Лекция 4 Тема 5 Гидравлические вяжущие

Лекция № 4. Тема № 5. Гидравлические вяжущие вещества. Технология производства цементов. Виды цементов, их свойства. Твердение цемента. Время: 2 ч. Вопросы: 1. Портландцемент: понятие о его производстве, важнейшие минералы и их свойства. 2. Основные свойства портландцемента. 3. Разновидности портландцемента общестроительного назначения. 2/16/2018 Литература: [1] с. 277… 304, [2] с. 53… 75 1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВАХ Гидравлические вяжущие Цементы общестроительного назначения Портландцемент (ПЦ), ПЦ с минеральными добавками, быстротвердеющий ПЦ, шлакопортландцемент Специальные цементы Сульфатостойкие цементы, глиноземистые, расширяющиеся, декоративные и т. п. Гидравлическая известь получают обжигом, не доводимым до спекания мергелистых известняков, содержащих от 8 до 20% глинистых примесей 2/16/2018 2

ЦЕМЕНТЫ ОБЩЕСТРОИТЕЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ Цементы - получают из тщательно составленных сырьевых смесей определенного химического состава (Са. О, Si. O 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3), обжигаемых до спекания по определенному режиму для получения необходимого соотношения важнейших гидравлических соединений: n. Ca. O Si. O 2, m. Са. О Аl 2 О 3 и р. Са. О Аl 2 О 3 Fе 2 O 3 и превращаемых в тонкие порошки путем помола. Портландцемент - продукт тонкого помола клинкера и необходимого количества гипса. Основные сырьевые материалы: известняки Са. СО 3 и глины Al 2 О 3 2 Si. O 2 2 H 2 O, Fe 2 O 3. Сырьевая смесь: Са. О (60… 67%), Si. O 2 (19… 24%), Аl 2 O 3 (4… 8%), Fe 2 O 3 (2… 6%), Mg. O (не более 5%) и SO 3 (не более 3, 5%). 2/16/2018 3

Способы приготовления сырьевой смеси Сухой Дробление, измельчение, гранулирование и тщательное смешивание относительно сухих компонентов (wm = 10… 15 %). 2/16/2018 Мокрый Дробленый известняк и размешанная с водой глина с добавками измельчаются в сырьевых мельницах. Смесь (шлам) содержит около 40% воды. Комбинированный Приготовленный шлам до поступления в печь обезвоживается на специальных установках. 4

Обжиг — важнейший этап производства цемента. Ведется в наклонных вращающихся печах диаметром 4… 7 м, длиной 60… 200 м. 2/16/2018 5

Физико-химические процессы происходящие при обжиге 1 зона - прогрев и физическое обезвоживание; 2 зона - реакции дегидратации и разложения глины (Si. O 2 и Аl 2 О 3), начало топохимических реакций (Si. O 2, Аl 2 О 3 и Fe 2 O 3); 3 зона - разложение Са. СО 3 на Са. О и СО 2 и начало активных топохимических реакций Са. О, Si. O 2, Al 2 O 3 и Fe 2 O 3; 4 зона - образуются: двухкальциевый силикат 2 Ca. O Si. O 2, трехкальциевый алюминат ЗСа. О Аl 2 О 3 и четырехкальциевый алюмоферрит 4 Ca. O Al 2 O 3 Fe 2 O 3; 5 зона - сернокислые соли и другие примеси образуют жидкую фазу (10… 30% по объему), которая присоединяет щелочи, происходит реакция взаимодействия 2 Ca. O Si. O 2 с оксидом кальция и образуется трехкальциевый силикат 3 Ca. O Si. O 2. 2/16/2018 6

Минералогический состав клинкера портландцемента Минерал Формула Примерное Сокращенсодержание ное в клинкере, обозначение % Трехкальциевый силикат (алит) ЗСа. О·SO 2 C 3 S 40… 60 Двухкальциевый силикат (белит) 2 Са. О·SO 2 C 2 S 15… 35 Четырехкальциевый алюмоферрит (целит) 4 Са. О·А 12 O 3 ·Fe 2 O 3 C 4 AF 10… 20 Трехкальциевый алюминат ЗСа. О·А 12 O 3 С 3 А 5… 15 2/16/2018 7

Клинкер – спёкшиеся гранулы неправильной формы размером до 10… 50 мм, быстро охлаждают, размалывают в тонкий порошок. Вводят регулирующие добавки (гипс) и различные технологические добавки. Алит (С 3 S)— очень активен в реакции с водой и быстро твердеет. Определяет основные свойства портландцемента: величину прочности и скорость ее нарастания. Белит (C 2 S) - значительно менее активен в реакции с водой, обладает наименьшим тепловыделением, твердеет очень медленно, но с течением времени прочность постепенно возрастает и через длительные сроки оказывается также высокой. Целит (C 4 AF) - по скорости твердения занимает промежуточное положение между С 3 S и C 2 S. Термообработка способствует повышению его прочности. Трехкальциевый алюминат (С 3 А) - наиболее активно гидратирует, обладает наибольшим тепловыделением, очень быстро схватывается и твердеет. Продукт твердения при нормальной температуре обладает низкой прочностью, 2/16/2018 8 которая в дальнейшем мало возрастает.

2/16/2018 Нарастание прочности клинкерных минералов 9

ПРОЦЕССЫ СХВАТЫВАНИЯ И ТВЕРДЕНИЯ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА Периоды твердения портландцемента Подготовительный Коллоидации Кристаллизации растворением минералов цемента в воде до образования насыщенного раствора, в котором находятся ионы кальция, сульфатов, щелочей и небольшое количество кремнезема, глинозема и железа. присоединение воды к твердой фазе реагирующих минералов и возникновение «зародышей» кристаллогидратных новообразований (гидросиликатов кальция). начинается процесс кристаллизации гидроксида кальция и перекристаллизацией возникших дисперсных кристаллогидратов в более крупные, которые сращиваются между собой, образуя кристаллический каркас. 2/16/2018 10

2 3 1 Схема образования цементного камня 1 – капиллярное пространство; 2 – зона перехода (гелеобразная оболочка новообразований); 3 – негидратированная часть зерна. 2/16/2018 11

СВОЙСТВА ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА Свойства цементного порошка: Плотность портландцемента изменяется от 3 до 3, 2 г/см 3 (для расчетов принимают = 3, 1 г/см 3). Насыпная плотность портландцемента составляет в рыхлонасыпанном состоянии 900. . . 1300 кг/м 3; в уплотненном достигает 1800 кг/м 3. Тонкость помола цемента устанавливают ситовым анализом. Через сито № 008 должно проходить не менее 85% просеиваемой пробы. Удельная поверхность ПЦ - 2500. . . 3500 см 2/г. 2/16/2018 12

Свойства цементного теста: Нормальная густота ( nc) цементного теста - количество воды в процентах от массы цемента, необходимое для придания тесту определенной вязкости. Этот показатель характеризует водопотребность цемента. Для получения портландцементного теста нормальной густоты необходимо 24… 28% воды. Сроки схватывания: портландцемент должен иметь начало схватывания не ранее 45 мин, а конец — не позднее 10 часов. По срокам схватывания ПЦ бывает: медленносхватывающийся с началом схватывания более 1, 5 ч, нормальносхватывающийся — от 45 мин до 1, 5 ч, быстросхватывающийся — менее 45 мин. 2/16/2018 13

Свойства цементного камня: Прочность портландцемента оценивается сопротивлением при изгибе и сжатии образцов-балочек размером 4 х4 х16 см изготовленных из цементного раствора определенного состава и стандартной консистенции (106 - 115 мм). Активностью цемента - фактический предел прочности при осевом сжатии половинок, изготовленных и испытанных в 28 суточном возрасте с соблюдением стандартных требований. F F 40 160 2/16/2018 160/2 14

Чаша с лопаткой Встряхивающий столик с формой 2/16/2018 15

Мешалка для перемешивания цементного раствора 2/16/2018 16

Форма для изготовления балочек 2/16/2018 17

2/16/2018 18

МИИ-100 2/16/2018 19

Пресс ПСУ-50 2/16/2018 20

Требования к маркам портландцемента Обозначение Предел прочности в возрасте по 28 суток, МПа, не менее Гарантированн вещественному ая марка составу при изгибе при сжатии цемента ПЦ-Д 0; ПЦ-Д 5; ПЦ-Д 20 300 400 550 600 4, 4 5, 9 6, 1 6, 4 29, 3 39, 2 49 53, 9 58, 8 высокопрочные — марок 550, 600 и выше, повышенной прочности — марки 500, рядовые — марок 300 и 400, низкомарочные — ниже марки 300. 2/16/2018 21

Равномерность изменения объема цементного камня в процессе его твердения. Обусловлена естественными процессами гидратации клинкерных минералов и формирования структуры камня. Тепловыделение при схватывании и твердении цемента в следствии экзотермических реакций гидратации клинкерных минералов. По величине тепловыделения цементы подразделяются на низкотермичные — тепловыделение через трое и семь суток не более 230 Дж/г и 270 Дж/г и умереннотермичные — через семь суток не более 315 Дж/г. 2/16/2018 22

ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ С МИНЕРАЛЬНЫМИ ДОБАВКАМИ Портландцемент с минеральными добавками получают на основе портландцементного клинкера с введением в его вещественный состав активных минеральных добавок (АМД): до 25% природных (вулканические пепел и туф, трассы, пемзы, диатомиты, трепелы, опоки) и до 20% искусственных (доменные, топливные и электротермофосфорные шлаки, золы, глиниты и др. ). Цементы с пластифицирующими добавками обладают меньшей водопотребностью и повышают пластичность цементного теста, что значительно облегчает укладку бетонных смесей. Цементы с гидрофобизирующими добавками способны лучше сохранять свою активность при длительной перевозке и хранении в неблагоприятных условиях, не слеживаться и не комковаться. Они обладают более высокими морозостойкостью и водонепроницаемостью 2/16/2018 23

БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИЙ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ В минералогическом составе клинкера преобладают активные минералы: трехкальциевый силикат С 3 S (50… 55%) и трехкальциевый алюминат С 3 А (до 10%). Применяется более тонкий помол сырья, сильный и равномерный обжиг, быстрое охлаждение клинкера и высокую тонкость помола до удельной поверхности 3500… 5000 см 2/г. ШЛАКОПОРТЛАНДЦЕМЕНТ Шлакопортландцемент получают на основе портландцементного клинкера, гранулированного шлака и необходимого количества гипса путем совместного помола или раздельного смешивания измельченных компонентов. 2/16/2018 24