ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ (ГОСТ 10178—62]

Портландцементом называется вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельчения клинкера с гип­сом и добавками и образующее при затворении водой удобообрабатываемое тесто, способное затвердевать в воде и на воздухе.

Портландцементный клинкер обычно получают в результате обжига до спекания сырьевой смеси, со­стоящей из известняка н глины или некоторых других материалов (мергеля, нефелинового шлама, доменного шлака), обеспечивающих образование в клинкере силикатов кальция (70—80%), алюминатной и алюмо — феррнтной фазы (20—30%).

Продукт, соответствующий по составу портланд- цементному клинкеру, может быть получен также пу­тем полного расплавления сырьевой смеси.

Химико-минералогический состав портландцемент — ного клинкера характеризуется:

А) коэффициентом насыщения кремнезема известью КИ, представляющим собой отношение количества оки-" си кальция в клинкере, фактически связанного с крем — некислотой, к ее количеству, теоретически необходи­мому для полного связывания кремнекислоты в трех — кальциевый силикат:

СаОрбщ—СаОсвобL,65Ai203-0.35FeA03-0,7S03

2,8 (Si02o6m—Si02CBo6)

Величина КИ практически находится в пределах 0,85 — 0,95;

Б) силикатным (кремнеземным) модулем, пред­ставляющим собой отношение процентного содержания в клинкере кремнекислота к сумме процентного со­держания окислов алюминия и железа:

%Si02

%AIg 03+ %Fe203′

Величина этого модуля находится в пределах 1,7—

3,5;

В) глиноземным модулем, представляющим собой отношение процентного содержания в клинкере окиси алюминия к процентному содержанию окиси железа:

Гм %А12о3

ГМ =:

Fe203

Величина этого модуля для обычных портланд — цементов находится в пределах 1—2,5.

Минералогический состав. Цементный клинкер состоит из следующих основных минералов: трехкаль — циевого силиката ЗСаО — Si02(C3S) — алита, двух — кальциевого силиката 2СаО • Si02 (C2S) — белита, алю — моферритов кальция переменного состава (от C8A3F до CeAF2) и алюминатов (С3А. и СВА3).

На рис. 1-1 показана область, соответствующая составам портландцементов на тройной диаграмме СаО— —А1203—Si02. Физико-химические характеристики ми­нералов, входящих в состав портландцементного клин­кера, приведены в табл. 1-1.

Алит. Существуют три формы трехкальциевого силиката, различающиеся по составу н кристалло — оптнческим характеристикам. Кроме алита, кристалли­зующегося в моноклинной системе, и чистого C3S, от­носящегося к триклинной системе, существует трех — кальциевый силикат, содержащий небольшие примеси FeO, MgO, Р2Ов, МпО, А12Оа, Fe2Oa и кристаллизую­щийся в псевдотригональной системе. Состав алита, об­разующегося в портландцементном клинкере, можно выразить формулой 54СаО • 16Si02 ■ MgO • А1203.

ТАБЛИЦА 1-І — Кристаллооптические характеристики

Минерал

Формула

Плот­ность

Твер­дость

Область стабильности

Трехкальцие- вый силикат

3Ca0.Si02

3,2

При 1900° С и 1200— І500°С неустойчив, раз­лагается на C2S и СаО

Двухкальцне- вый силикат

2СаО ■ S1 02 а-форма а’ — форма Р-форма

■у-форма

3,4

2 ,98

5-6

Точка перехода в Р-формуот 1438 до 1456° С. Точка перехода в •у-фор — му 675°С

Стабильна ниже 1 = 675° С

Трехкальцие- вый алюминат

ЗСаО-AIs03

3,04

6

При «=1535° С диссоциирует на СаО и жидкость

Пятикальцис- вый трехалю — мииат

5СаО-ЗА1гО, 12СаО-7А1гОа стабильная форма 5Са0-ЗА1203 нестабильная форма

2,(І9

Б

Плавится при F= 1455° С

Область ста­бильности неиз­вестна

Четырехкаль- циевый алю — моферрит

4CaO-Fe203-

• AI2O3

3,77

Плавится при 1415" С, при« = = 1395° С разла­гается на жид­кость и твердое тело

Шестикаль — Циевьій диа — люмоферрит

БСаО — • 2А1Е03 ■ • Fe2Oa

Диссоциирует Гри T = 1365° С на жидкость и твердое тело

І Іериклаз

MgO

3,5В

Плавится при 2800е С

Известь

СаО

3,32

3—4

Плавится при 2570° С

Щелочные соединения

* Первый

8CaO-NaEo —

ЗАІч06 23СаО-К20- — I2SlOs

Показатель Cc

)ответст

Вует SB

Ачению N р, второй

Минералов портлалдцементного клинкера


Цвет

Кристаллическая система, габитус

Показате­ли свето­преломле­ния *

Плео­хроизм

Оптичес­кая характе­ристика


Гексагональная

1,717— 1,723

Бесцвет­ный

Светлый,

Чуть желтова­тый

Моноклинная, ромбическая

1,715- 1,737

1,717- 1,735

Моноклинная, сложное двойни — кование

2 V —боль Шоґі, 21’= =30°;

Двухосный положи­тельный


1.642. 1,645, 1.654

Ромбическая призма с совер­шенной спайно­стью по длинной ОСИ Призмы

Двухосный отрица­тельный, 2V=60°


Л=1.71

Бесцвет­ный

К убическая, мелкие кристаллы в виде шести­угольников и пря­моугольников


Бесцвет­ный То же

Кубическая, ок­руглые зерна

N = І.60Є

Вероятно, орто- ромбическая, сферолиты, состо­ящие из радиаль­ных перекрываю­щих друг друга волокон 1,687- 1,692

Двухосный отрица­тельный с большим углом оптических осей

От голу­бого до оливкового


Краснова­то-корич­невый

Ромбическая, зериа призмати­ческой формы

1.98; 2,01; 2,07

Двухосный отрица­тельный, 2V—уме­ренный

От желто­вато-ко­ричневого до корич­невого


1,87 — 1,93

Двухос­ный, 2VМалый

W=l,737

Орторомбичес — кая

Кубическая, совер­шенная спайность


W=I,837

I,695— Округлые зериа I,703 в сложных срост ках

То же

(иногда это прочерк)—Nm, третий Ng


Имеются указания на возможность образования в эли­те твердого раствора C3S и с другими, реже встречаю­щимися окислами (Сг803 и др.).

Для чистого C3S установлены две температурные области —1900 и 2070° С, в которых начинается обрат­ный процесс разложения его на C2S и СаО. Практиче­ское значение для обжига цементного клинкера имеет нижняя температурная область, так как цементный клинкер в процессе охлаждения находится некоторое время при температуре 1200—1250° С, когда может про­изойти разложение алита (рис. 1-2).

Белит. Установлено существование четырех поли­морфных форм двухкальциевого силиката: а, а’, Р и V- «-C2S образуется при температурах выше 1425— 1250°С и вследствие трудности его стабилизации прак­тически отсутствует в промышленных клинкерах. 1ІО мнению большинства исследователей, в портландце — ментном клинкере существует только Р-форма C2S.

В клинкерах, сравнительно быстро охлажденных, P-C2S (белит) присутствует в виде зерен округлой формы со слабо выраженной штриховкой (рис. 1-3). В клинке­рах, медленно охлажденных, белит наблюдается в виде образований неправильной формы, имеющих зернистую структуру и часто зазубренные края, что, вероятно, связано с выделением из его состава веществ, находив­шихся ранее в твердом растворе.

Наблюдающееся иногда рассыпание в порошок клинкеров с низким коэффициентом насыщения изве­стью происходит за счет перехода при температуре 675°С активной формы p-QS, имеющей большую плотность, в гидравлически неактивную форму YC2S, а также а—C2S в Y-C2S при температуре 800—850° С. Затормозить превращение P-C2S в Y-C2S Можно путем введения добавок, образующих с белитом твердый ра­створ, а также путем быстрого прохождения крити­ческих температур при охлаждении цементного клин­кера. Стабилизирующими добавками являются Сг203, Р2Ов, В203, NaaO и А1203 или NaaO и Fe203 и др.

Промежуточное вещество. Алюминаты и алюмо — ферриты кальция, а также некоторые другие второсте­пенные минералы входят в состав промежуточной фа­зы» которая при высоких температурах обжига нахо­дится в расплавленном состоянии.

В клинкере с невысоким КИ й обычным глинозем­ным модулем из алюминатов кальция встречаются CSA3 и С3А. В клинкерах с высоким КН наряду с алю — моферритами может содержатьси только С3А. Алюмо-

ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ (ГОСТ 10178—62]

Рис. 1-1. Область портландцемента иа тройной диаграмме СаО—АІгОг —SiOj.

Цемен­та

Са010 2030 W SO 60 70 80 SO ЬЩ

ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ (ГОСТ 10178—62]

Рис. 1-2. Начало разруше­нии кристаллов алита в ре­зультате его распада при температуре 1200—1250° С

Рис. К!. Кристаллизация белита в быстро охлажден­ных клинкерах

Ферритная часть клинкера имеет переменный состав и представляет собой твердый раствор C2F, CsA3 и не­которого количества свободной извести.

В серии твердых растворов алюмоферритов каль­ция обнаружены следующие соединения: CsAaF, C8A2F, C4AF, QAF2 И C2F. Наиболее часто встречающийся в клинкерах четырех кальциевый алюмоферрит являет­ся лишь промежуточным соединением в серии твердых растворов.

В клинкере имеются также другие кристалличе­ские и аморфные образования, содержание которых, хотя и невелико, но нежелательно. К ним относятся MgO и минералы, содержащие щелочи.

Окись магния MgO может присутствовать в цемент" ном клинкере в виде: а) минерала периклаза; б) твердо­го раствора в алюмоферритах кальция; в) раствора в стекле клинкера; г) твердого раствора в трехкаль — циевом силикате. Распределение MgO в этих фазах обус­ловливается количеством, составом и условиями кристал­лизации жидкой фазы.

Присутствие в клинкере больших количеств перн — клаза, гидратация которого происходит с увеличением объема в отдаленные сроки твердения (через год и позд­нее), может вызвать вредные внутренние напряжения в бетоне и привести к снижению его прочности, а иногда и к растрескиванию. В связи с этим содержание MgO в цементе ограничено (до 5%).

Щелочи. Соединения, содержащие щелочи, нахо­дятся в составе промежуточного вещества портланд- цементного клинкера. Окись натрия присутствует в порт­ландцементе в виде соединения На20-8Са0-ЗА1203. Окись калия образует соединенно состава К20- -23 СаО-12 Si02.

В зависимости от содержания минералов в исход­ном клинкере портландцемент может быть: высокоали- товым (>60% C3S), алитовым (50—60 C3S), белитовым «35% C2S), алюминатным (>12%С3А) и алюмофер — ритным (железистым) (<2% С3А).

Требования к химико-минералогическому составу клинкеров приведены в табл. 1-2, фактические средние данные за 1972 г. в табл. 1-3.

Важнейшим из минералов портландцементного клинкера является алит, который в основном определяет высокую прочность, быстроту твердения и другие стро­ительные свойства портландцемента. В существенной мере прочность цемента в первые сроки твердения,

ТАБЛИЦА 1-2. Требования к химико-минералогическому составу портлаидцсмсп-гоых клинкеров

Клинкер для изготовления

Показатели

Сульфато- стойкого портланд­цемента

Сульфатостой — кого пуццо — ланового портланд­цемента

Портланд­цемент а с умеренной экзотермией

Цемента для асбесто — цементных

Изделий

Дорожного цемента

Содержание C>S, %, не более. .

50

Не норми­руется

50

Не менее 50

Не норми­руется

Содержание СаЛ, %, ие более, .

5

8

S

8

10

Сумма С5д + С4ЛР, %, ие более

22

Не норми­руется

Не норми­руется

Содержание СзОсв, %, не более.

Не норми­руется

1

Не норми» руется

Содержание MgO, %, не более

5

S

5

5

5

ТАБЛИЦА 1-3. Химический и расчетный минералоги­ческий составы клинкеров цементных заводов СССР за 1972 г., %

SiO,

А1жО„

Fe,0.

СаО

MgO

SO.

Кн

19,8—24,6

3,8—

0.6—

С2.6—

0,3—

0,1—

0.8 —

7.9

5,9

67 ,ь

4,5

4,5

0,96

Продолжение табл. 1-3

SiO,

Л

Р

СаОсв

C3S

CSs

CSA

C„AF

19,8 — 24,6

1,6 —

0,7—

0.02 —

37 — 72

6—

2 —

2 —

5,30

15,6

5,67

47

20

19

Солестойкость и другие его свойства зависят от содер­жания трехкальциевого алюмината, который быстрее всего гидратируется гри затворении цемента водой.

Портландцемент можно выпускать без добавок или" с активными минеральными добавками, предусмотрен­ными ГОСТ 6269—63, в количестве до 15% массы це­мента. Требования к прочности цемента приведены в табл. 1-4.

Проникновение воды в глубину цементного зерна происходит] очень медленно и поэтому в затвердевшем цементном камне в течение десятилетий сохраняются негидратированные клинкерные частицы (табл. 1-5).

Отличительной особенностью портландцемента яв­ляется быстрое нарастание прочности (особенно у це­ментов высоких марок и у высокоалюминатных цемен­тов), полная воздухостойкость, водостойкость в прес­ной воде, достаточная морозостойкость в растворах и бетонах.

При помоле цемента вводят 3—6% гипса, который в процессе гидратации химически связывает трехкаль — циевый алюминат в новое соединение — гидросульфо — алюминат кальция — и тем самым замедляет (до 3— Б ч) схватывание цемента.

ТАБЛИЦА 1-4. Требования к прочности цементов

Цемент

Предел прочности при изгибе через 28 сут., кгс/см! (МПа), .не менее для марок

Продел прочности при сжатии через 28 сут.» кгс/см2 (МПа), ие менее для марок

200

300

400

500

600

200

300

400

500

600

45

55

60

68

300

400

500

600

(4,5)

(5,5)

(6)

(6,5)

(30)

(40)

(50)

(50)

Гидрофобный портландцемент

—.

45

55

_

_

_

300

400

_

(4,5)

(5,5)

(30)

(40)

Пластифицированный портланд­

55

300

400

500

Цемент……………………………………………….. .

45

60

(4,5)

(5,5)

(6)

(30)

(40)

(50)

Сульфатосгойки й портланд­

55

400

Цемент ‘…’..«……

(5,5)

(40)

Шлакопортландцемент ….

35

45

55

60

_

200

300

400

500

_

(3,5)

(4,5)

(5,5)

(6,0)

(20)

(30)

(40)

(50)

Пуццолановый портландце­

35

55

200

300

400

Мент……………………………………………………….

45

—»

(3,5)

(4,5)

(5,5)

(20)

(30)

(40)

ТАБЛИЦА 1-5. Глубина гидратации цементных зерен в мк (мкм)

Цемент, соединение

Продолжительность гидратации

3 ч

1 СуТ

3 сут

7 сут

28 сут

5 Мес

С, А……………………………

4.35

5.68

5,60

C. S…………………………….

1.58

2.25

-—

4,32

4,44

P-C. S…………………………

С. 28

0,62

0,83

3.5

Портландцемент 1

Р.43

2.6

5.37

8,9

» 2

0,47

I,71

3,54

6,1

Рис. 1-4. Зависимость скорости нарастания прочности портланд­цемента от его ми­нералогического со­става

1 — алитовый цемент;

2 — бглитовый цемент


57 28

Зо

180

Время# сут


ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ (ГОСТ 10178—62]

Рис. 1-5. Зависимость нарастания прочно­сти портландцемента от тонкости его по­мола


3: I*’/[1]—— ——————————— 1———— —■

G ‘500 2000 2£00 3000

^ Удільная поверхностьf см’/г


ТАБЛИЦА F-б. Зависимость прочности растворов на портландцементе от температуры окружающей среды

Прочность раствора, % от 28-суточноїі прочности при t = 15°С

Н Температура твердения, °С

С. г: С С

I

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1

I

2

6

10

14

19

24

29

34

40

24

2

3

8

13

19

25

32

40

48

57

67

80

3

5

12

19

26

35

44

52

61

70

79

90

10

20

30

39

48

57

65

74

82

91

100

7

16

27

39

50

59

68

76

84

92

99

105

10

24

37

51

62

72

80

87

94

100

106

14

33

48

63

75

84

91

97

102

106

21

45

62

78

90

97

102

106

109

28

55

72

88

100

100

110

Добавка гипса ускоряет процесс твердения це­мента, особенно в первые дни гидратации.

Скорость нарастания прочности твердеющего порт­ландцемента зависит от его минералогического состава (рис. 1-4), тонкости помола (рис. 1-5) и водоцементного отношения, а также от температуры окружающей сре­ды (табл. 1-6) и некоторых других факторов.

Объемный деформации. Наличие в составе затвер­девшего цементного камня значительных масс гидро — енликатных гелей обусловливает в зависимости от ус­ловий твердения возникновение деформаций усадки или набухания, величина которых в некоторой степени связана и с минералогическим составом цемента. Сред­ние значения усадки и набухания цементного теста раз­личных цементов приведены на рис. 1-6.

Тепловыделение. В процессе твердения портланд­цемент выделяет тепло. Экзотермия цемента в большой степени зависит от его минералогического состава. Теплота гидратации различных клинкерных минералов следующая (табл. 1-7).

Количество тепла, выделяемого за 28 сут отдель­ными клинКернымИ минералами, колеблется в преде­лах от 40 (168) для двухкальци. йВРгсГ силиката до 210 кал/г (8^2 кДж/кг) для трехкальци№оф алюмината.

ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ (ГОСТ 10178—62]

X WOOD

5ООО

-SoeCr

Рис. 1-6. Усадка и набухание цементного теста в разных усло­виях твердения

1 — расширяющийся портландцемент при твердении в воде; 2 — То же, на воздухе; 3 — безусадочный цемент при твердении в воде; 4 — то же, на воздухе; 5 — портландцемент, твердевший 10 сут в воде, затем на воздухе; Є — портландцемент при твер­дении на воздухе

%

X V

З *

Qj

Э

U §

Г З 45 10 2DZ0W50 100 2003005001000 Время твердения сут.

Їжо


ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ (ГОСТ 10178—62]

Рис. 1-7. Изменение температуры цементного камня при твер­дении различных цементов

/ — глиноземистый; 2— расширяющийся гипсоглииоземистый; 3 — расширяющийся портландцемент; 4 — портландцемент; В — Суццолановыв портландцемент

123Ь5В7В9 W11 12 IS Ft 15 25

Время, V

ТАБЛИ ЦА 1-7. Теплота гидратации минералов лортландцемеитного клинкера

Минерал

СаА

C. S

C, AF

C2S

Теплота гидра­тации в кал/г (кДж/кг)

210(882)

120(504)

100(420)

62(260,4)

Продолжение табл. 1-7

Минерал

Твердые растворы Al203*Fe20,

1,36

0.12

0,88

0,64

Теплота гидра­тации в кал/г (кДж/кг)

144(604.8)

129(541,8)

133(558.6)

95(399)

Тепловыделение цемента зависит также от тонко­сти его помола, количества воды затворения и темпе­ратуры окружающей среды, т. е. от ряда условий, оп­ределяющих кинетику его гидратации.

На рис. 1-7 приведены кривые тепловыделения раз­личных цементов в процессе твердения.

Морозостойкость и коррозиеустойчивость порт­ландцемента в основном зависят от плотности бетона или раствора и минералогического состава цемента. Наименее морозостойки и коррозиеустойчивы цементы, в состав которых входят повышенные количества алю­минатов кальция и трехкальциевого силиката. Морозо­стойкость и коррозиеустойчивость бетона уменьшаются с увеличением его пористости и повышением тонкости помола цемента.

Морозостойкость растворов и бетонов, приготов­ленных на цементах с добавками, как правило, ниже, чем у бетонов и растворов, приготовленных на цементах без добавок. Поверхностно-активные и воздухововле — кающие добавки увеличивают морозостойкость бетонов и растворов.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *