Портландцемент

Краткий справочник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Строительство»

Портландцемент. Сырьем для производства служат известняк и глина. Могут использоваться мергель, доменный шлак, опока и др.

Требование к химическому составу сырья для получения клинкера - не допускает больших колебаний в содержании четырех главных оксидов. Содержание оксидов (%): СаО - 63...67, SiO2 - 20...24, А12О3 - 4...9, Fe2O3 - 2...4.

При расчете состава сырья используется основной, или гидравлический модуль, указанный выше, а также силикатный (кремнеземистый), %:

n = SiO2 / (А12О3 + Fe2O3) (4.4)

или алюминатный (или глинозе):

Р = А1203 / Fe203 (4.мистый5)

Их числовые значения должны находиться в пределах: т = 1.9...2.4; п=1.7... 3.5;р = 1.0...2.5.

Производство портландцемента состоит из приготовления сырьевой смеси, обжига этой смеси до спекания в клинкер, складирования клинкера, помола клинкера совместно с гипсом, минеральными и другими добавками.

Для изучения кинетики клинкеробразования наибольший интерес представляют скорости растворения СаО, 2СаО • SiO2 и ЗСаО • SiO2, т.е. тех минералов, которые взаимодействуют при обжиге цементного клинкера.

Тороповым Н.А. и Румянцевым П.Ф. разработан метод исследования кинетики растворения клинкерных минералов в жидкой фазе портландцемент-ного клинкера. Для исследования рекомендуется использовать высокотемпературный микроскоп. При этом на площадку расклепанной части платинового нагревателя наносится тонкий слой измельченного и тщательно перемешанного порошка, составленного из углекислого кальция, кварца, окиси алюминия, окиси железа в таком соотношении, которое в пересчете на прокаленное вещество дает валовый химический состав, соответствующий намеченному химическому составу расплава.

Затем образец нагревается до температуры 1350 °С и охлаждается до комнатной температуры (4.1,а). На поверхность застывшего расплава наносятся частицы (зерно) минерала, растворение которого изучается (4.1,6). Размер зерна предварительно измерялся под микроскопом. Температуру приготовленного таким образом образца быстро (в течение 1 с.) поднимают до заданной, и зерно начинает растворятся (4.1,в). Выдержку образца при заданной температуре продолжают до полного растворения зерна (4.1,г), при этом секундомером фиксируют продолжительность растворения.

Обжиг сырьевой смеси - центральный этап технологии цемента. Наивысшая температура обжига (1450°С) достигается в зоне спекания. При этом образуется расплав в количестве 20...30% объема обжигаемой смеси. В присутствии жидкой фазы происходит более полное насыщение силиката кальция известью и образуется трехкальциевый силикат ЗСаО • SiO2 (CasSiO2) -основное соединение. По Бутгу и Тимашеву, сначала образуются тетраэдры Si O2, которые потом соединяются с ионами Са2+, образуя кристаллическую решетку трехкальциевого силиката. Остальные соединения образуются

ранее (двухкальциевый силикат Ca2SC>4, трехкальциевый алюмосиликат Са3А12Об и четырехкальциевый алюмоферрит Ca4Al2Fe2Oio).

Состав клинкера, %

Ca3SiO5 (кратко C3S) 45...60

Ca2SiO4 (кратко C2S) 20...30

Са3А12О6 (кратко С3А) 4...14

Ca4Al2Fe2Oio (кратко C4AF) 10... 18

Активностью портландцемента называют показатель предела прочности, получаемый при испытании на осевое сжатие половинок образцов балочек размерами 4 х 4 х 16 см, изготовленных из цементного раствора состава 1:3 (по массе) и В/Ц = 0.4, в возрасте 28 суток твердения.

На активность портландцемента значительное влияние оказывает тонкость помола 2500...3000 см2/г. При помоле с центробежным сепаратором,

возвращающим крупные зерна на домол, можно достигнуть тонкости помола с удельной поверхностью до 4000...5000 см2/г.

Все доменные шлаки в той или иной степени обладает способностью к гидравлическому твердению, но эта способность у большинства шлаков находится в скрытом состоянии. Использование шлаков для производства шлаковых цементов основано на применении ряда методов активации их гидравлических свойств.

Существует по крайней мере два пути активации вяжущих свойств доменных шлаков: обработка остывших тонкоизмельченных шлаков и шлаков в огненно-жидком состоянии.

Тороповым Н.А. и Румянцевым П.Ф. доказана возможность получения из огненно-жидких доменных шлаков плавленого портландцементного клинкера обогащением СаО и Fe2O3 (5.2). Было сделано несколько следующим выводов. При обогащении огненно-жидкого шлака СаО необходимо довести его химический состав до состава портландцементного клинкера и обеспечить температуру нагревания 1700 - 1800 °С. Введение фтористого натрия в шлаки существенно увеличивает скрытые гидравлические свойства шлаков, имеющих в своем составе 2СаО • SiO2, и снижает температуру плавления всех шлаков. NaF в данном случае является плавнем - активизатором. Добавка 1% портландцемента к шлаковым расплавам перед грануляцией повышает активность цементов из этих шлаков на 20 - 30%.

Изменение физико-механических свойств клинкера значительно зависит от температуры его получения, что связано с происходящими структурными изменениями в нем (4.2). Действительно, согласно данным петрографического анализа, при нагревании заводского клинкера до 1720 °С наряду с незначительным увеличением количества жидкой фазы наблюдается постепенное укрупнение до 60-80 мкм кристаллов 2СаО • SiO2 и ЗСаО • SiO2, и эти кристаллы принимают правильную, характерную для данных минералов форму (крупные зерна белита и крупные пластинки элита, 4.2, а).

Укрупнение кристаллов и увеличение устойчивости их кристаллической решетки за счет более совершенной кристаллизации - единственно возможные причины снижения гидравлической активности расплавленного при 1720°С клинкера ( 4.2,6).

С 1720 °С начинается разукрупнение кристаллов белита, а при 1800 °С то же самое происходит и с алитом. Так, в клинкере, полученном плавлением при 1820 °С и быстро охлажденном, наблюдается мелкокристаллическая структура, представляющая собой тонкие длинные пластинки ЗСаО • SiO2 и между ними - очень мелкие округлые кристаллики ЗСаО • SiO2 ( 4.2,в).

Такой характер кристаллизации обуславливает повышенную гидравлическую активность. Подтверждением этому служит то, что при более медленном охлаждении происходит укрупнение кристаллов алита и белита

(4.2,г), которое сопровождается снижением гидравлической активности плавленного клинкера.

Быстротвердеющие и высокопрочные цементы изготавливают из тщательно подобранных сырьевых материалов. Содержание C3S в БТЦ должно быть не менее 50%, а в ВПЦ - не менее 60%. К быстротвердеющему портландцементу можно добавлять не более 10% активных минеральных добавок (или не более 15% гранулированных доменных шлаков). В ВПЦ добавок вводят не более 5%.