Портландцемент - студопедія
Загальна характеристика і речовий склад портландцементу. Портландцемент був винайдений в 1824 році англійцем Джозефом Аспдін і паралельно з ним українським 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).
Алит C3 S - головний мінерал цементного клінкеру - має велику активність в реакції з водою. Алит швидко твердне і набирає високу міцність.
Білить C2 S - 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 C3 A - 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 C3 A 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 C4 AF - характеризується помірним виділенням тепла і за швидкістю твердіння займає проміжне положення між трьохкальцієвим і Двухкальціевий силікатами. 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.
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 сполуки, 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 C2 S, 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 невеликої добавки двуводного гіпсу. В результаті хімічної взаємодії трехкальциевого гідроалюмінати з введенням гіпсом і водою утворюється важкорозчинний 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 C3 S, переходить в більш високоосновних 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 українського 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 С3 S), 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. непрореагировавшего зерна клінкеру, кількість яких поступово зменшується.
2. Щодо великі 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 являє 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 портландцемента.Істінная щільність портландцементу 3,1-3,15 г / см 3; насипна щільність 900-1100 кг / м 3.
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 К2 З3 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 ч попереднього твердіння витримують протягом 3 ч в киплячій воді. Коржі не повинні деформуватися, не допускаються також радіальні тріщини, що доходять до країв.
Міцність портландцементу. Міцність ПЦ, а також шлакопортландцемента і їх різновидів характеризують марками, які визначають за межі міцності на стиск і вигин зразків-балочок, 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