Минеральные вяжущие вещества, их происхождение и роль в строительстве

38. Элементарные акты взаимодействия клинкерных минералов с водой и перевода продуктов гидратации в растворов

Применительно к вяжущим веществам, в которых затворителем является вода (или водный раствор), считается, что начальным (элементарным) актом является адсорбция молекул и ионов жидкости затворения поверхностью частиц вяжущего, происходящая под действием поверхностной энергии на границе «твердая фаза-жидкость. То есть адсорбцию можно рассматривать как начальную, составную часть процесса гидратационного твердения.

Механизм гидратации клинкерных минералов, как включающий в себя следующие процессы:

адсорбцию полярных молекул воды на поверхности кристаллов с частичным электролитическим разложением молекул воды на ионы Н+иОН-;

взаимодействие этих ионов и молекул воды с активными центрами поверхности кристаллов с образованием хемосорбционных связей;

развитие ионного обмена типа Са2+ 2Н+ (протонизация), приводящего к переходу определенной части структурных единиц кристаллов (Са2+, Al3+, Mg2+, Na+, K+ и др.) в водный раствор;

присоединение Н+ иОН- ,а также полярных молекул воды к другим структурным единицам кристаллов с образованием первичных зародышей новой фазы - гидратов (СaO)х . (SiO2)y. ( H2O)z ,Са(ОН)2 и др.;

интенсивный переход в раствор, наряду с обменными ионами,

гидратированных ионов Са(ОН)+, (Н2SiO4)2- и т.п., приводящий сначала к насыщению, а затем к пересыщению водного раствора соответствующими ионами, в результате чего осуществляется выкристаллизовывание новой фазы в объеме и на поверхности.

39. Общие представления о механизме образования новых фаз при взаимодействии цемента с водой

Переход в раствор ионов кальция Са2+, гидратированных ионов кальция Са(ОН)+ приводит к образованию в поверхностном слое клинкерного зерна гидроксилированного, обогащенного кремнеземом слоя. Переход ионовSi4+ в раствор под влиянием «захвата» гидроксильного иона маловероятен при тех значениях рН, которые свойственны процессам гидратации (рН 11,5), поэтому на поверхности алита, белита всегда сохраняется «скелет» из кремнекислородных ионов (кремнегель). Однако, протонизация оказывает свое влияние и на силу связей в кремнекислородных тетраэдрах, ослабляя их. В результате происходит перестройка слоя силикатных ионов кремнегеля, которые начинают вступать во взаимодействие с ионамиСа2+. Продуктом такого взаимодействия является новая фаза С-S-H, представляющая собой гидросиликаты кальция.

Учитывая то, что в составе жидкой фазы кроме ионов кальция находятся ионы алюминия, железа и др., можно принять, что образование гидроалюминатов, гидроферритов кальция протекает по механизмам, близким к вышеописанному, как результат химического взаимодействия продуктов гидролиза игидратации.

Исследования ионной силы раствора в твердеющей системе «цементвода» показывают, что она изменяется циклически. Это указывает на определенный порядок образования новых фаз. В целом этот процесс должен идти в направлении понижения значений термодинамического потенциала так, что вероятность более устойчивого существования каждой последующей фазы должна быть выше, чем предыдущей.

40. Термодинамический аспект образования новых фаз

При соприкосновении тонкоизмельченных, находящихся в метастабильном состоянии, компонентов вяжущих веществ с водой (или с водным раствором) создаются условия для физико-химической диспергации частиц, собственно химической реакции гидратации, появления пересыщенных систем и образования термодинамически более устойчивых соединений - гидратов.

Последовательность и продолжительность появления новых структур определяется термодинамической вероятностью взаимодействия исходных фаз. В тот момент, когда вода соприкасается с неустойчивой решеткой минералов вяжущего вещества, решетка претерпевает перестройку, которая в одних случаях происходит достаточно интенсивно (когда вещество растворяется), в других случаях этот процесс осуществляется ограниченно - с поверхности.

Обширные исследования по термодинамическому анализу, выполненные О.П. Мчедловым-Петросяном, показали, что при переходе соединений из безводного состояния в гидратированное изменяется средняя энергия связи (Са-О) и в целом наблюдается выигрыш в энергии. Кроме того, расчеты показали, что реакциям гидратации соответствует отрицательное значение свободной энергии Гиббса -G, что говорит о больших движущих силах, обеспечивающих самопроизвольный характер этих процессов. Расчеты изменения энтропии - меры энергетического беспорядка в системе, по которой можно судить о направлении процесса, свидетельствуют о том, что реакции гидратации вяжущих веществ сопровождаются ее уменьшением. Следовательно, можно сделать вывод о том, что процессы гидратации приводят к получению более устойчивых, более упорядоченных соединений. В среднем значение энтропии, приходящееся на 1 моль воды, составляет для вяжущих гидратационного твердения - 36,45 кДж/(моль.К).

Отмеченное позволяет судить о силе связи воды в гидратированных соединениях и сделать вывод о том, что в энтропийном отношении процесс гидратации является процессом связывания воды и превращения ее в составе новообразований в псевдотвердую фазу.

41. Состояние и роль воды затворения

При соприкосновении цементных зерен с водой затворения определенная ее часть переходит в поверхностно - адсорбционное состояние, обладающее значительной энергией связи.

Для химически инертных по отношению к воде порошков главной причиной формирования адсорбционных слоев воды считают физическое притяжение молекул воды относительно поверхности твердой фазы. Поверхностные силы со стороны твердой фазы имеют несколько составляющих: дисперсионную или молекулярную, электростатическую, структурную.

Дисперсионные силы относят к близкодействующим. Их можно рассматривать как равнодействующую сил межчастичного притяжения и броуновских сил отталкивания.

Электростатические силы - дальнодействующие. Они обеспечиваются ионными и дипольными взаимодействиями.

Причиной адсорбции, близкой к физической, может быть также образование водородной связи, В частности, такая связь возникает при адсорбции на поверхности частицы, содержащей гидроксильные группы.

Если поверхность твердой фазы химически активна по отношению к воде, то дополнительно возникают более прочные связи химической природы. Адсорбционную воду, обладающую такого рода связями, называют хемосорбционной.

Взависимости от преобладания тех или иных видов сил общую энергию связи воды на поверхности зерен цемента ученые оценивают в 200…800 Дж/г и выше.

Слой адсорбционной воды на поверхности зерна по толщине неоднороден; наибольшую толщину имеет в окрестностях активных центров.

Жестко структурированный поляризованный слой пленочной воды в процессах гидратации и твердения выполняет, в основном, транспортные функции, обеспечивая передачу заряженных частиц, ионов, молекул, некоторых комплексов к поверхности или от поверхности зерна цемента. Поставщиком же гидратных ионов, растворителем для поступающих от клинкерных минералов частиц является объемная вода. Поэтому ее присутствие в твердеющей системе обязательно.



42. О причинах и закономерностях образования гидратов

Микроскопические наблюдения за процессом взаимодействия клинкерных минералов с водой на поверхности зерна цемента, проведенные профессором Л.Г. Шпыновой, показали, что вначале происходит конгруэнтное растворение отдельных минералов, которое длится не более 5 с, затем в промежутке времени до одной минуты на зернах цемента образуется первичный гидрат с отношением оксида кальция к оксиду кремния С/S 3, его толщина составляет около 0,8 нм. Затем образуется вторичный гидрат сС/S 2, толщина слоя которого достигает 6 нм. В этом же промежутке времени на поверхности зерна цемента отчетливо обнаруживаются первичные кристаллы гидроксида кальция.

В результате первоначальной быстрой реакции на поверхности зерна цемента образуется достаточно плотная пленка новообразований, которая препятствует свободному доступу воды к реакционной поверхности, в результате чего общий процесс замедляется и наступает так называемый индукционный период, в течение которого система не отвердевает и внешне остается как бы неизменной. Но в действительности развитие процессов, хотя и с небольшой скоростью, продолжается. В частности, в жидкой фазе, окружающей зерно цемента, идет наращивание концентрации ионов ОН-,К+, Na+ и др. (рис.17), которая в итоге достигает равновесного уровня, после чего гидратационные процессы самоускоряются.

В то же самое время происходит интенсивный рост твердых новобразований под первичной гидратной пленкой. Эти новообразования формируют так называемую (по международной терминологии) внутреннюю сферу «слоя Тейлора» или структуру внутреннего ритма. Твердые новообразования в структуре внутреннего ритма, увеличиваясь в объеме, создают под первичной пленкой напряжения, которые, в конце концов, разрывают ее и тем самым обеспечивают свободный доступ воды к реакционной зоне и вынос продуктов реакции во внешнюю сферу (в жидкую фазу). С этого момента времени процесс гидратационного твердения заметно ускоряется (индукционный период закончился) и начинается формирование из твердых новообразований внешней сферы «слоя Тейлора» или структуры внешнего ритма - чешуйчатого, волокнистого, игольчатого строения.

С течением времени образование структур внутренних и внешних ритмов для каждого зерна цемента повторяется, то есть процесс структурообразования протекает циклически, а сфера из новообразований вокруг зерна цемента часто обнаруживает слоистость. Вместе с тем в системе в целом цикличность отвердевания не обнаруживается из-за действия статистического фактора, предполагающего, что в каждом зерне цемента в силу индивидуальной его активности, связанной с размерами, формой, распределением клинкерных минералов и пр., рассматриваемый процесс протекает в собственном временном режиме. В силу же действия законов статистики относительно всей твердеющей системы процесс протекает монотонно.

43. Теория твердения портландцемента

Теория твердения вяжущих веществ развивала преимущественно физико-химические представления по механизму образования гидратных соединений. Ле-Шателье предложил кристализационную теорию твердения, по которой вяжущее вещество в начале растворяется в воде, образую гидратное соединение, в основном эти вещества плохо растворяются, затем образуют насыщенные и после пересыщенные растворы с выделением кристаллов. Михаэлис предложил свою теорию твердения портландцемента. Эта теория получила название коллоидной. Согласно ей п/ц смешивается с водой, образуя пересыщенные растворы Ca(OH)₂ и гидроалюмината Ca. Они выделяются из раствора в виде осадков кристаллической структуры. Он предположил что эти вещества активного участия при твердении в дальнейшем не принимают. За основу при твердении он принял гелевидную массу возникающую при образовании гидросиликатов на поверхности частиц. Из этой гелевидной фазы более глубокие слои отсасывают воду, оболочка уплотняется, что обеспечивает твердение системы. Бойков выдвинул свою теорию и объединил теории Ле-Шателье и Михаэлиса:

Вяжущие растворяются в воде образуя насыщенный раствор.

Происходит присоединение воды к твёрдой фазе, что приводит к возникновению гидратных соединений высокой дисперсности.

Частицы новообразований коллоидных размеров перекристализовываются в более крупные, что приводит к твердению системы и набору прочности.

44. Основные факторы, обуславливающие прочностные и деформационные свойства и долговечность затвердевших смесей по А. Воложенскому

Волженский классифицирует основные формы обуславливающие прочность и деформационные свойства и долговечность затвердевших смесей с H₂O:

Свойство и концентрация по массе и по абсолютному объёму (абсолютный объём вяжущего вещества в жидкой фазе, в результате чего образуется начальная пористость).

Содержание и концентрация по массе и по абсолютному объёму не гидратируемой части вяжущего вещества в объёме твердеющей системы, что определяется степенью гидратации.

Свойство частичек гидратных новообразований предопределяет микроструктуру.

Удельная теплота, скорость гидратации, тепловыделение.

Температура твердения смеси при взаимодействии с водой.

Характер среды (водная и парогазовая в которой протекает).

Наличие твердения в смеси различных добавок, регулятора скорости твердения.

45. Структура и свойства цементного теста и затвердевшего цементного камня. Формы воды в цементном тесте и камне

Основная масса новообразований при взаимодействии с водой образует гелевидные массы, состоящие из субмикроскопических кристаллических частиц. В этой же массе распологаются непрореагированные частицы и крупные кристаллы Ca(OH)₂. Эта система включает:

Часть частиц которые не прореагировали

Гель из гидратных новообразований

Относительно крупные кристаллы

Капилярные поры

Сферические поры

Тесто, изготовленное из цемента представляет собой концентрационную суспензию с характерной структурой и повышенной вязкостью. Свойства таких систем:

Структурная вязкость

Седиментация

Тепловыделение

Набухание ц/т

Контракция и пористость

Процессы взаимодействия между частицами п/ц и водой начинаются уже при перемешивании компонентов и приводит к перераспределению воды, к возникновению сложных форм воды в цементном тесте и камне подразделяются на химически связанную, адсорбционно связанную, связанную капиллярными силами и свободную. Вода в гелиевых порах находится в псевдотвёрдом состоянии.

Св-ва цементного камня:

Плотность

Водонасыщенность и водопоглощение

Способность затвердевать

Неравномерность изменения объёма

Тонкость помола

Марка.

46. Портландцеметный клинкер. Химический и минералогический состав

Портландцементный клинкер - продукт обжига до спекания тонкодисперсной однород. сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины и некоторых других материалов (мергеля, доменного шлака и пр.). При обжиге обесп-ся преимущ-ное содерж. в клинкере высокоосновных силикатов кальция. Качество клинкера оцен-ся химическим, минералогическим составами. Химический состав клинкера хар-ся следующими пределами содержания главных оксидов (% по массе): СаО --63--68; Si02 -- 21--24; А1203 -- 4--8; Fe203 -- 2--4. В небольших кол-вах в виде разл. соед-ий в клинкер могут входить оксиды магния и хрома, серный и фосфорный ангидрид, щелочи натрия и калия, диоксид титана. В клинкере главные оксиды образуют силикаты, алюминаты и алюмоферриты кальция в виде минералов кристаллич. структуры, а часть их входит в стекловидную фазу. Портландцементный клинкер имеет сложный минералогический состав. Клинкер состоит из следующих основных клинкерных минер.: трехкальциевого силиката ЗСаОSiO₂ (алит), двухкальциевого силиката 2СаО . SiO₂ (белит), трехкальциевого алюмината 3СаО. Аl₂О₃, четырехкальциевого алюмоферрита 4CaOАl₂О₃ Fe₂O₃. Часто исп. их сокращенное обознач.: соответственно C₃S, C₂S, С₃А и C₄AF. Содержание этих минералов в порт-ом клинкере обычно колеблется в следующих пределах: 40 - 65% C₃S; 15 - 40 % C₂S; 2 - 15 % C₃A и 10 - 20% С₄АF.

47. Характеристики портландцем. клинкера

Качество клинкера оцен-ся химическим, минералогическим и фазовым составами. Повыш. содерж. второстепенных составляющих клинкера оказывает обычно отриц. влияние на св-ва порт-нта, так как свободные (несвязанные) оксиды кальция и магния гидратируются очень медленно в уже затвердевшем цементе. Увелич. объема, происх. при этом, может вызвать растрескивание цем. камня. Кол-во СаО в клинкере не должно превышать 1 %, a MgO (в виде кристаллов периклаза) --5 %. На кач-во порт-та влияет не только мин-ский состав клинкера, но и его стр-ра, характер кристаллизации отдельных минералов. Для получ. клинкера оптимальной структуры необх. однородность и малая запесоченность сырья, тонкий помол сырьевой смеси, исп-ие беззольного топлива, резкий обжиг и резкое охлаждение. При мелкой крист-ции клинкерных минералов без изменения фазового состава можно добиться знач. повышения прочности. Клинкер (сырьевая смесь) хар-ся двумя модулями, выраж-ми соотношения между колич-ми главных оксидов, -- силикатным п=% SiOJ% (A!203+Fe203), и глиноземным р= %Al203/%Fe203, а также коэффициентом насыщения(КН). Силикатный модуль показывает, какое количество минералов-силикатов (C3S + C2S) по отношению к минералам-плавням (C3A+C4AF) сод-ся в клинкере. Величина силикатного модуля должна быть в пределах 1,7--3,5. Глиноземный модуль отражает соотнош. минералов-плавней между собой и должен находиться в пределах 1--3. Величина КН клинкера хар-ет соотнош. между C3S и C2S и устан-ся в зав-сти от физико-химических свойств сырья, условий его переработки и обжига клинкера и практически нах-ся в пределах 0,82--0,96. При КН выше 0,96 количество C3S в клинкере больше 60 % -- клинкер относится к алито-вым; при КН меньше 0,82 количество алита меньше 38 % -- клинкер отн-ся к белитовым. Цементы с высоким силикатным модулем п, т. е. с повышенным содержанием C3S и C2S, медленно схватываются и твердеют, но со врем. проч-ть их знач. возрастает. Цем. с высоким глиноз. модулем р, т. е. с повышенным сод. С3А, быстрее схват-ся и твердеют, но достигнутая в первые сроки твердения прочность в дальнейшем возрастает незначительно или почти не возр.

48. Технология получения портландцем. Сырьевые материалы

Получение портландцемента хорошего качества зависит от содержания главнейших оксидов в клинкере, процент которых должен быть в пределах: CaO - 60-68%. SiO2 - 19-25%, оксида алюминия 4-8%, оксида железа 2-6%.

Технология получения цемента.

Основные технологические операции, выполняющиеся для получения цемента:1-добыча сырья и приготовление сырьевой смеси;2-обжиг сырьевой смеси и получение цементного клинкера;3-помол цементного клинкера с добавкой. Добыча сырья. Сырьём для цемента служит слой известняка зеленовато - жёлтого цвета. Добыча ведётся открытым способом. Первичная обработка. После добычи известняк транспортируют и производят специальную сушку и первичный помол с добавлением специальных добавок. Конечная обработка. Далее полученный клинкер ещё раз размалывают и сушат с добавлением известкового камня и активными минеральными добавками. Поскольку у каждого вида исходного сырья есть свои особенности: минеральный состав, влажность, прочность каждое производство имеет свою уникальную технологию, позволяющую добиться необходимых свойств цемента. В основном при производстве цемента на второй стадии используют одну из трёх отработанных технологий: 1 - мокрый; 2 - сухой; 3 - комбинированный; 4 - мокрый способ. Исходным сырьем для производства портландцемента служат горные породы - мергели, известняковые (известняки, мел, ракушечник, известковый туф и др.) и глинистые горные породы. С известняком в состав цемента. вносится основной оксид CaO; с глиной - оксиды кремния, алюминия, железа; с мергелем - все необходимые оксиды. Сырьем для произ-ва порт-нта является порт-цем-ный клинкер, осн. оксидами которого служат CaO, SiO2, Al2O3 и Fe2O3. В зависимости от преобладания того или иного оксида используемое для произ-ва клинкера сырье можно разд. на три группы: 1) сырье, в кото-ром преобладает CaO - карбонатный компонент; 2) сырье, в котором пре-облад. алюмосиликаты - глинистый компонент; 3) корректирующие добавки, восполняющие недостаток в сырьевой смеси того или иного оксида.

Приготовление сырьевых смесей для пр-ва клинкера. Производство п/ц - сложный технологический и энергоёмкий процесс, включающий: а)добычу в карьере и доставку на завод сырьевых материалов, известняка и глины; б) приготовление сырьевой смеси; в)обжиг сырьевой смеси до спекания - получение клинкера; г) помол клинкера с добавкой гипса - получение п/ц; д) магазинирование готового продукта. Обеспечению заданного состава и кач-ва клинкера подчинены все технологические операции. Приготовление сырьевой смеси состоит в тонком измельчении и смешении взятых в установленном соотношении компонентов, что обеспечивает полноту прохождения химических р-ций между ними и однородность клинкера. Сырьевую смесь приготавливают сухим мокрым и комбинированным способами. В водной среде облегчается измельчение и при помоле достигается однородность, но расход топлива при обжиге в 1,5-2 раза выше, чем при сухом. При сухом способе снижается кач-во клинкера. Сущность комбинированного заключается в том, что готовят смесь по мокрому способу, затем шлам обезвоживают на специальных установках и затем обжигают. Сокращается расход топлива на 20-30%.

49. Производство п/ц. мокрый способ

Производство п/ц - сложный технологический и энергоёмкий процесс, включающий: а) добычу в карьере и доставку на завод сырьевых материалов, известняка и глины; б) приготовление сырьевой смеси; в) обжиг сырьевой смеси до спекания - получение клинкера; г) помол клинкера с добавкой гипса - получение п/ц; д) магазинирование готового продукта. При влажности сырья более 25% целесообразно применять мокрый способ. При мокром способе тонкое измельчение сырьевой смеси происходит в водной среде. Продукт сырьевая шихта влажностью 30-60%. Дробление в зависимости от крупности и твердости сырья может быть одностадийное и многостадийное. В зависимости от размера продукта дробления различают грубое, среднее и тонкое дробление. При большой крупности и твердости на первой стадии применяются щековые дробилки (измельчение до 30-40 мм).Вторая стадия - молотковые или конусные дробилки. Третья стадия - коротко-конусные дробилки (10-12 мм). Помол происходит в трубных мельницах по замкнутому и по открытому цеху. Приготовление шлама осуществляется в спец. агрегатах - глиноболтушки. Мягкие глины распускают в воде сразу. Корректируют шлам по содержанию в нем свободной извести, по коэф. насыщения и по какому-либо модулю. В случае необходимости в шлам добавляют недостающие компоненты. Обжиг во вращающихся печах. Здесь происходят хим. реакции, в результате которых образуется определенные клинкерные материалы. Совместный помол гипса и добавок с клинкером - в шаровых мельницах.



50. Технологическая схема получения клинкера по мокрому способу

51. Технологический процесс получения клинкера во вращающихся печах по мокрому способу. Зоны печи



52. Технология получения п/ц клинкера во вращающихся печах по сухому способу производства

При влажности сырья до 1% применяют сухой способ. При этом сырьевую смесь готовят в виде тонко измельченного сухого порошка. В естественных условиях влажность < 7% нереальна, поэтому перед или в процессе измельчения материала всегда подсушивают. Последовательность операций также подготовка сырьевых материалов и обжиг включает процессы дробления, сушки и совместного помола. Выгодно процесс сушки и помола совмещать, продукт измельчения - однородный порошок. Особенность обжига при обжиге сырьевой смеси по сухому способу материал перед подачей во вращающую печь нагревают в циклонных теплообменниках до t=600-700 C. Здесь же происходит частичная декарбонизация в-ва. По технико-экономическим показателям сухой способ гораздо лучше мокрого. Преимущества: снижение удельного расхода топлива ~ в 2 раза, рост годовой производительности из расчета на одного рабочего ~ 40%, уменьшение себестоимости продукции ~ на 10%, сокращение капиталовложения на строительство предприятия до 50%.



53. Обжиг сырьевой смеси. Термические превращения сырьевых компонентов шихт

Тонкоизмельчённые и тщательно перемешанные сырьевые смеси поддаются обжигу при температуре 1673-1773⁰К в цементно-обжиговых печах. Образующийся в результате обжига спёкшийся камнеобразный продукт наз-ся п/ц клинкером, хар-ся сложным минералогическим составом и сложной микрокристаллической стр-рой. Характер изменения физических св-в материалов, приготовленных по сухому или по мокрому способу по мере нагревания до определённого интервала оказывается различным. А химические превращения, основанные на химических реакциях в обоих системах одинаковы. При нагревании до 100⁰С из сырьевой смеси удаляется капельно-жидкая вода, в интервале температур 373-573К удаляется адсорбционная и часть кристаллизованной воды, а при температуре 673-973К удаляется основная масса кристаллизовано-связанной воды (до3%). Остаточное кол-во влаги выходит из состава кристаллических решёток алюмосиликата. Сырьевой шлам поступает во вращающуюся печь, поддаётся воздействию горячих газов. Температура поднимается до 200⁰ С, вязкость не остаётся постоянной. До 150⁰С вязкость уменьшается, а затем растёт. Исходная влажность 35-40%. При повышении температуры в стр-ре шлама образуются крупные, рыхлые агрегаты, вбирающие в себя свободную воду и вязкость возрастает. По мере испарения воды шлам становится более вязким, компонуется в гранулы различного размера.

54. Технология получения клинкера во вращающихся печах по комбинированному способу производства

При комбинированном способе производства сырьевая смесь в виде шлама, полученного по мокрому способу производства, подвергается обезвоживанию и грануляции, а затем обжигается в печах, работающих по сухому способу.

Основные технологические операции и последовательность их выполнения при комбинированном способе производства портландцемента следующие.

Выходящий из сырьевой мельницы шлам влажностью 35--40% после его корректирования поступает в вакуум-фильтр или пресс-фильтр, где он обезвоживается до влажности 16--20%. Образующийся при этом «сухарь» смешивается затем с пылью, уловленной электрофильтрами из дымовых газов печи; добавка пыли предотвращает слипание кусков «сухаря» и приводит к уменьшению влажности смеси до 12--14%. Приготовленная таким образом смесь поступает на обжиг, который осуществляется во вращающихся печах.

Все остальные операции производства портландцемента по комбинированному способу не отличаются от соответствующих операций при мокром способе производства.



55. Влияние различных технологических факторов на процессы образования минералов при обжиге

На пример обжига клинкера. На процессы, протекающие при обжиге сырьевых смесей, влияют как заведомо присущие сырью свойства (химический и минералогический состав сырья, температурный интервал плавления, вид и количество примесей и др.), так и ряд переменных параметров не менее существенно сказывающихся на эффективности трансформации сырье - клинкер, но поддающиеся регулированию (коэффициент насыщения и модульные характеристики, дисперсность и гранулометрия, скорость и температура нагрева и т.д.)Влияние химического состава сырьевых смесей. Увеличение скорости роста прочности цемента может быть достигнуто при получении клинкера с высоким содержанием алита, а в ранние сроки твердения - и С₃А, что возможно при обжиге сырьевых смесей с высоким содержанием СаО, т.е. с высоким КН. Но при высоком КН спекаемость клинкера ухудшается.

Увеличение силикатного модуля n снижает реакционную способность сырьевой смеси. Между КН и количеством связанной извести существует почти прямолинейная зависимость. При производстве высокопрочных и быстротвердеющих цементов не рекомендуется обжигать клинкер, содержащий более 65-70% алита и 8% С₃А. Влияние минералогического состава. Реакционная способность сырьевой смеси в первую очередь зависит от природы алюмосиликатного компонента. Наименее активным является кварц; несколько большими активностями обладают халцедон и опал. Высокотемпературные модификации еще более активны (тридимит и кристобалит), что объясняется разрыхлением кристаллической решетки при полиморфных превращениях.



56. Шлаки и шлаковые цементы

Шлаками назыв. побочные продукты, получаемые при плавке черных и цветных металлов, сжигании твердых видов топлива, а также при электротермической возгонке фосфора. Для производства вяжущих веществ применяются доменные шлаки. Хим. состав доменных шлаков зависит от состава руды, плавней, вида применяемого топлива и выплавляемого чугуна. По хим. составу доменные шлаки отличаются от портландцементного клинкера лишь соотношением некоторых компонентов. Шлаки содержат повышенное количество кремнезема, частично глинозема и меньше окиси кальция.

Шлакопортландцементом наз. гидравлическое вяжущее, получаемое путем тонкого измельчения портландцементного клинкера совместно с гранулированным доменным шлаком, а также с двуводным гипсом. Шлака в шлакопортландцементе должно быть не менее 21 % и не более 60 % по массе. При изготовлении шлакопортландцемента гранулированный шлак предварительно сушат в сушильных барабанах. Гипс вводят в шлакопортландцемент для регулирования сроков схватывания, а также в качестве активизатора твердения шлака. Сырьевую смесь готовят тонким измельчением шлака и известняка, взятых в установленном соотношении. Плотность 2,8-3 г/см³. Марки по прочности М300, М400, М500. Удельная поверхность около 3000 см²/г.

Шлакопортландцемент широко применяют в производстве сборных бетонных и железобетонных конструкциях и изделиях.

57. Виды цементов. Пластифицированный портландцемент

Виды:

Быстротвердеющий

Особобыстротвердеющий высокопрочный портландцемент

Гидрофобный портландцемент

Сульфатостойкие портландцементы

Цемент с умеренной экзотермией.

Белый и цветные портландцементы

Цветные портландцементы

Цементы для бетонных покрытий автодорог и производство асбестоцементных изделий.

Глиноземистый цемент

Пластифицированный портландцемент

Методом введения различных поверхностно-активных добавок при помоле обычного портландцемента получают пластифицированный портландцемент. Поверхностно-активной добавкой для этого служат концентраты СДБ (сульфитно-спиртовой бражки), которая соответствует всем стандартам МРТУ 13-04-35-66.

Эта добавка вводится в смесь как водный раствор, процентное соотношение которого к сухой смеси составляет 0,15 - 0,25%, либо в сухом виде. Необходимое количество добавки рассчитывается опытным путём. Оно зависит от таких факторов как: тонкость помола цементной клинкерной смеси, содержания в ней гидравлических добавок и минералогического состава клинкера.

Пластифицированный портландцемент отвечает всем требованиям стандартизации и обладает теми же свойствами, что и обычный. Отличие составляет лишь требование, выдвигаемое к его пластичности. Если обычный портландцемент показывает расплыв конуса 105-110 мм, то раствор пластифицированной цементной смеси, которая составляет с песком соотношение 1:3, при водоцементном соотношении 0,40, после 30 встряхиваний дает показатель 125 мм.

Одно из основных отличий пластифицированного портландцемента от обычного заключается в том, что он обладает способностью повышать текучесть смеси. Благодаря этому она более легко укладывается и уплотняется. В связи с тем, что подвижность смесей из цемента обусловлена преимущественно содержанием в них воды, использование пластифицированного цемента дает возможность, не изменяя подвижности смеси, уменьшить содержание в ней воды. А это влечет за собой повышение прочностных характеристик бетона, его морозостойкости и экономию цемента.

58. Виды цементов. Сульфатостойкий портландцемент

Виды:

Быстротвердеющий

Особобыстротвердеющий высокопрочный портландцемент

Гидрофобный портландцемент

Сульфатостойкие портландцементы

Цемент с умеренной экзотермией

Белый и цветные портландцементы

Цветные портландцементы

Цементы для бетонных покрытий автодорог и производство асбестоцементных изделий.

Глиноземистый цемент

Пластифицированный портландцемент

Сульфатостойкий цемент (ГОСТ 22266-76) - продукт, получаемый измельчением клинкера нормированного минералогического состава и гипса. Выпускают также сульфатостойкий цемент с минеральными добавками: гранулированным доменным или электротермофосфорным шлаком (10-20%) или активными добавками (5-10%). Сульфатостойкий цемент характеризуется сравнительно невысокими глиноземным модулем и коэффициентом насыщения. Сульфатостойкий цемент выпускают марки 400, а сульфатостойкий с минеральными добавками - марок 400 и 500. Предел прочности при сжатии сульфатостойкого цемента через 28 суток составляет 40 МПа, а сульфатостойкого с минеральными добавками - 40 и 50 МПа. Сулфатостойкий цемент применяют при строительстве гидротехнических сооружений, подверженных действию сульфатосодержащих вод. Одна из разновидностей сульфатостойких цементов - пуццолановый цемент.

59. Пуццолановый портландцемент. Белый и цветные портландцементы

1. Пуццолановый портландцемент (ППЦ) -- твердеющее в воде и во влажных условиях гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного помола портландцементного клинкера нормированного минералогического состава (не более 8% СзА), гипса и активных минеральных добавок. Чем выше активность добавки, тем меньше должно быть ее сод-ие в цементе, тем выше его кач-во. Содержание в ППЦ АМД осадочного происхождения должно составлять 20... 30%, прочих добавок-- 20 ...40%. Введение АМД возможно и непосредственно в бетонную смесь в пр-се ее изг-ия: мокрой присадкой или в виде порошка сухой добавки. При твердении ППЦ происходит два процесса: первый -- гидратация минералов портландцементного клинкера; второй -- взаимодействие АМД с гидроксидом кальция, выделяющимся при твердении клинкера. При этом Са(ОН)₂ связывается в нерастворимый в воде гидросиликат кальция. Одновременно повышается плотность цементного камня. Реакции активных минеральных добавок с известью идут медленно, поэтому в раннем возрасте прочность пуццолановых цементов ниже, чем бездобавочных. Однако в позднем возрасте прочность ППЦ значительно возрастает. Твердение ППЦ можно ускорить, используя более активные добавки.

2.Сырьем для получения БПЦ служат чистые извести (мел и белые глины, не сод-е красящих оксидов: железа, марганца). При обжиге белого пц, использ. беззольное топливо (газ), обжиг ведется в восстанов. среде. БПЦ не должен сод-ть Fe2O3 более0,5%, MnО не более 0,3%, MgО - более 4%. Выпускается БПЦ как с доб-ми, так и без них. Цветные ПЦ изгот. совм-ым помолом белого ПЦ с щелоче-стойкими доб-ми и красителями (охра, сурик, оксиды хрома). Кол-во мин-ых пигментов не привышает более 15%, а органических не более 3%. Примен. белые и цветные ПЦ для получения декорат-го бетона и р-р архит-но-отдел-ых работ. Белый цемент получают тонким измельчением маложелезистого клинкера совм-но с активной минеральной добавкой-белым диатомитом и необх. кол-вом гипса. Цветной портландцемент изготавливают совм-ым тонким измельчением белого маложелезистого или цветного клинкера, активной минеральной добавки - белого диатомита, красящей добавки (пигмента) и гипса. Содержание в белом и цветных пц активной минеральной добавки не должно превышать 6%, а гипса вводимого для регулирования сроков схватывания и твердения-3,5%. Белый и цветной цементы измельчают до тонкости, при которой при просеивании их пробы через сито №008 проходит не менее 88% массы цемента. Белый и цветной цементы схватываются и твердеют несколько медленнее обычных пц. Их качество, прежде всего, определяется белизной, яркостью и равномерностью окраски. Хранить их и транспортировать необходимо в спец. контейнерах или бумажных мешках.

60. Цемент для асбестоцементных изделий. Портландцемент для автоклавного твердения

1. При изготовлении асбестоцементных изделий начальная гидратация цемента протекает при очень высоком водоцементном отношении; в процессе производства из сильно обводненной асбестоцементной массы отфильтровывается, отсасывается и отжимается значительное количество воды. Частички цемента должны быть достаточно тонкими, чтобы удерживаться в волокнах асбеста.

Клинкер для этого цемента должен содержать (%); трехкальциевого силиката не менее 52, а трех кальциевого алюмината не менее 3 и не более 8. Содержание свободной окиси кальция допускается не более 1, а окиси магния -- до 5%.

Для интенсификации помола клинкера допускается введение добавок, не ухудшающих качество цемента, в количестве не более 0,5% массы цемента. Начало схватывания этого цемента должно наступать не ранее 1,5 ч, а конец схватывания должен наступать не позднее 10 ч от начала затворения.

Портландцемент для производства асбестоцементных изделий делят на марки 400 и 500. Портландцемент для производства асбестоцементных изделий характеризуется практически такими же строительными свойствами, что и обычный портландцемент, и отличается от него более интенсивным твердением и ростом прочности в начальные сроки.

2. Вяжущие автоклавного твердения делят на бесклинкерные -- на основе извести с кремнеземнистыми и алюмосиликат-ными компонентами (известково-кремнеземнистые, известково-зольные, известково-шлаковые, известково-нефелиновые и т. п.) и смешанные -- на основе портландцемента или портландцемента и извести с кремнеземистыми или алюмосиликатными компонентами (песчанистые, пуццолановые и шлаковые цементы). В производстве автоклавных материалов наибольшее применение находит известково-кремнеземистое вяжущее, основными компонентами которого служат воздушная строительная известь и молотый кварцевый песок. Для автоклавных изделий применяется в большинстве случаев кальциевая известь, имеющая скорость гашения не более 20 мин. Роль кремнеземистого компонента вяжущих автоклавного твердения наряду с тонкомолотым песком могут выполнять зола-унос, другие промышленные отходы.

Твердение автоклавных материалов осуществляется в результате химических реакций между компонентами вяжущего в присутствии воды в условиях высоких давления и температуры.

Основным химическим процессом при автоклавной обработке является взаимодействие между гидроксидом кальция, кремнеземом и водой, сопровождающееся образованием гидросиликатов кальция, которые цементируют непрореагировавшие зерна в искусственные конгломераты. Скорость реакций и прочность конгломератов возрастают по мере повышения дисперсности сырьевых материалов.

61. Глиноземистый цемент

Глиноземистым цементом называют быстротвердеющее вяжущее вещ-во, состоящее преимущественно из низкоосновных алюминатов кальция и получаемое тонким измельчением обожженной до плавления или спекания сырьевой смеси извести (известняка) и бокситов. В глиноземистый цемент можно вводить до 1% добавок, не ухудшающих его качество. Содержание основных оксидов колеблется в пределах: Al₂O₃30-50%,CaO 35-45 %, SiO₂ 5-10,Fe₂O₃ 5-15. Минералогический состав глиноземистых цементов представлен преимущественно низкоосновными алюминатами кальция(CaO* Al₂O₃), которые и обуславливают его свойства как быстротвердеющего высокопрочного вяжущего вещ-ва. Нежелательно присутствие CaO*Fe₂O₃ и свободных окислов железа, не обладающих вяжущими свойствами. Сырьевым материалом при обжиге в электрических печах служит известняк или известь, бокситы. Для обжига сырьевых материалов применяют тепловые установки различных конструкций. Выбор определяется качеством сырьевых материалов. Обжиг можно вести до спекания и до плавления. Бетоны на глиноземистом цементе хорошо сопротивляются действию высоких температур до 1200-1400⁰С. Плотность 3,1-3,3 г/см³, водопотребность 24-28%, начало схватывания теста наступает не ранее 30 мин, а конец должен наступать не позднее 12ч. Бетоны на глиноземистом цементе характеризуются высокой водостойкостью, морозостойкостью и жаростойкостью. Этот цемент применяют при возведении бетонных и железобетонных конструкций, если необходимо получить высокую прочность бетона в очень короткий срок, особенно при пониженных температурах окружающей среды.

62. Кислотостойкий цемент. Цемент для дорожного полотна

1. Кислотостойкий цемент. Для получения кислотостойкого цемента берут по весу 25-30% растворимого стекла и 70-75% порошкообразной смеси (кварцевый песок с кремнефтористым натрием). Окиси кремния в кислотостойком цементе должно содержаться не менее 92%. Кислотостойкий цемент твердеет на сухом воздухе за счет выделения аморфного кремнезёма под действием углекислоты воздуха. Процесс, происходящий при твердении кислотостойкого цемента, можно активизировать нагреванием до 60- 170° С. Выделяющийся аморфный кремнезем является тем веществом, которое связывает отдельные частички наполнителя и ускоряет процесс схватывания и твердения вяжущего. Реакция перехода растворимого стекла в нерастворимые соединения особенно хорошо протекает при добавке к нему кремнефтористого натрия и одновременно мела, молотого шлака, диатомита. Начало схватывания такого цемента должно наступать не ранее чем через 30 мин, конец - не позднее чем через 6 ч после затворения. При кипячении сухих составляющих кислотостойкого цемента в серной кислоте плотностью 1,84*10³ кг/м³ потеря его в весе не должна превышать 7%. Предел прочности при растяжении образцов через 30 суток твердения на воздухе или после кипячения в растворе серной кислоты должен быть не ниже 20*10⁵ н/м². Кислотостойкий цемент на базе растворимого стекла не стоек к воздействию фосфорной, фтористоводородной и кремнефтористоводородной кислот, а также щелочей.

2. Бетон в дорожных покрытиях пост.подвергается мех-им, физ-им и хим-им воздействиям. Дорожный пц получают совместным помолом п/ц клинкера сод-го более 8% алюмината, гипса до 3,5% в пересчете на серный ангидрит. также доп-ся введение доменного гранул-го шлака до 15%. Марки цемента 400,500 прим. для устройства бетонных покрытий автомагистралей, аэродромов, которые должны иметь повышенную долговечность, стойкость особенно к истирающим и ударным нагрузкам.

63. Смешанные вяжущие вещ-ва. Безусадочные, расширяющиеся, напрягающиеся

Смешивание различных чистых вяжущих друг с другом и с некоторыми добавками позволяет получать композиции, характеризующиеся специальными свойствами или свойствами, присущими каждому компоненту. Смешиванием определенных вяжущих можно получить расширяющие и напрягающие цементы. Расширяющиеся цементы получают на основе глиноземистого цемента (быстро схватывается и твердеет) или портландемента (медленно твердеет). В качестве расширяющих добавок предложено значительное количество вещ-в, среди кот алюминаты и сульфаты кальция. В зависимости от рода факторов (состава цементов, тепловой режим твердения) свободное линейное расширение изготовленных из них бетонов может изменяться от долей процента до 1,5-3% без нарушения сплошности тела. Этот цемент характеризуется высокой водонепроницаемость. Напрягающиеся цементы готовятся совместным помолом до удельной поверхности 4000-4500 см2/г смеси двуводного гипса, высокоглиноземистого компонента и портландцементного клинкера. Достоинства напрягающего цемента трудно переоценить - это бензо-, водо-, газонепроницаемость конструкций, а также их повышенная устойчивость к образованию трещин, которая обеспечивается за счет создания в них самонапряжения, то есть предварительного напряжения. Напрягающий цемент НЦ широко применяется для возведения подводных и подземных напорных сооружений, например, резервуаров, труб, технологических емкостей; его используют при создании аэродромных, дорожных и других видов покрытий, в местах напряжения стыков отдельных элементов сооружений, особенно тех, которые находятся под давлением газа или жидкости, а также для усиления конструкций.



64. Гипсо-цементно-пуццолановое вяжущие вещ-ва

ГЦПВ получают, смешивая полуводный гипс, портландцемент и любую кислую активную минеральную (пуццолановую) добавку, при этом она должна быть высушена и измельчена до остатка на не более 10% на сите № 008. Смеси гипсового вяжущего относятся к неустойчивым смесям, т.е. при затворении с водой они быстро твердеют, но ч/з 1-3 месяца появляются деформации, характеризующиеся не только падением прочности, но и разрушением. Если к этой смеси добавить опред. количество пуццолановых добавок, содержащих кремнезем в активной форме, то достигается полная их стабильность и рост прочности. Прочность этих бетонов ч/з 2-3 ч после изготовления достигает 30-40 % марочной. В качестве пуццолановых добавок используют обычно такие материалы, как трепел, опоки, диатомит, глины. Нежелательно применять высокоактивные кислые минеральные добавки.

Бетоны и изделия на ГЦПВ характеризуются морозостойкостью 20-50 циклов в зависимости от состава вяжущих, их удельного расхода, вида, состава и плотности бетонов. По сульфатостойкости эти вяжущие равноценны сульфатостойким портландцементам.

Размещено на Allbest.ru