Технологическая линия по производству общестроительных портландцементов (стр. 2 из 12)
По прочности на сжатие в возрасте 28 сут. цементы подразделяют на классы: 22,5; 32,5; 42,5; 52,5.
По прочности на сжатие в возрасте 2 (7) сут (скорости твердения) каждый класс цементов, кроме класса 22,5, подразделяют на два подкласса: Н (нормальнотвердеющий) и Б (быстротвердеющий).
Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) - цемент на основе портландцементного клинкера, обеспечивающий получение (в нормальных условиях твердения) нормативных значений прочности образцов в ранние сроки (2-3 суток), наряду с прочностью в возрасте 28 суток.
БТЦ получают совместным тонким измельчением специального портландцементного клинкера и гипса. По ГОСТ 10178-85 при помоле допускается введение не более 10 % активных минеральных добавок осадочного происхождения и не более 20 % доменных гранулированных и электротермофосфорных шлаков, глиежей. Суммарное содержание трехкальциевого и двухкальциевого силикатов (
) в клинкере по ГОСТ 31108-2003 (данный стандарт гармонизирован с EN 197-1 и действует параллельно с ГОСТ 10178-85) должно быть не менее 67 % от массы клинкера и ограниченное (до 0,5 %) количество CaOсвоб, а массовое отношение оксида кальция к оксиду кремния ( 
) - не менее 2,0. Содержание оксида магния MgO в клинкере не должно быть более 5,0 % от массы клинкера. Допускается содержание оксида магния MgO до 6,0 % от массы клинкера при условии положительных результатов испытаний цемента из данного клинкера на равномерность изменения объема в автоклаве по ГОСТ 310.3. Гипс в БТЦ вводят в обычной дозировке: в пересчете на SO3 не более 4,5 % в зависимости от минерального состава клинкера (содержания C3A) и от тонкости помола цемента.1.2. Физико-химические процессы, проходящие при твердении вяжущего.
Температура условия твердения вяжущего.
Твердение портландцемента, как и других вяжущих, является сложным комплексом взаимосвязанных химических, физико-химических и физических процессов. С химической точки зрения твердение – это переход безводных клинкерных минералов в гидраты в результате реакций гидролиза и гидратации, с физической – постепенное загустевание цементного теста и возникновение единого конгломерата из гидратированных и негидратированных частичек. [3]
Взаимодействие портландцемента с водой приводит к образованию новых гидратных веществ, обусловливающих схватывание и твердение теста, растворной или бетонной смеси. Состав новообразований зависит от химического и минерального составов цементов, а также от ряда других факторов и в первую очередь от температуры, при которой взаимодействуют компоненты.
Цементное тесто, приготовленное путем смешивания цемента с водой, имеет три периода твердения. Вначале, в течение 1 – 3 ч. после затворения цемента водой, оно пластично и легко формуется. Потом наступает схватывание, заканчивающееся через 5 – 10 ч. после затворения; в это время цементное тесто загустевает, утрачивая подвижность, но его механическая прочность еще не велика. Переход загустевшего цементного теста в твердое состояние означает конец схватывания и начало твердения, которое характерно заметным возрастанием прочности. Твердение бетона при благоприятных условиях длится годами – вплоть до полной гидратации цемента.
Сразу после затворения цемента водой начинаются химические реакции. Уже в начальной стадии процесса гидратации цемента происходит быстрое взаимодействие алита с водой с образованием гидросиликата кальция и гидроксида:
2(3CaO*SiO2) + 6H2O = 3CaO*2SiO2*3H2O + 3Ca(OH)2.
После затворения гидроксид кальция образуется из алита, так как белит гидратируется медленнее алита и при его взаимодействии с водой выделяется меньше Ca(OH)2, что видно из уравнения химической реакции:
2(2CaO*SiO2) + 4H2O = 3Ca*2SiO2*3H2O + Ca(OH)2.
Взаимодействие трехкальциевого алюмината с водой приводит к образованию гидроалюмината кальция:
3CaO*Al2O3 + 6H2O = 3CaO*Al2O3*6H2O.
Для замедления схватывания при помоле клинкера добавляют небольшое количество природного гипса (3 – 5 % от массы цемента). Сульфат кальция играет роль химически активной составляющей его в гидросульфоалюминат кальция (минерал эттрингит) в начале гидратации портландцемента:
3CaO*Al2O3 + 3(CaSO4*2H2O) + 26H2O = 3CaO*Al2O3*3CaSO4*32H2O.
В насыщенном растворе Ca(OH)2 эттрингит сначала выделяется в коллоидном тонкодисперсном состоянии, осаждаясь на поверхности частиц 3Ca*Al2O3, замедляет их гидратацию и затягивает начало схватывания цемента. Кристаллизация Ca(OH)2 из пересыщенного раствора понижает концентрацию гидроксида кальция в растворе, и эттрингит уже образуется в виде длинных иглоподобных кристаллов. Кристаллы эттрингита и обуславливают раннюю прочность затвердевшего цемента. Эттрингит, содержащий 31 – 32 молекулы кристаллизационной воды, занимает примерно вдвое больший объем по сравнению с суммой объемов реагирующих веществ (C3A и сульфат кальция). Заполняя поры цементного камня, эттрингит повышает его механическую прочность и стойкость. Структура затвердевшего цемента улучшается еще и потому, что предотвращается образование в нем слабых мест в виде рыхлых гидроалюминатов кальция.
Четырехкальциевый алюмоферрит при взаимодействии с водой расщепляется на гидроалюминат и гидроферрит:
4CaO*Al2O3*Fe2O3 + m*H2O = 3CaO*Al2O3*6H2O + CaO*Fe2O3*nH2O.
Гидроалюминат связывается добавкой природного гипса, как указано выше, а гидроферрит входит в состав цементного геля.
Температура оказывает очень большое влияние на твердение портландцемента. При температурах от 0 до 8 оС происходит значительное (в 2 – 3 раза) по сравнению с твердением при обычных температурах замедление этих процессов, а ниже 0 оС они почти полностью прекращаются. Повышение же температуры твердеющих растворов и бетонов сопровождается большим ускорением роста прочности. Оно становится достаточно заметным уже при температуре бетонных смесей 30 – 40 оС при их твердении в теплые периоды года. В больших же массивах эти температуры могут держаться и в холодное время.
Рисунок 1.[2] Изменение прочности по времени образцов из цементного теста, твердевших при 20 оС
1 и 2 – тонкость помола 3000 и 5000 см2/г, В/Ц = 0,25;
3 и 4 – тонкость помола 3000 и 5000 см2/г, В/Ц = 0,35.
Резкое ускорение процессов твердения цементов и бетонов наступает при 70 – 95 оС и особенно при 175 – 200 оС и выше. Однако такое интенсивное воздействие температуры на твердение цементов, а, следовательно, и бетонов проявляется лишь при наличии в них воды в жидком состоянии. Недостаток воды во время твердения при повышенных температурах не только замедляет процессы гидратации, но и снижает прочность и стойкость бетонов. При полном испарении воды процессы твердения прекращаются.
Тепловлажная обработка ПЦ при повышенных температурах (80 – 200 оС) вызывает не только ускорение, но и большие изменения в химическом составе и структуре новообразований. При повышенных температурах клинкерные минералы образуют гидратные соединения с пониженным количеством молекул воды. Тепловлажностная обработка способствует увеличению размеров частичек новообразованием и тем в большей степени, чем выше температура и длительнее ее воздействие на твердеющий цемент. Все это снижает прочностные характеристики и повышает пористость цементного камня при одинаковой степени гидратации исходного вяжущего.
Тепловлажная обработка цемента при твердении тем слабее отражается на его прочности, пористости и некоторых других свойствах, чем раньше она проведена после затворения вяжущего водой при прочих равных условиях.
Рисунок 2.[2] Влияние условий твердения на некоторые свойства цементного камня
I – твердение в воде при 20 оС в течение 28 сут, степень гидратации 0,66;