливо хлориди) викликають корозію арматури в залізобетоні. сповільнювачі: Лігносульфонати кальцію (ЛСТ), цукрова патока.

Рівномірність зміни обсягу цементу при тверденііявляется важливим якісним показником. Причиною нерівномірного зміни обсягу цементного каменю є місцеві деформації, викликані розширенням вільного СаО і периклаза MgO внаслідок їх запізнілою гідратації (гасіння). За стандартом виготовлені з тіста нормальної густоти зразки-коржі через 24 год попереднього твердіння витримують протягом 3 ч в киплячій воді. Коржі не повинні деформуватися, не допускаються також радіальні тріщини, що доходять до країв.

тепловиділення цементу обумовлено тим, що реакції гідратації клінкерних мінералів є екзотермічні. Найбільш інтенсивно ПЦ виділяє тепло в ранні терміни твердіння, причому більший вміст аліта і трехкальциевого алюмината зумовлює більше тепловиділення. Белітовие цементи мають незначне виділення тепла. Бoльшее тепловиділення дозволяє твердеть бетону при низьких температурах, в тому числі при негативних (метод «термоса»), мeньшее - потрібно для масивних конструкцій (для недопущення нерівномірних температурних деформацій).

Міцність портландцементу. Міцність ПЦ, а також шлакопортландцемента і їх різновидів характеризують марками, які визначають за межі міцності на стиск і вигин зразків-виготовлених з цементно-піщаного розчину складу 1: 3 нормальної консистенції, після затвердіння зразків протягом 28 діб при нормальних умовах. Цементи поділяють на марки: 300 (цемент зниженою міцності), 400 (рядовий), 500 (підвищеної міцності), 550 і 600 (високоміцні). Марки ПЦ: 400, 500, 550 і 600.

Межа міцності на стиск (в МПа) половинок зразків-балочок у віці 28 діб називається активністю цементу.

Характеристики міцності показники портландцементу, а також шлакопортландцемента і їх різновидів наведені в табл. 2.

Таблиця 2. Характеристики міцності показники портландцементу,

шлакопортландцемента і їх різновидів

 Найменування цементу  Маркацемента  Межа міцності, МПа (кгс / см2)
 при вигині в віці, діб  при стисканні у віці, діб
 Портландцемент, портландцемент з мінеральними добавками, шлакопортландцемент БыстротвердеющийпортландцементБыстротвердеющийшлакопортландцемент    - - - - - 3,9 (40) 4,4 (45) 3,4 (35)  4,4 (45) 5,4 (55) 5,9 (60) 6,1 (62) 6,4 (65) 5,4 (55) 5,9 (60) 5,4 (55)  - - - - - 24,5 (250) 27,5 (280) 19,6 (200)  29,4 (300) 39,2 (400) 49,0 (500) 53,9 (550) 58,8 (600) 39,2 (400) 49,0 (500) 39,2 (400)

Міцність портландцементу залежить: а) від мінерального складу клінкеру; б) тонкощі помелу; в) водоцементного відносини; г) часу і умов твердіння; д) часу і умов зберігання. вплив мінерального складу клінкеру на твердіння ПЦ ілюструє рис.4, на якому показана кінетика набору міцності окремих мінералів.

 
 


Рис.4. Кінетика набору міцності окремих мінералів клінкеру

Алит твердне швидко і набирає високу міцність. Білить твердне різко уповільнено, але при сприятливих умовах тверднення в пізні терміни його міцність може перевищити міцність аліта. Трехкальциевого алюмінат відрізняється дуже високою швидкістю гідратації, але його кінцева міцність внаслідок пухкої структури невисока. Чотирьохкальцієвого алюмоферріт з кінетики набору міцності займає проміжне положення між АЛІТА і білить. Кінетика затвердіння і кінцева міцність ПЦ в цілому будуть визначатися відповідно вказаною впливу окремих мінералів і їх вмісту в клінкері.

тонкість помелу істотно впливає на міцність цементу, тому що чим тонкість помелу вище, тим вище його швидкість затвердіння.

вплив водоцементного відносини показано на рис.5. Максимальна міцність цементного каменю досягається при оптимальному для даного цементу значенні В / Ц (зазвичай 25 - 27%), відповідному найкращою структурі матеріалу. Зниження міцності при менших значеннях В / Ц пояснюється браком порового простору для розміщення новоутворень і, як наслідок, появою внутрішніх напружень. Зменшення міцності цементного каменю при збільшенні В / Ц понад оптимального пояснюється збільшенням обсягу пір, перш за все капілярних, що з'являються за рахунок наявності і подальшого випаровування зайвої води замішування, що не набрала хімічні реакції.

 
 


з часом при твердінні цементу в нормальних умовах його міцність значно зростає (через 1-2 роки може на 30-40% перевищити марочну 28-добову міцність).

умови тверднення роблять сильний вплив на міцність цементу. Найбільш швидке його твердіння відбувається при підвищеній (до 70- 80 ° С) температурі і відносній вологості середовища, близької до 100%. Навпаки, висихання цементного каменю, а також його заморожування припиняють твердіння, а останньому випадку може статися навіть скидання міцності. Особливо негативний вплив надає раннє заморожування (коли цемент ще не набрав достатньої міцності), яке може викликати руйнування виробів. При низьких позитивних температурах твердіння йде, але повільно.

зберігання цементу, навіть при відсутності прямого доступу вологи, знижує його здатність до ефективної твердненню. Через 1-3 місяці зберігання активність цементу падає на 10-20%, через 3-6 місяців - на 30-40%.

морозостійкість - Найважливіша властивість цементного каменю. Воно залежить насамперед від його капілярної пористості. Морозостійкість підвищується за рахунок обмеження водоцементного відносини, що можливо за умови застосування пластифікуючих хімічних добавок. Крім того, морозостійкість підвищують введенням воздухововлекающих добавок (мікропіноутворювачі).

Стійкість портландцементу до хімічної корозії. виділяють корозію першого виду - Руйнування цементного каменю в результаті розчинення і вимивання деяких його складових частин (в основному корозія вилуговування). Головним засобом боротьби з вилуговуванням гідроксиду кальцію є застосування щільного бетону і введення в цемент активних мінеральних добавок, що пов'язують Са (ОН)2 в малорастворимое з'єднання - гідросилікат кальцію.

корозія другого виду відбувається при дії на цементний камінь агресивних речовин, які, вступаючи у взаємодію зі складовими частинами цементного каменю, утворюють або легкорозчинні і вимиваються водою солі, або аморфні маси, що не володіють сполучними властивостями (кислотна і магнезіальних корозія, корозія під впливом деяких органічних речовин і т .п.). кислотна корозія виникає під дією розчинів будь-яких кислот, за винятком полікремнієвої і кремнійфтористим-водневої. Кислота вступає в хімічну взаємодію з гідроксидом кальцію, утворюючи розчинні солі (наприклад,  ) Або солі, що збільшуються в обсязі :

Від слабкою кислотної корозії (рН = 4 ... 6) бетони захищають кислотостойкими матеріалами (забарвленням, плівковою ізоляцією і т.п.).

вуглекислотна корозія є різновидом кислотної корозії. Вона розвивається при дії на цементний камінь води, що містить вільний діоксид вуглецю (агресивний) у вигляді слабкої вугільної кислоти понад рівноважного кількості,

магнезіальних корозія настає при впливі на гідроксид кальцію розчинів магнезіальних солей:

Заходи захисту від цієї корозії ті ж, що і від корозії 1-го виду.

Корозія під дією органічних кислот, Як і неорганічних, швидко руйнує цементний камінь. Шкідливий вплив надають масла, нафта, гас, бензин, мазут і т.д.

Корозія цементного каменю виникає також під дією мінеральних добрив, Особливо аміачних. Аміачна селітра, що складається в основному з  , Діє на гідроксид кальцію:

.

Утворюється нітрат кальцію, який добре розчиняється в воді і вимивається з бетону.

корозія третього виду об'єднує процеси, при яких компоненти цементного каменю, вступаючи у взаємодію з агресивним середовищем, утворюють сполуки, що займають більший об'єм, ніж вихідні продукти реакції. Характерною корозією цього виду є сульфатна корозія. Її різновид - сульфоалюмінатная корозія - виникає внаслідок взаємодії гіпсу з гидроалюмінатом цементного каменю з утворенням гідросульфоалюміната кальцію трехсульфатной форми, званого цементної бацилою, За рівнянням реакції

Для запобігання сульфатної корозії використовують сульфатостойкий ПЦ. При сульфатної агресії доцільно також застосовувати пуццолановиє і шлакові портландцементи, але тоді, коли бетони не будуть підлягати частим поперемінним замерзання і відтавання.

Корозія під дією концентрованих розчинів лугів, Особливо при подальшому висиханні, виникає в результаті утворення сполук, що кристалізуються зі збільшенням в обсязі (соди або поташу - при насиченні бетону їдким натром або калі). У слабощелочной середовищі цементний камінь не піддається корозії.

Захист бетону та інших матеріалів від корозії вимагає великих витрат. Тому при будівництві будівель необхідно визначити характер можливого впливу середовища на бетон, а потім розробити і здійснити необхідні заходи для запобігання корозії, які в загальному випадку зводяться до трьох основних шляхах:

u правильний вибір цементу;

u виготовлення щільних і водонепроникних бетонів;

u застосування захисних покриттів.



Попередня   14   15   16   17   18   19   20   21   22   23   24   25   26   27   28   29   Наступна

Техногенні вторинні ресурси | ПРИРОДНІ КАМ'ЯНІ МАТЕРІАЛИ | Класифікація природних кам'яних матеріалів | Види і властивості природних кам'яних матеріалів | Запобігання кам'яних матеріалів від руйнування | Керамічні матеріали та вироби | Скло та вироби зі скла | Вироби з мінеральних розплавів | мінеральних в'яжучих | Гіпсові і ангідритові в'язкі речовини |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати