Анализ портландцементов

Контроль в производстве силикатных материалов

Силикаты - соли кремниевых кислот естественного происхождения или переработанные в тот или иной продукт (кирпич, бетон, цемент и др.). В природе силикаты широко представлены в виде минералов, входят в состав большинства горных пород. Главнейшими минералами земной коры являются алюмосиликаты (55%), кварц (12%), слюды (3%). Силикаты составляют минеральную основу почв: кварцевый песок, глины, слюды и другие осадочные породы; встречаются в лунном грунте, каменных метеоритах и др.

Силикатные материалы - горные породы, цементы, керамика, стекло, эмали, строительные (бетоны) и конструкционные материалы обычно содержат кремниевую кислоту, а так же оксид алюминия, оксиды железа, титана, марганца, магния, кальция, натрия, калия, оксид углерода (IV), фтор, хлор. Так же силикаты содержат менее распространенные элементы: бор, барий, цинк, олово, свинец, сурьму, мышьяк, бериллий, цирконий, литий, небольшие количества хрома и никеля.

Физико-химические свойства цементов определяют по стандартам и аттестованным методикам, предусмотренным в нормативных документах на цемент конкретного вида или группу конкретной продукции. Химический анализ цементов и клинкера проводится по ГОСТ 5382.

Показатели качества, установленные в нормативных документа на цементы подразделяются на обязательные и рекомендуемые.

Номенклатура обязательных показателей следующая: прочность на сжатие и (или) изгиб, МПа; вещественный состав, %; равномерность изменения объема; время загустения, мин; плотность цементного теста, г/см³; минералогический состав, %; содержание оксида серы (VI) SO₃, %; содержание оксида алюминия Al₂O₃, %; содержание хрома в степени окисления +6 (Cr⁶⁺), %; и др.

Показатели качества: тонкость помола, сроки схватывания, огнеупорность, морозостойкость, растекаемость цементного теста, водонепроницаемость, потери массы при прокаливании и другие показатели качестваявляются рекомендуемыми. При разработке нормативных документов на новые виды цементов отдельные рекомендуемые показатели качества могут быть установлены как обязательные.

 

Анализ портландцементов

 

Цементы, порошкообразные минеральные вяжущие материалы. При взаимодействии с водой или водными растворами солей, цементы образуют пластичную массу, которая со временем превращается в твердое камневидное тело - цементный камень. Это основной строительный материал, который так же применяют для изготовления самостоятельного строительного материала - бетона и железобетона.

Сырьем для получения цементов служат природные материалы (известковые, глинистые, гипсовые, глиноземистые породы) и промышленные отходы (металлургические и топливные шлаки, золы от сжигания углей и др.)

Производство цемента включает приготовление сырьевой смеси (дробление, тонкий помол, перемешивание и корректировка химического состава исходной смеси), обжиг сырьевой смеси, помол обожженного продукта (клинкера) до порошкообразного состояния вместе с небольшим количеством гипса, активными (шлак, зола, пемза) и неактивными при взаимодействии с водой (кварц, минеральные добавки) и другими веществами, придающими цементам нужные свойства.

По назначению цементы подразделяют на общестроительные и специальные. По вещественному составу подразделяют на типы, характеризующиеся различным видом и содержанием минеральных добавок. Вид и содержание минеральных добавок регламентируют в нормативных документах на цемент конкретного вида или группу конкретной продукции. А так же цементы классифицируют по виду клинкера и по прочности на сжатие.

Наибольшее распространение получил портландцемент (от названия города Портленд в Великобритании), в состав которого входят высокоосновные силикаты кальция. Химический состав портландцемента (без добавок), в % по массе: 62 - 76% CaO, 20 - 23% SiO₂, 4 - 7% Al₂O₃, 2 - 5% Fe₂O₃, 1 - 5% MgO. Минералогический состав, в % по массе - это твердые растворы на основе 3CaO·SiO₂ или Ca₃SiO₅ (алкит, 46 - 65%), 2CaO·SiO₂ или Ca₃SiO₄ (белит, 15 - 30%), алюминат кальция 3CaO·Al₂O₃ (3 - 14%), алюмоферрат(III) кальция 4CaO· Al2O3·Fe2O3 (10 - 18%).

Определение гигроскопической влаги в цементе.

Сущность определения сводится к высушиванию пробы цемента в сушильном шкафу. Цемент высушивают в стеклянном, предварительно доведенным до постоянной массы, открытом бюксе, при температуре 105 - 1100С, в течение 3ч до постоянной массы. После высушивания, бюкс с сухой пробой охлаждают в эксикаторе, а затем взвешивают на аналитических весах. По результатам анализа определяют массу влаги и рассчитывают массовую долю влаги (в %) в цементе.

Пример расчета гигроскопической влаги в цементе по результатам анализа.

Задача. Воздушно - сухая навеска силиката массой 0,9836г при высушивании уменьшилась в массе на 0,0198г. Вычислите массовую долю гигроскопической влаги в силикате.

Дано: mн = 0,9836 г m = 0,0198 г	W= , W=
W-?

 

Определение потерь при прокаливании

Потери при прокаливании, обозначается как (п.п.п.), характеризуют содержание летучих и разлагающихся при нагревании веществ в цементе.

Пример расчета потерь при прокаливании (п.п.п.) в силикатном материале по результатам анализа.

Задача. Воздушно - сухая навеска силиката 0,9836г при прокаливании потеряла в массе 0,0532г. Вычислите потери при прокаливании в пересчете на сухое состояние, если влажность образца составила 2,65%.

Дано: mн= 0,9836 г = 0,0532 г W = 2,65%	Решение п.п.п=
X-?

 

Определение нерастворимого остатка

Нерастворимый остаток в соляной кислоте, обозначается (н.о.), характеризует количество нерастворяющихся веществ, содержащихся в образце цемента.

Лабораторная работа

Определение кремниевой кислоты в образце цемента

При растворении навески цемента в соляной кислоте выделяется метакремниевая кислота H2SiO3.

Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3↓ + 2NaCl

Некоторая часть кремниевой кислоты остается в растворе в виде гидрозоля. Для переведения ее полностью в осадок, раствор выпаривают в фарфоровой чашке до полного высушивания. При этом золь кремниевой кислоты переходит в гель. Затем осадок переносят на фильтр и прокаливают в муфельной печи при температуре 10000C в результате кремниевая кислота теряет воду и образуется оксид кремния SiO2.

H2SiO3↓ SiO2 + H2O↑

Реактивы и оборудование. 1.Соляная кислота, HCl, ρ =1,19г/см3. 2. Нитрат серебра, AgNO3, 1% - ый раствор, подкисленный азотной кислотой. 3. Баня водяная. 4. Аналитические весы, 2 класса точности или аналогичного типа с погрешностью взвешивания не более 0,0002г. 5. Эксикатор, заполненный хлоридом кальция CaCl2, предварительно прокаленным при температуре 250-3000С в течение 1-2ч. 7. Фарфоровый тигель. 8. Фарфоровая чашка.9. Щипцы для тиглей.

Выполнение анализа: Около 0,4г испытуемого цемента взвешивают на аналитических весах с точностью 0,0002г, помещают в фарфоровую чашку, смачивают 15мл воды, прибавляют при помешивании 10мл соляной кислоты и выпаривают досуха на водяной бане. Фарфоровую чашку с сухим остатком охлаждают и смачивают 3 - 4мл соляной кислоты, накрывают чашку стеклом и оставляют стоять в течение 5мин. Затем добавляют 30мл горячей воды, накрывают стеклом, нагревают и дают раствору отстояться в течение 10мин на кипящей водяной бане. Отстоявшийся раствор над осадком фильтруют через неплотный беззольный фильтр. Осадок в чашке промывают горячей водой декантацией 5 - 6 раз, а затем переносят на фильтр и промывают горячей водой на фильтре до отрицательной реакции на хлорид ионы Cl- с нитратом серебра. Осадок на фильтре оставляют, а промывные воды вновь переносят в фарфоровую чашку (в которой проводилось выпаривание) и вторично выпаривают на водяной бане досуха и до полного удаления запаха хлористого водорода.

После охлаждения сухой остаток в чашке увлажняют соляной кислотой и вновь выделяют кремниевую кислоту: добавляют 30мл горячей воды и выдерживают на водяной бане 10мин, отфильтровывают осадок через неплотный беззольный фильтр. Осадок на фильтре присоединяют к ранее выделенному осадку кремниевой кислоты. Помещают фильтры с осадком в предварительно прокаленный до постоянной массы фарфоровый тигель, озоляют и прокаливают в муфельной печи при 1050 - 11000С в течение 30мин до постоянной массы. По истечении времени прокаливания, тигель вынимают из муфельной печи, охлаждают в эксикаторе и взвешивают на аналитических весах. Повторные прокаливания проводят до постоянной массы. Содержание массовой доли кремниевой кислоты в пересчете на оксид кремния SiO2 вычисляют по формуле:

ω (6.16)

где - масса навески цемента до прокаливания, г; a - масса прокаленного осадка SiO₂, г; фактор пересчета (аналитический множитель) кремниевой кислоты на оксид кремния; W - влажность образца цемента (массовая доля гигроскопической влаги), в %.

Фильтрат и промывные воды сохраняют для определения полуторных оксидов.