Портландцемент

Портландцемент является основным материалом в современном промышленном, гражданском, жилищном, сельскохозяйственном, гидротехническом и дорожном строительстве. Бурный рост строительства в нашей стране обусловил невиданные темпы производства цемента — с 15 млн. т в 1953 г. до 95 млн. т в 1970 г. Непрерывно улучшается качество цемента.и, -в. частности, повышаются его прочностные показатели — средняя марка портландцемента превысила 500.

Состав портландцемента

Портландцементом называется гидравлическое йяжуЩёе вещество, твердеющее в воде и на воздухе, получаемое тонким измельчением обожженной до спекания сырьевой смеси известняка и глины, обеспечивающей преобладание в клинкере силикатов кальция. Спекшаяся сырьевая смесь в виде зерен размером до 40 мм называется клинкером;.от качества его зависят важнейшие свойства цемента: прочность и скорость ее нарастания, долговечность, стойкость в различных эксплуатационных условиях

Для регулирования сроков схватывания цемента к клинкеру при помоле добавляют гипс в количестве не менее 1, 5 и не более 3, 5% веса цемента в пересчете на ангидрид серной кислоты SO3. Портландцемент можно выпускать без добавок или с.активными минеральными добавками в количестве до 15% от веса цемента.

Качество клинкера зависит от его химического и минералогического составов.

Известняк, используемый для производства портландцемента, в основном состоит из двух окислов — СаО и СОг, а глина — из различных минералов, содержащих в основном окислы S1O2, А1гО3, РегОз- В процессе обжига сырьевой смеси СО2 удаляется, а оставшиеся окислы СаО, SiO2, А12О3 и Fe2O3 образуют клинкерные минералы. Химический состав портландцементного клинкера характеризуется следующим процентным содержанием основных окислов

Повышенное содержание окиси кальция (при условии обязательного связывания его в химическое соединение с кислотными окислами) свидетельствует о повышенной скорости твердения портландцемента, его высокой прочности и несколько пониженной водостойкости. Повышенное содержание кремнезема замедляет сроки твердения цемента в начальный период при достаточно интенсивном нарастании прочности в длительные сроки; такие цементы отличаются повышенной водостойкостью. Повышенное содержание АЬОз способствует ускоренному твердению цемента в первые сроки, но цемент характеризуется пониженной водостойкостью, сульфатостойкостью и морозостойкостью. Окись железа способствует снижению температуры спекания клинкера и повышению стойкости цемента к действию сульфатных вод.

13) Общая схема твердения минералов портландцемента аналогична схеме твердения строительного гипса, разница лишь состоит в большей сложности из-за скорости протекания процессов различных минералов и наложения процессов один на другой. В общем эта схема для отдельных минералов выглядит так.
1-я стадия: растворение и гидратация. В этой стадии в раствор выделяется определенное количество молекул различных минералов в зависимости от их растворимости. Растворимость минералов портландцемента различна. Растворенные минералы гидратируют с присоединением молекул воды и переходят в гидратное состояние. Гидратация происходит по следующей схеме:
2(3CaO·SiО₂) + 6Н₂О = 3CaО·2SiО2·3H₂О + 3Ca(OH)₂
2(2CaO·SiО₂) + 4H₂О =3CaО₂·SiО2·3H₂О + Ca(OH)₂
ЗСаО·А1₂О₃+ 6Н₂О = ЗСаО·А1₂О₃·6Н₂О
4CaO·Al2О₃.Fe₂О₃ + mH₂О = ЗСаО·А1₂О₃-6Н₂О + CaO·Fe₂О₃·nH₂О

2-я стадия: коллоидация или схватывание. Эта стадия характеризуется образованием перенасыщенного раствора гидратных соединений по отношению к исходному веществу за счет меньшей растворимости новообразований. В результате происходит образование коллоидных частиц с высокой степенью дисперсности (раздробленности).При прохождении этого процесса образуется гелеобразная масса, которая
обволакивает непрореагировавшие зерна клинкера, создавая вокруг ге-
леобразные оболочки, препятствующие дальнейшему проникновению во-
ды вглубь зерен цементного клинкера. Затруднительное проникновение
воды к цементным зернам вызывает неполную гидратацию минералов, что
предопределяет частичное использование потенциальных возможностей
цемента в целом. Если размолоть затвердевший цементный камень в порошок,
то можно наблюдать, что примерно 50 % зерен находится в непро-
реагировавшем состоянии.
С увеличением коллоидных частиц в массе раствор, или как мы его называем тесто, начинает терять пластичность за счет уплотнения и образования коагуляционных связей. Другими словами, структура переходит в коагуляционное состояние, обладающее тиксотропными свойствами, т. е. способностью восстанавливать свои свойства после механического разрушения.
Строители это состояние называют процессом схватывания цемента и различают начало и конец схватывания по проникновению стандартной иглы в тесто.

3-я стадия - стадия кристаллизационного структурообразования. Здесь гелеобразные новообразования кристаллизуются, превращаясь в кристаллический сросток, что сопровождается твердением системы и ростом ее прочности. П. А. Ребиндер и его ученики еще более детально расширили наше
представление о процессах твердения минеральных вяжущих. Они считают, что 3-я стадия развивается в два этапа:
— на первом этапе образуются небольшие кристаллики, которые являются центрами кристаллизации. Эти кристаллики срастаются между собой, образуя каркас.
- затем возникший каркас обрастает. Это проявляется в росте кристалликов, что приводит к повышению прочности системы, но при известных условиях служит причиной, ведущей к нежелательным внутренним напряжениям. Возникновение кристалликов новообразований достаточной величины при минимальных напряжениях обусловливает наибольшую прочность твердеющих систем.
П. А. Ребиндер считает, что любая кристаллизационная система во времени является неустойчивой. Вначале на стадии кристаллизационного структурообразования происходит процесс упрочнения за счет роста кристаллов, а затем по мере замедления этого процесса происходит перекристаллизация, т. е. растворение неустойчивых контактов новообразований с последующим ростом крупных кристаллов. Это приводит, как было сказано ранее, к возникновению внутренних напряжений и снижению прочности структуры в целом.
Такова в общем представлении для каждого минерала в отдельности схема твердения, однако цемент - это полиминеральное вещество и скорость прохождения процессов для минералов различна, что приводит к усложнению этих процессов и наложению их друг на друга в такой сложной системе.
Упрощенно процесс твердения в цементе протекает следующим образом. В первую очередь происходит растворение и гидратация С₃А. В силу того, что процесс перехода С₃АН в коллоидное и кристаллизационное состояние происходит очень быстро, цемент может схватиться за 4-6 мин. Такой цемент строители называют «быстряк», и использоваться в строительстве он не может в силу технологических причин. Для того, чтобы увеличить сроки схватывания цемента, к нему при помоле клинкера добавляется гипс в количестве до 5 %. Механизм действия замедляющей добавки заключается в следующем: гипс взаимодействует с трехкальциевым гидроалюминатом, переводя последний в менее растворимое соединение трехкальциевого сульфогидроалюмината с замедленными сроками кристаллизации по сравнению с исходным минералом.
Одновременно с растворением С₃А происходит растворение и гидролиз трехкальциевого силиката, в результате чего раствор насыщается Са(ОН)₂.
Когда концентрация Са(ОН)₂ в растворе достигает предела, при котором устанавливается соотношение между СаО: SiО₂ не менее 3, происходит образование трехкальциевого гидросиликата. Чем дольше будет сохраняться соотношение СаО: SiО₂, равное 3, во времени, тем больше в системе будет образовываться высокоосновных гидросиликатов. Реакция образования трехкальциевого гидроалюмината при разложении четырехкальциевого алюмоферрита может происходить также при условии насыщенного раствора Са(ОН)₂.

14) смотреть вопрос 11!!!