Краткие теоретические сведения. Портландцемент- гидравлическое вяжущее, получаемое тонким измельчением портландцементного клинкера и небольшого количества гипса (1,5

Портландцемент - гидравлическое вяжущее, получаемое тонким измельчением портландцементного клинкера и небольшого количества гипса (1,5... 3 %). Клинкер получают обжигом до спекания сырьевой смеси, обеспечивающей в портландцементе преобладание силикатов кальция. К клинкеру для замедления схватывания цемента добавляют гипс. Для улучшения некоторых свойств и снижения стоимости пор­тландцемента допускается введение минеральных добавок.

Производство портландцемента. Основные операции при получении портландцемен­та: приготовление сырьевой смеси, обжиг ее до получения цементного клинкера и помол клинкера совместно с добавками.

Соотношение компонентов сырьевой смеси выбирают с таким расчетом, чтобы полученный при обжиге клинкер имел следующий химический состав (%): СаО - 62... 68, SiО₂ - 18... 26, А1₂О_з - 4... 9, Fе₂Оз - 2... 6.

Максимальная температура обжига 1450°С. Удаляется из сырья СО₂, а оксид кальция СаО, образовавшийся в результате разложения известняка, взаимодействует с кислотными оксидами SiО₂, А1₂О_з и Fе₂Оз, образующимися при разложении глины. Продукты взаимодействия, частично плавясь и спекаясь друг с другом, образуют так называемый портландцементный клинкер - плотные твердые ку­ски серого цвета. В состав портландцементного клинкера входят четыре основных минерала и небольшое количество стеклообраз­ного вещества.

Таблица 27. Минералогический состав портландцементного клинкера

Для получения портландцемента клинкер размалывают в трубных или шаровых мельницах с гипсом и другими добавками. Свойства портландцемента зависят от его минерального состава и тонкости помола клинкера.

Твердение портландцемента. При смешивании с водой частицы портландцемента начинают растворяться, причем одновременно может происходить гидролиз (разложение водой) и гидратация (присоединение воды) продуктов растворения с образованием гидратных соединений. По этой схеме (гидролиз и гидратация) взаимодействуют с водой главные компоненты клинкера алит СзS и белит C₂S:

2(3СаО · SiО₂) + 6Н₂О ~ 3СаО · SiО₂. 3Н₂О + 3Са(ОН)₂ (40)

2(2СаО · SiО₂) + 4Н₂О ~ 3СаО · SiО₂. 3Н₂О + Са(ОН)₂ (41)

Необходимо подчеркнуть особенности этих реакций:

• СзS взаимодействует с водой намного активнее, чем C₂S;

• при взаимодействии силикатов кальция с водой выделяется растворимый в воде компонент Са(ОН)₂ -воздушная известь, создаю­щая щелочную реакцию в твердеющем цементе;

• СзS выделяет Са(ОН)₂ в 3 раза больше, чем C₂S; общее количество Са(ОН) ₂ достигает 15 % от массы цементного камня.

Алюминат кальция СзА подвергается только гидратации, причем этот процесс идет очень быстро с образованием крупных кристаллов

3СаО · А1₂О_з + 6Н₂О → 3СаО· А1₂О_з · 6Н₂О (42)

Добавка гипса, вводимая при помоле клинкера, изменяет характер начального периода твердения СзА и замедляет схватывание цемента на несколько часов из-за образования эттрингита 3СаО · А1₂О_з ·3CaS0₄· (31 - 33)Н₂О.

Четырехкальциевый алюмоферрит С₄АF взаимодействует с водой медленнее, чем СзА, образуя гидроалюминат и гидроферрит кальция.

4СаО · А1₂О_з · Fe₂О₃ + mН₂О → 3СаО· А1₂О_з · 6Н₂О + СаО· Fe₂О_з · nН₂О (43)

Основной продукт твердения портландцемента - гидросиликаты кальция – практически нерастворимы в воде. Они выпадают из рас­твора сначала в виде геля (жесткого студня). Этот гель пронизывают, укрепляя его, кристаллы Са(ОН)₂. Гель гидросиликатов кальция со временем кристаллизуется. Остальные продукты взаимодействия клин­кера с водой также участвуют в формировании структуры цементного камня и, естественно, влияют на его свойства.

Процесс гидратации зерен портландцемента из-за малой их раство­римости растягивается на длительное время (месяцы и годы). Чтобы этот процесс мог протекать, необходимо постоянное присутст­вие воды в твердеющем материале. Однако нарастание прочности со временем замедляется. Поэтому качество цемента принято оценивать по прочности, набираемой им в первые 28 суток твердения.