1. Определение гидравлических вяжущих веществ. Портландцемент: определение, классификация, основные строительные свойства.

Гидравлические вяжущие способны твердеть и длительное время сохранять прочность не только на воздухе, но и в воде. Причем, находясь в воде, они могут повышать свою прочность. По химическому составу гидравлические вяжущие представляют собой сложные системы, состоящие в основном из соединений четырех оксидов: СаО – SiО₂ – А1₂О₃ – Fe₂О₃. Эти соединения образуют основные типы гидравлических вяжущих

1. – гидравлическая известь и портландцемент

2 – силикатные цементы, состоящие преимущественно (>75 %) из силикатов кальция; к ним относятся портландцемент и его разновидности; это главные вяжущие в современном строительстве;

3 – алюминатные цементы, состоящие в основном из алюминатов кальция; это – глиноземистый цемент и его разновидности;

Портландцемент называют гидравлическое вяжущее вещество, в составе которого преобладают силикаты кальция (70-80%). ПЦ – продукт тонкого измельчения клинкера с добавкой гипсового камня (3-5%). Клинкер представляет собой зернистый материал, получаемый обжигом до спекания сырьевой смеси, состоящей в основном из известняка, глины.

Клинкер – полуфабрикат до измельчения цемента. Ρ=3050-3150 кг/м³. При затворении цемента водой происходит частичный гидролиз и гидратация минерального клинкера.

Вещественный состав, классификация:

• ЦЕМ 1 – чистый цемент

• ЦЕМ 2 – с минеральными добавками до 20%

• ЦЕМ 3 – шлакопортландцемент (до 30%)

• ЦЕМ 4 – пуццолановый цемент

• ЦЕМ 5 – композициионный цемент

По прочности классы:

• 22,5

• 32,5

• 42,5

• 52,5

По прочности на сжатие в возрасте 2(7) суток (скорости твердения) каждый класс цементов, кроме класса 22,5 подразделяется на быстротвердеющие и нормально твердеющие.

Средняя плотность ρ_m 1000-1100 кг/м³ Истинная плотность ρ 3,05-3,15 г/м³  Тонкость помола оценивается остатками на ситах 008 при просеивании предварительно высушенной пробы. Остаток на сите должен быть не более 15%. Наряду с ситовым анализом для оценки дисперсности (тонкости помола) проводят определение удельной поверхности на специальном приборе. Удельная поверхность - это суммарная площадь боковой поверхности всех зерен в 1г. Цемента. Обычно удельная поверхность составляет 2500-3000 см²/г. Чем тоньше помол тем быстрее сроки схватывания, скорость твердения и больше прочность цементного камня.

 Водопотребность это количество воды, необходимое для получения цементного теста нормальной густоты. Нормальной считается густота, при которой пестик прибора Вика, погруженный в кольцо с цементным тестом, не доходит до пластинки на 5-7 мм. Водопотребность портландцемента составляет 22-28 % , а при введении минеральных добавок 32-37%.

 Сроки схватывания определяются с помощью прибора Вика по глубине проникновения иглы в цементное тесто нормальной густоты. Началом схватывания считается время, прошедшее от момента затворения теста до момента, когда игла погружается в тесто на 1-2 мм. Конец схватывания это время, прошедшее от начала затворения до момента, когда игла погружается только на 1-2 мм в цементное тесто. Для портландцемента начало схватывания не должно наступать ранее 45 мин., а конец схватывания – не позднее 12 часов.

 Равномерность изменения объёма устанавливают на образцах, лепёшках из цементного теста нормальной густоты, при кипячении в течение 3 часов через 24 часа после изготовления. Цемент считается выдержавшим испытание, если лепёшка не деформировалась, и не образовались радиальные трещины. Появление трещин обусловлено наличием свободного CaO и MgO. Эти вещества при взаимодействии с водой увеличиваются в объёме, что приводит к разрушению цементного камня.

40. Портландцемент: определение, химический и минеральный составы, основные способы производства.

Портландцемент называют гидравлическое вяжущее вещество, в составе которого преобладают силикаты кальция (70-80%). ПЦ – продукт тонкого измельчения клинкера с добавкой гипсового камня (3-5%). Клинкер представляет собой зернистый материал, получаемый обжигом до спекания сырьевой смеси, состоящей в основном из известняка, глины.

Природный гипс добавляют к клинкеру при помоле в количестве 3–5 % от клинкера. Добавка гипса играет важную роль в качестве регулятора сроков схватывания. Без добавки гипса цемент будет очень быстро схватываться и иметь пониженную прочность.

При помоле клинкера в количестве до 20 % можно добавлять активные минеральные добавки. Используют добавки осадочного происхождения: диатомит, трепел (их можно вводить до 10 %); вулканического происхождения – вулканические пеплы, туфы, пемза (до 15 %), а также доменные гранулированные шлаки (до 20 °%). В зависимости от содержания минеральных добавок портландцемент имеет обозначения: ПЦ–Д0 (без добавок), ПЦ–Д5 (до 5 % добавок), ПЦ–Д20 (до 20 % добавок).

Химический состав портландцемента по массе СаО содержание 64–67 %, SiO₂ содержание 24–25 %, А1₂О₃ содержание 4–8 % Fe₂O₃ содержание 2–4 %, MgO – 1-2% H₂O

Суммарное содержание основных оксидов составляет 95–97 %. В небольших количествах в составе различных соединений могут входить MgO, Na₂O, K₂O, TiO₂, Cr₂O₃, P₂O₅, играющие определенную роль в свойствах портландцемента.

Минеральный состав клинкера

Включает ряд искусственных минералов, образовавшихся при обжиге и состоящих из перечисленных выше оксидов. Ориентировочное содержание основных четырех минералов в клинкере составляет (в процентах по массе):

Трехкальциевый силикат (алит) 3CaO SiО₂ (C₃S) – 40–65,

Двухкальциевый силикат (белит) 2CaO–SiO₂ (C₂S) – 15–40,

трехкальциевый алюминат (целит) СаО A1₂O₃ (С₃А) – 5–15,

четырехкальциевый алюмоферрит 4CaO A1₂O₃ Fe₂O₃ (C₄AF) – 10–20.

Алит C₃S – главный минерал цементного клинкера – обладает большой активностью в реакции с водой. Алит быстро твердеет и набирает высокую прочность.

Белит C₂S – значительно менее активен, чем алит. Твердение белита происходит медленно, к месячному сроку продукт его твердения обладает невысокой прочностью, но при длительном твердении (несколько лет) его прочность неуклонно возрастает и достигает высоких значений (при положительной температуре и влажной среде).

Трехкальциевый алюминат С₃А – самый активный клинкерный минерал, отличающийся быстрым взаимодействием с водой. При твердении в чистом виде он характеризуется низкими показателями прочности, но в сочетании с другими компонентами цементного клинкера и относительно небольшом содержании (5–12 %) этот минерал способствует быстрому росту прочности в первые сутки твердения цемента.

Четырехкальциевый алюмоферрит C₄AF – характеризуется умеренным тепловыделением и по скорости твердения занимает промежуточное положение между трехкальциевым и двухкальциевым силикатами. Прочность продуктов его гидратации в ранние сроки ниже, чем у алита, но выше, чем у белита.

Помимо этих основных составляющих в клинкере содержатся также и некоторые другие кристаллические образования, в частности СаО и MgO в свободном состоянии, а также клинкерное стекло. Располагая данными о минеральном составе клинкера и зная свойства клинкерных минералов, можно заранее предопределить основные свойства цемента и особенности его твердения в различных условиях эксплуатации.

Производство портландцемента:

• Добыча сырьевых материалов

• Дробление,помол и усреднение материалов и приготовление сырьевой смеси

• Обжиг (ради получения клинкера)

• Помол клинкера в порошок

Готовят сырьевую смесь:

• Мокрым способом (смешение с водой)

• Сухим способом

• Комбинированным – сначала мокрый, потом обезвоженный

Сухой способ заключается в измельчении и тесном смешении сухих поэтому сырьевая смесь получается в виде минерального порошка, называемого сырьевой мукой.Тонкое измельчение совместно известняка и глины осуществляют в трубных (шаровых) мельницах. При сухом способе производства затраты тепла на обжиг в 1,5-2 раза меньше, чем при мокром. Мокрый способ применяют, если мягкое сырье (мел, глина) имеют значительную влажность. Тонкое измельчение и смешение исходных материалов осуществляется в водной среде, поэтому сырьевая смесь получается в виде жидкотекучей массы – шлама с большим содержанием воды (35-45%). Основным недостатком является высокая энергоемкость получения клинкера. Комбинированный способ заключается в том, что приготовленный шлам до поступления в печь обезвоживается на специальных установках. Это дает возможность на 20-30% снизить расход топлива при обжиге по сравнению с мокрым.