Какие химические соединения придают гидравлическим вяжущим гидравлические свойства
Гидравлические вяжущие вещества – более сложные по составу, чем воздушные, вещества. После смешивания с водой способны схватываться, твердеть, сохранять и повышать свою прочность не только на воздухе, но и в воде. не содержат сложные минералы, образующиеся при обжиге карбонатных пород или искусственных смесей : силикаты, алюминаты, ферриты кальция.
К гидравлическим веществам относятся:
· гидравлическая известь;
· портландцемент и его разновидности;
· специальные цементы.
В отдельную группу выделяют вяжущие вещества автоклавного твердения, быстро набирающие прочность только в автоклаве в среде насыщенного водяного пара при температуре 175-200°С и давлении 0,8-1, 5 МПа. К ним относятся романцемент, глиноземистый и расширяющиеся цементы, гипсоцементно-пуццолановые, известково-кремнеземистые и известково-шлаковые вяжущие, нефелиновый цемент, хотя по существу эти вяжущие являются гидравлическими.
Число разновидностей гидравлических вяжущих постоянно растет благодаря использованию новых видов сырья и применения современных способов производства.
Сырьем для производства минеральных вяжущих являются различные горные породы, главным образом осадочного происхождения, и некоторые массовые побочные продукты металлургической, энергетической, химической и других отраслей промышленности. В больших объемах используются:
Ø карбонатные (известняк, мел, доломит, мергель, магнезит);
Ø сульфатные (гипс, ангидрит);
Ø кремнеземистые (диатомит, трепел, опока);
Ø глинистые и высокоглиноземистые (бокситы) горные породы;
Ø промышленные отходы (доменные и другие металлургические шлаки, шлаки и зола от пылевидного сжигания твердого топлива, нефелинового шлама). При этом отпадает необходимость организации карьеров по добыче природного сырья, сокращаются расходы топлива и электроэнергии на обжиг и помол, что в целом способствует охране природы и среды обитания человека.
Технологический процесс производства вяжущих состоит из следующих циклов – измельчение сырья до частиц примерно одного размера, тщательное смешение смеси для получения однородной композиции, обжиг сырья при высоких температурах(в результате физико-химических процессов в период обжига образуются новые соединения, способные взаимодействовать с водой и при этом твердеть, превращаясь в искусственный камень). Причём каждое вяжущее требует определенной температуры и продолжительности термической обработки. Высококачественные вяжущие(портландцемент и глиноземный цемент) получают обжигом при высоких температурах до частичного плавления(спекания) сырьевой смеси. Чаще всего продукты обжига еще не являются готовым вяжущим.
Для проявления вяжущих свойств их подвергают тонкому измельчению (помолу) в чистом виде или чаще совместно с добавками, вводимыми с целью регулирования технологических свойств теста вяжущего и эксплуатационных свойств искусственного камня, а также облегчения помола и удешевления. Чем выше тонкость помола, тем быстрее и полнее пройдут процессы химического взаимодействия вяжущего с водой.
Минеральные вяжущие обычно приводят в рабочее состояние путем смешивания с водой (затворения). Иногда (например, в случае с магнезиальными вяжущими) затворение производят водными растворами солей. Переход теста в искусственный камень происходит в результате затвердевания – сложных процессов, сопровождающих химическое взаимодействие вяжущего с водой с выделением теплоты (экзотермический процесс).
Применение – в сухих и влажных условиях, где требуется высокая прочность и там, где нельзя применять воздушные вяжущие вещества. Их используют в кладочных и штукатурных растворах для наружных стен, фундаментов и получения бетона, железобетона, асбестоцементных и других изделий.
Источник
Гидравлические свойства вяжущих обусловлены наличием в их составе силикатов, алюминатов, ферритов кальция и зависят от гидравлического модуля m и температуры обжига сырья:
m = ,
m более 9 для воздушной извести,
m = 1,7-9 для гидравлической извести,
m = 1,1-1,7 – для романцемента,
m = 1,9-2,4 – для портландцемента.
Усиление гидравлических свойств в ряду «воздушная известь гидравлическая известь романцемент» связано с уменьшением гидравлического модуля с 9 до 2 при одинаковой температуре обжига 1000 0С. Увеличение температуры обжига сырья с 1000 0С до 1450 0С, при которой наблюдается частичное плавление, приводит к получению качественно нового вяжущего – портландцемента.
Портландцемент
Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, в составе которого преобладают высокоосновные силикаты Са (70-80%). Его получают совместным помолом клинкера с добавкой природного гипса (3-5%). Клинкер представляет собой зернистый камнеподобный материал, получаемый обжигом до спекания (при 1450 0С) тщательно подобранной сырьевой смеси. Добавка гипса вводится для регулирования сроков схватывания портландцемента.
Открытие портландцемента (1824-1825 гг.) связывают с именами Е.Г.Челиева и Д.Аспдина (Великобритания).
Сырьем для производства портландцемента служат:
– известняки с высоким содержанием СаСО3 (мел, плотный известняк и др.);
– глинистые породы состава Al2O3.nSiO2.mH2O (глины, глинистые сланцы);
– корректирующие добавки (пиритные огарки, трепел, опока, бокситы и др.).
Соотношение между карбонатными и глинистыми составляющими сырьевой смеси 3:1 (75% известняка и 25% глины).
Возможна замена глинистого и частично карбонатного компонента побочными продуктами промышленности – доменными или электротермофосфорными гранулированными шлаками, а также нефелиновым шламом, получающимся при производстве глинозема.
Производство портландцемента – сложный технологический и энергоемкий процесс, состоящий из ряда операций, которые можно разделить на две основные стадии. Первая – производство клинкера, вторая – измельчение клинкера совместно с гипсом, а в ряде случаев и с активными минеральными добавками.
Производство клинкера складывается из следующих технологических операций:
– добыча и доставка сырьевых материалов, их подготовка;
– приготовление сырьевой смеси заданного состава путем помола и смешивания сырьевых компонентов в определенном количественном соотношении;
– обжиг сырьевой смеси до спекания;
– интенсивное охлаждение клинкера;
– складирование клинкера.
Производство портландцементавключает:
– подготовку минеральных добавок (дробление, сушку);
– дробление гипсового камня;
– помол клинкера с активными минеральными добавками и гипсом;
– складирование, упаковку и отправку цемента потребителю.
Производство клинкера может осуществляться сухим, мокрым и комбинированным способом.
Сухой способ заключается в приготовлении сырьевой муки в виде тонкоизмельченного сухого порошка (из сухих или предварительно высушенных материалов) с остаточной влажностью 1-2%.
Примокром способе сырьевые материалы измельчаются и смешиваются в присутствии воды, поэтому смесь получается в виде водной суспензии – шлама с влажностью 35-45%. Это наиболее энергоемкий способ.
Комбинированный способ заключается в том, что приготовленный шлам до поступления в печь обезвоживается на фильтрах до влажности 16-18%. Однако энергоемкость производства в целом остается высокой.
Обжигсырьевой смеси осуществляется в основном во вращающихся печах, работающих по принципу противотока. Печь имеет небольшой наклон и вращается со скоростью 1-2 об/мин. При мокром способе производства длина печи достигает 185 м. Сырье подается в печь со стороны ее верхнего (холодного) конца и при вращении печи медленно двигается к нижнему (горячему) концу, со стороны которого вдувается топливо (природный газ, мазут, воздушно-угольная смесь), сгорающее в виде 20-30-метрового факела. Двигаясь навстречу горячим газам, образующимся при сгорании топлива, сырье проходит различные температурные зоны. В каждой зоне проходят различные физико-химические превращения, в результате которых и получается цементный клинкер. Полученный в печи раскаленный клинкер поступает в холодильник, где резко охлаждается холодным воздухом. Клинкер выдерживают на складе 1-2 недели.
Химический состав клинкера выражают содержанием оксидов (% по массе):
СаО – 63-66 %, SiO2 – 21-24 %, Al2O3 – 4-8 %, Fe2O3 – 2-4 %.
В процессе обжига, доводимого до спекания смеси, главные оксиды образуют силикаты, алюминаты и алюмоферрит кальция в виде минералов кристаллической структуры, а некоторая их часть входит в стекловидную фазу.
Минеральный состав клинкера:
– алит 3СаО. SiO2 (С3S) – 45-60% – самый важный минерал, определяет быстроту твердения, прочность и другие свойства;
– белит 2СаО. SiO2 (С2S) – 20-30% – медленно твердеет, но достигает высокой прочности при длительных сроках твердения;
– трехкальциевый алюминат 3СаО. Al2O3 (С3А) – 4-12% – быстро гидратируется и твердеет, но конечная прочность его небольшая; является причиной сульфатной коррозии цементного камня;
– четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО. Al2O3 .Fe2O3 (С4АF) – 10-20% по скорости твердения занимает промежуточное положение между С3S и С2S.
– клинкерное стекло 5-15% – затвердевшая в виде стекла часть расплава, содержит СаО, Al2O3 , Fe2O3 , MgO, К2О, Na2O.
–свободные оксиды кальция и магния могут присутствовать в виде зерен (СаО своб) и в виде минерала периклаза (MgО своб); их содержание не должно превосходить 1% и 5% соответственно; в случае их повышенного содержания может проявляться неравномерное изменение объема цемента при твердении и появление трещин;
– щелочные оксиды Na2O и К2О – их содержание не должно превышать 0,6%, так как при большем содержании они могут явиться причиной коррозии цементного бетона.
Твердениепортландцемента происходит благодаря сложным физико-химическим процессам взаимодействия клинкерных минералов и гипса с водой.
2(3СаО. SiO2) + 6H2O = 3СаО. 2SiO2. 3H2O + 3Са(ОН)2
гидросиликат Са гидроксид Са
2(2СаО. SiO2) + 4H2O = 3СаО. 2SiO2. 3H2O + Са(ОН)2
3СаО. Al2O3+ 6H2O = 3СаО. Al2O3. 6H2O
гидроалюминат Са
В присутствии 3-5% гипса образуется практически нерастворимое соединение – гидросульфоалюминат кальция (эттрингит), который предотвращает быструю гидратацию С3А за счет образования защитного слоя на его поверхности и замедляет схватывание.
Кроме того, роль добавки гипса состоит в улучшение свойств цементного камня (прочности, морозостойкости) за счет уплотнения структуры, связанного с увеличением объема эттрингита в еще не затвердевшей системе.
3СаО. Al2O3 + 3(СаSO4.2H2O) + 26 H2O = 3СаО. Al2O3 . 3СаSO4.32H2O
гидросульфоалюминат кальция (эттрингит)
4СаО. Al2O3 . Fe2O3 + mH2O = 3СаО. Al2O3 . 6H2O + СаО. Fe2O3 . nH2O
гидроалюминат Са гидроферрит Са
Структура цементного камня может быть представлена как микроскопическая неоднородная дисперсная система – “микробетон” (по В.Н. Юнгу).
Цементный камень включает:
– продукты гидратации цемента
* гель гидросиликатов (до 75% объема) и другие новообразования;
* кристаллы Са(ОН)2 и эттрингита;
– непрореагировавшие зерна клинкера – клинкерный фонд;
– поры:
* поры геля (менее 0,1 мкм),
* капиллярные поры (от 0,1 до 10 мкм) между агрегатами частиц геля,
* воздушные поры (от 50 мкм до 2 мм).
Свойства портландцемента
Тонкость помола цемента определяет быстроту твердения и прочность цементного камня. Она должна быть такой, чтобы через сито № 008 проходило не менее 85% массы пробы (Sуд = 2500-3000 см2/г.).
Истинная плотность = 3,05-3,15 г/см3.
Насыпная плотность в среднем составляет 1300 кг/м3.
Водопотребность портландцемента характеризуется количеством воды (% от массы цемента), необходимым для получения цементного теста нормальной густоты и составляет 22-28%.
Сроки схватывания цементов определяют с помощью прибора Вика (табл. 6.2). Для информации в таблице приведены сроки схватывания и основного алюминатного цемента – глиноземистого.
Таблица 6.2
Сроки схватывания цементов
| Цемент | Сроки схватывания | |
| начало, мин., не ранее | конец, ч., не позднее | |
| Портландцемент | ||
| Глиноземистый цемент |
Равномерность изменения объема. К неравномерному изменению объема приводят местные деформации, вызываемые расширением СаО своб и MgО своб при их гидратации.
Марка портландцемента определяется испытанием стандартных образцов размером 4х4х16 см, изготовленных из цементно-песчаного раствора 1:3 (по массе) через 28 суток твердения (первые сутки – в формах во влажном воздухе, затем без форм в воде). Марки портландцемента представлены в табл.6.3.
Тепловыделение зависит от минерального состава клинкера и тонкости помола. Данные тепловыделения клинкерных минералов приведены в табл.6.4.
Таблица 6.3
Требования к прочности образцов
| Марка портландцемента | Предел прочности, МПа (кгс/см2), не менее | |
| при сжатии | при изгибе | |
| 39,2 (400) | 5,4 (55) | |
| 49,0(500) | 5,9(60) | |
| 53,9 (550) | 6,1(62) | |
| 58,8(600) | 6,4(65) |
Таблица 6.4
Источник
Определение, общие сведения и классификация. Определение соединений, способных к гидравлическому твердению. Разновидности гидравлических вяжущих. Гидравлическая известь и романцемент. Сырье, получение, основные характеристики, применение.
Портландцемент. Определение и классификация. Объемы производства портландцемента в РБ и за рубежом. Виды сырья и технологическая схема производства. Физико-химические процессы, происходящие при обжиге сырьевой смеси. Механизм образования портландцементного клинкера. Химический и минерально-фазовый состав клинкера. Качественные характеристики основных клинкерных минералов. Зависимость свойств цемента от минералогического состава клинкера. Основные показатели качества портландцемента: плотность, водопотребность, активность и прочность, тонкость помола, сроки схватывания, равномерность изменения объема при твердении и др. Методы оценки основных технических характеристик. Зависимость свойств цемента от температурно-влажностных условий твердения. Схватывание, твердение портландцемента и формирование структуры цементного камня. Физико-химические процессы, происходящие при твердении портландцемента. Влияние среды на сроки твердения. Марки и классы портландцемента. Алгоритм твердения портландцемента. Коррозия цементного камня, причины и меры защиты.
Разновидности портландцемента. Специальные виды цементов. Способы придания портландцементу специальных свойств. Быстротвердеющий (БТЦ), особобыстротвердеющий (ОБТЦ) и сверхбыстротвердеющий (СБТЦ) портландцементы. Механизм быстрого твердения таких цементов, качественные характеристики и применение. Цементы с активными минеральными добавками (природными и искусственными): пуццолановый, шлакопортландцемент, песчанистый и др. Виды и механизм действия активных минеральных добавок, качественные характеристики и области применения. Гидравлическая активность минеральных добавок. Цементы с поверхностно-активными (органическими) добавками: пластифицированный, гидрофобный и др. Виды и механизм действия таких добавок, качественные характеристики и области применения. Декоративные портландцементы: белый и цветные. Особенности получения и качественные характеристики. Сульфатостойкие портландцементы. Разновидности, отличительные особенности и области применения. Цементы для строительных растворов. Смешанные цементы как разновидности комплексных вяжущих систем. Отличительные особенности, получение, качественные характеристики и основное назначение.
Глиноземистый, безусадочный, расширяющие и напрягающие цементы. Механизм безусадочного и расширяющегося твердения таких цементов, их качественные характеристики и области применения.
Транспортирование и хранение цементов. Вопросы экологии при производстве цементов. Народнохозяйственное значение использования металлургических шлаков, зол и других техногенных продуктов при производстве вяжущих веществ в связи с охраной окружающей среды. Вопросы экономии цемента в строительстве. Перспективы развития производства вяжущих веществ в Республике Беларусь и за рубежом.
Вопросы и задания для самоконтроля
1. Какие вещества называют гидравлическими вяжущими, и какие химические соединения придают им способность твердеть во влажных условиях?
2. Чем обусловлены гидравлические свойства вяжущих веществ?
3. Из какого сырья получают гидравлическую известь?
4. Кратко охарактеризуйте гидравлическую известь. Сопоставьте ее свойства со свойствами воздушной строительной извести.
5. Из каких сырьевых материалов получают портландцемент? Назовите химический состав сырья для производства портландцемента.
6. Опишите портландцемент и портландцементный клинкер; укажите способы их получения.
7. Перечислите и кратко охарактеризуйте способы производства портландцемента.
8. Опишите основные процессы, идущие при обжиге клинкера.
9. Опишите основные этапы производства портландцемента по мокрому, сухому и комбинированному способу. Почему сухой способ экономичнее мокрого с точки зрения расхода топлива?
10. Что представляет собой клинкер? Назовите и охарактеризуйте основные минералы портландцементного клинкера.
11. Приведите химический и минералогический состав портландцемента. Как изменяются свойства портландцемента с изменением его минералогического состава?
12. С какой целью добавляется гипс при помоле клинкера?
13. Перечислите свойства портландцемента и опишите методику их определения.
14. Какими показателями оценивается тонкость помола цемента?
15. Чем может быть вызвана неравномерность изменения объема цемента при твердении?
16. Что понимается под маркой, активностью и классом цемента?
17. Укажите различие понятий «активность» и «марка» цемента по прочности. Как определить марку цемента?
18. Что означают выражения «активность извести» и «активность цемента»?
19. Перечислите добавки, вводимые в портландцемент при помоле клинкера, и каково их назначение?
20. Какие добавки и почему называют активными минеральными, и как они влияют на свойства цемента?
21. Опишите процессы, протекающие при твердении портландцемента.
22. Кратко охарактеризуйте шлаки и вяжущие на их основе.
23. Что представляют собой пуццолановый и шлакопортландцемент? Их свойства и области применения.
24. Охарактеризуйте быстротвердеющие и высокопрочные цементы.
25. Чем отличаются пластифицированный и гидрофобный портландцементы от обычного портландцемента?
26. Охарактеризуйте сульфатостойкие портландцементы. Как их получают?
27. Опишите характерные свойства глиноземистого, расширяющихся, безусадочных и напрягающих цементов. Где они чаще всего применяются в строительстве?
28. Изложите способы производства белого и цветных цементов.
29. Охарактеризуйте агрессивные среды, разрушающие цементный камень.
30. Перечислите виды коррозии цементного камня с приведением химических реакций. Какие способы защиты?
31. В чем заключается первый, второй и третий вид коррозии цементного камня?
32. Какими клинкерными минералами обусловливается сульфатная коррозия портландцемента?
33. Какие цементы целесообразно использовать в конструкциях, находящихся в агрессивной среде?
Источник