ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА Гидравлические вяжущие твердеют и

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Гидравлические вяжущие твердеют и длительное время сохраняют прочность (или даже повышают ее) не только на воздухе, но и в воде. По своему химическому составу гидравлические вяжущие вещества представляют собой сложную систему, состоящую в основном из соединений четырех видов: Са. ОSi. O 2 -Al 2 O 3 -Fe 2 O 3. Эти соединения образуют три основные группы гидравлических вяжущих: силикатные цементы, состоящие в основном (на 75%) из силиката кальция; к ним относятся портландцемент и его разновидности – главные вяжущие современного строительства; алюминатные цементы, вяжущей основой которых являются алюминаты; главным из них является глиноземистый цемент и его разновидности; гидравлическая известь.

Портландцемент – гидравлическое вяжущее вещество, продукт тонкого измельчения клинкера с добавкой гипса (35%). Клинкер представляет собой зернистый материал, полученный обжигом до спекания (при 14500 C ) сырьевой смеси, состоящей из углекислого кальция (известняки различного вида) и алюмосиликаты (глины, мергеля, доменного шлака и др. ). Обеспечению заданного состава и качества клинкера подчинены все технологические операции производстве портландцемента.

Обжиг сырьевой смеси осуществляется во вращающихся печах. Вращающаяся печь представляет собой длинный, расположенный слегка наклонно цилиндр, из листовой стали с огнеупорной футеровкой внутри. Длина печей 95 -185 -230 м, диаметр 5 -7 м.

Вращающиеся печи работают по принципу противотока. Сырье подается автоматическим питателем в печь со стороны ее верхнего (холодного) конца, а со стороны нижнего (горячего) конца вдувается топливо (природный газ, мазут, воздушно-угольная смесь). Горячие газы поступают навстречу сырью. Сырье занимает только часть печи и при ее вращении медленно движется к нижнему концу, проходя различные температурные зоны.

1. 2. 3. 4. 5. 6. В зоне испарения происходит высушивание сырья при постепенном повышении температуры с 70 -800 C, поэтому первую зону называют зоной сушки. Подсушенный материал комкуется, при перекатывании комья распадаются на более мелкие гранулы. В зоне подогрева при постепенном нагреве сырья с 200 до 7000 C, сгорают органические примеси, из глинистых материалов удаляется химически связанная вода. В зоне кальцинирования температура обжигаемого материала поднимается до 11000 C, появляется значительное количество оксида кальция, в этой же зоне происходит распад глинистых минералов на оксиды Si. O 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3 которые взаимодействуют с Са. О. Образуются минералы 3 Са. О. Al 2 O 3, Са. О. Al 2 O 3 и частично 2 Са. О. Si. O 2 – белита. В зоне экзотермических реакций (1100 -12500 C) происходят реакции образования 3 Са. О. Al 2 O 3 , 4 Са. О. Al 2 O 3. Fe 2 O 3 и белита. В зоне спекания (1300 -14500 C) образуется главный минерал клинкера – алит 3 Са. О. Si. O 2. В зоне охлаждения температура клинкера понижается с 1300 до 10000 C, здесь полностью формируется его структура и состав.

Цементный клинкер выходит из вращающейся печи в виде мелких камнеподобных гранул «горошка» темно-серого или зеленовато-серого цвета. По выходе из печи клинкер интенсивно охлаждается до 100 -120 0 C. Помол клинкера в тонкий порошок производится в трубных мельницах. Материал измельчается под действием загруженных в барабан мелющих тел – стальных шаров. При вращении мельницы мелющие тела поднимаются на некоторую высоту и падают, дробя и истирая зерна материала.

МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА Алит - 3 Са. О. Si. O 2 - самый важный минерал клинкера, определяющий быстроту твердения, прочность и другие свойства портландцемента, содержится в клинкере в количестве 45 -60%. Белит - 2 Са. О. Si. O 2 - второй по важности и содержанию (20 -30%) силикатный минерал клинкера. Он медленно твердеет, но достигает высокой прочности при длительном твердении портландцемента. Трехкальциевый алюминат - 3 Са. О. Al 2 O 3 в клинкере содержится в количестве 4 -12% - самый активный минерал, быстро взаимодействует с водой. Является причиной сульфатной коррозии. Четырехкальциевый алюмоферрит - 4 Са. О. Al 2 O 3. Fe 2 O 3 в клинкере содержится в количестве 10 -20%. Характеризуется умеренным тепловыделением и по быстроте твердения занимает положение между алитом и белитом.

ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ ПРИ ТВЕРДЕНИИ ЦЕМЕНТНОГО ТЕСТА Сразу после затворения теста водой начинаются химические реакции. В начальной стадии процесса гидратации цемента происходит быстрое взаимодействие алита с водой с образованием гидросиликата кальция и гидроксида: 2(3 Са. О. Si. O 2) + 6 Н 2 О = 3 Са. О. 2 Si. O 2). 3 Н 2 О + 3 Са(ОН)2 При гидратации белита выделяется меньше Са(ОН)2 : 2(2 Са. О. Si. O 2) + 4 Н 2 О = 3 Са. О. 2 Si. O 2). 3 Н 2 О + Са(ОН)2 Взаимодействие трехкальциевого алюмината с водой приводит к образованию гидроалюмината кальция: 3 Са. О. Al 2 O 3 + 6 Н 2 О = 3 Са. О. Al 2 O 3. 6 Н 2 О Для замедления схватывания при помоле клинкера добавляют 3 -5% от массы цемента природного гипса.

Сульфат кальция играет роль химически активной составляющей цемента, реагирующей с трехкальциевым алюминатом и связывающей его в гидросульфoалюминат кальция (минерал эттрингит) в начале гидратации портландцемента: 3 Са. О. Al 2 O 3 + 3(Са. SO 4. 2 Н 2 О) + 26 Н 2 О = 3 Са. О. Al 2 O 3. 3 Са. SO 4. 32 Н 2 О) Кристаллы эттрингита обуславливают раннюю прочность затвердевшего цемента. Заполняя поры цементного камня, эттрингит повышает его механическую прочность и стойкость. Структура затвердевшего цемента улучшается еще и потому, что предотвращается образование в нем слабых мест в виде рыхлых гидроалюминатов кальция. Четырехкальциевый алюмоферрит при взаимодействии с водой расщепляется на гидроалюминат и гидроферрит: 4 Са. О. Al 2 O 3. Fe 2 O 3. +m. Н 2 О=3 Са. О. Al 2 O 3. 6 Н 2 О+Са. О. Fe 2 O 3. n. Н 2 О Гидроалюминат связывается добавкой природного гипса, а гидроферрит входит в состав цементного геля.

Коррозия первого вида. Выщелачивание гидроксида кальция происходит интенсивно при действии мягких вод, содержащих мало растворенных веществ. К ним относятся конденсат, дождевые воды, воды горных рек, болотная вода. Коррозия второго вида. Углекислотная коррозия развивается при действии на цементный камень воды, содержащий свободный СО 2 в виде слабой угольной кислоты. Избыточный двуоксид углерода разрушает карбонатную пленку бетона вследствие образования хорошо растворимого бикарбоната кальция Са(HСО 3)2. Общекислотная коррозия происходит при действии растворов любых кислот, имеющий Рн<7. Свободные кислоты встречаются в сточных водах промышленных предприятий, они могут проникать в почву и разрушать бетонные фундаменты, коллекторы и другие подземные сооружения. Бетон на портландцементе защищают от непосредственного действия кислот с помощью защитных слоев из кислотостойких материалов.

Коррозия третьего вида. Сульфоалюминатная коррозия возникает при действии на гидроалюминат цементного камня воды, содержащей сульфатные ионы. Образование в порах цементного камня эттрингита сопровождается увеличением объема примерно в 2 раза. Развивающееся в порах кристаллизационное давление приводит к растрескиванию защитного слоя бетона. Вслед за этим происходит коррозия стальной арматуры, усиление растрескивания бетона и разрушение конструкции. Для борьбы с сульфоалюминатной коррозией применяется специальный сульфатостойкий портландцемент. Щелочная коррозия может происходить в двух формах: • под действием концентрированных растворов щелочей на затвердевший цементный камень; • под влиянием щелочей, имеющихся в самом цементе.