Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки России

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тульский Государственный университет»

Кафедра геотехнологий и строительства подземных сооружений

Реферат

на тему:

Портландцемент и его свойства

Выполнил: ст. гр. 330211

Кормакова О.С.

Тула 2012г.

1. Портландцемент и его свойства

Минералогический состав портландцемента

В процессе обжига сырьевой смеси перечисленные окислы вступают в химическое взаимодействие.

При сухом способе тонкое измельчение исходного сырья -- помол -- осуществляют в сухом состоянии. Тщательное смешивание производят в специальных смесителях. В строительстве наиболее распространен мокрый способ, при котором удается достичь хорошей гомогенности сырьевой смеси, что в конечном итоге обусловливает получение цемента с более высокими и стабильными качествами. В настоящее время в связи с созданием оборудования, обеспечивающего хорошую гомогенизацию в смеси тонкомолотых порошков, сухой способ как более экономичный (не требующий теплоты на испарение воды) и, следовательно, перспективный находит все большее применение. В нашей стране действует несколько крупных цементных заводов, работающих по сухому способу.

Обжиг смеси производится во вращающихся печах, представляющих собой металлические цилиндры, обложенные внутри огнеупорной футеровкой. Печь укладывают на специальные катки с небольшим уклоном к поверхности земли, за счет чего по мере вращения сырьевая смесь продвигается по печи от приподнятого конца к опущенному. Длина печи достигает 180 м, а иногда доходит до 250 м, диаметр -- до 6 м.

По мере продвижения смесь подсушивается, скатывается в шарики и под действием высокой температуры (1450... 1500 °С) спекается в гранулы размером 5...20 мм и более'. Затем гранулы охлаждаются сначала в печи, в зоне охлаждения, впоследствии -- в специальных устройствах -- холодильниках.

За последние годы разработан новый способ обжига клинкера. В печи силикатный расплав заменен расплавом на основе хлористого кальция. Существенно снижается температура обжига (1100...1150 °С), в 3...4 раза облегчается помол, но в цементе появляется минерал -- алинит, содержащий алюмохлоридсиликат кальция. Этот цемент быстрее твердеет в начальные сроки.

Остывший клинкер подвергают размолу чаще всего в шаровых мельницах, представляющих собой металлические цилиндры диаметром до 3,5 и длиной до 15...20 м, которые выложены изнутри бронированными плитами. Мельницы имеют 2...3 камеры, отделенные друг от друга металлическими перегородками с отверстиями для прохождения размалываемого материала.

Размол клинкера и постепенное продвижение размалываемого материала обеспечиваются при вращении за счет наклона мельницы. По выходе из шаровой мельницы портландцемент подают на склад в силосы, где он остывает и выдерживается некоторое время, достаточное для стабилизации. Необходимость выдержки обусловливается тем, что при помоле, особенно если осуществляется помол еще не совсем остывшего клинкера (максимальная температура клинкера, подаваемого в шаровую мельницу, не должна превышать 50 °С), происходит дегидратация вводимого гипса, получаемый при этом цемент будет обладать нестандартными сроками схватывания (ложное схватывание).

Свойства портландцемента

К основным техническим свойствам портландцемента относятся: истинная плотность, средняя плотность, тонкость помола, сроки схватывания, нормальная густота (водопот-ребность цемента), равномерность изменения объема цементного теста, прочность затвердевшего цементного раствора. Истинная плотность цемента находится в пределах 3000...3200 кг/м , плотность в рыхлом состоянии -- 900..Л300 кг/м3, в уплотненном (слежавшемся) -- 1200... 1300 кг/м . Тонкость помола характеризуется остатком на сите № 08 или удельной поверхностью, проверяемой на специальном приборе ПСХ. Согласно ГОСТу через сито № 08 должно проходить не менее 85 % массы пробы, удельная поверхность при этом (поверхность зерен цемента общей массой 1 г) должна быть 2500...3000 см2/г.

Нормальная густота цементного теста (количество воды в % от массы цемента) определяется погружением пестика, укрепляемого на штанге прибора Вика, и колеблется в пределах 21...28 %. Она зависит от минералогического состава цемента и тонкости помола. Изучение процесса твердения цемента показало, что в зависимости от вида цемента, сроков и условий твердения он присоединяет воды 15...25 % от своей массы. При использовании цемента в растворах и бетонах расходуемое количество воды значительно больше (40... 70 %), оно, в частности, зависит и от нормальной густоты цементного теста. Излишки воды со временем испаряются, оставляя поры, что ухудшает качество цементного камня, а следовательно, раствора и бетона. Сроки схватывания проверяют прибором Вика на цементном тесте нормальной густоты. Согласно требованиям ГОСТа начало схватывания должно быть не ранее 45 мин; конец -- не позднее 10 ч (нормально -- 2...3 ч), однако по согласованию с потребителями эти сроки могут существенно отличаться. О равномерности изменения объема цементного теста в процессе твердения судят по характеру трещин на образцах-лепешках, изготовленных по методике, изложенной в ГОСТе.

Если в цементе в результате нарушений технологического процесса при изготовлении окажется много свободных осадков кальция и магния, то процесс их гашения при затворении цемента водой будет протекать замедленно (температура обжига клинкера значительно выше температуры обжига при получении извести-кипелки, процесс гашения которой протекает довольно быстро). Это явление может привести к разрушению уже затвердевшего цементного камня. Для предотвращения подобных явлений при оценке качества цемента и проводят испытание на равномерность изменения объема.

Одним из основных свойств цемента является прочность, которая определяется в положенные сроки испытанием образцов-балочек размером 40x40x160 мм первоначально на изгиб, а затем половинок -- на сжатие. Балочки готовят из раствора состава 1:3 (1 ч. по массе цемента, 3 ч.-- нормального Вольского песка) при водоцементном отношении (отношении количества воды к количеству цемента), равном 0,4. Водоцементное отношение в свою очередь проверяется, а при необходимости корректируется по расплаву конуса на встряхивающем столике. Расплыв усеченного конуса из растворной смеси, изготовленного в форме высотой 60 мм и основаниями верхним с внутренним диаметром 70 мм и нижним --100 мм, после 30 встряхиваний должен быть в пределах 106...115 мм. При отсутствии встряхивающего столика испытанна проводят на стандартной лабораторной виброплощадке. В этом случае' после 20 с вибрирования расплыв должен быть (170 ± 5) км.

Твердение цемента

Класс прочности -- условное обозначение одного из значений параметрического ряда по прочности в максимальные сроки, установленные нормативным документом.

Как характеристика прочности цемента класс прочности, например, по ГОСТ 30744, определяется параллельно или вместо марки цемента. В дальнейшем, при изменении нормативной документации с целью её приближения к европейским нормам (EN-197), класс прочности полностью заменит марку цемента. В соответствии с ГОСТ 30515, цементы по прочности при сжатии и средним значениям нормируемой стандартной прочности подразделяют на классы 22,5; 32,5; 42,5; 52,5. Эти классы прочности примерно соответствуют маркам 300, 400, 500 и 600 действующего стандарта ГОСТ 10178. Кроме пределов верхнего и нижнего значений 28 суточной прочности при сжатии (прочность при изгибе не определяется), для отнесения цемента к определённому классу прочности необходимо обеспечить значение ранней прочности (2-х или 7-и суточной). Цементы класса прочности 32,5 и выше могут выпускаться в виде быстро-твердеющих цементов при их соответствии требованиям к быстротвердеющим цементам в ранние сроки (2 сут.): 32,5Б > 10 МПа, 42,5Б >20 МПа и 52,5Б>30 МПа. См. также ГОСТ 31108.

Марка портландцемента

Марка портландцемента -- условное обозначение, выражающее минимальные требования к пределу прочности при сжатии образцов из стандартного цементного раствора, изготовленных, твердевших и испытанных в условиях и в сроки, установленные нормативной документацией (ГОСТ 10178, ГОСТ310). Марку портландцемента получают путём округления в низшую сторону до целых значений (400, 500, 550 и 600) прочностного ряда в кг/см2, определяемого соответствующим стандартом (например, в данном случае, ГОСТ 10178), величин прочности при сжатии образцов -- половинок призм размером 4Ч4 Ч 16 см, предварительно испытанных на прочность при изгибе в возрасте 28 сут. Образцы изготавливаются (ГОСТ 310) из растворной смеси 1:3 на стандартном нормальном песке при В/Ц близком к 0,40, хранятся до испытаний в течение суток при влажности не менее 90%, а затем до 28 сут. в воде при температуре 20?2°С.

Для отнесения цемента к определённой марке, кроме нормируемых значений прочности при сжатии в возрасте 28 сут, должны быть также определены нормируемые значения прочности при изгибе, а для быстротвердеющего портландцемента и шлакопортландцемента, кроме прочности в 28 сут., также нормируемые значения прочности при сжатии и изгибе в возрасте 3 сут.

Кроме предусмотренных ГОСТ 10178 марок 400, 500, 550 и 600, производитель цемента по техническим условиям может выпускать цементы более низких (300, 200) или более высоких марок (700 и выше).

Наряду с характеристикой прочности цемента путём отнесения его к той или иной марке, нормативные документы (ГОСТ 30515, ГОСТ 30744, ГОСТ 31108} предусматривают возможность отнесения цемента к определённому классу прочности.

Быстротвердеющий портландцемент

Быстротвердеющий портландцемент -- 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. По ГОСТ 10178 к быстротвердеющим цементам (Б) относят портландцементы с минеральными добавками (ПЦД20-Б) и шлакопортландцементы (ШПЦ-Б), соответствующие следующим показателям прочности:

В ряде случаев, требованиям повышенной начальной прочности, характерной для быстротвердеющих цементов, отвечают рядовые высокопрочные цементы.

По проектам российских стандартов (ГОСТ 31108-2003), приближенных к европейским нормам (EN), для быстротвердеющих цементов нормируется повышенная, по сравнению с нормально твердеющими цементами, прочность при сжатии в возрасте 2 сут., а также прочность при сжатии в 28 сут. По стандарту EN-197 начальная прочность (2 сут.) для быстротвердеющего цемента R класса прочности 32,5 R должна превышать 10 МПа, для класса прочности 42,5 R -- 20 МПа, а для 52,5 R -- 30 МПа.

По уровню строительно-технических свойств быстротвердеющие цементы, кроме темпа набора прочности (обеспечение прочности в 2-3 сут.), не отличаются от рядовых портландцементов той же марки (класса прочности).

К специфическим особенностям таких цементов можно отнести лишь их пониженную воздухостойкость (атмосферостойкость), обусловленную их высокой удельной поверхностью.

Производство этого типа цементов основывается на обеспечении более высокой тонкости помола (по сравнению с рядовыми) цементов, нормировании вещественного состава (содержание и вид гидравлических добавок) и оптимизации минералогического состава клинкеров.

Применительно к составам сухих строительных смесей использование быстротвердеющих цементов может быть предпочтительнее применения рядовых цементов тех же марок (класса прочности) для многих рецептур: шпатлёвок, клеёв, ремонтных, гидроизоляционных и др., однако производитель сухих смесей при разработке рецептур и регламентации сроков хранения смесей должен учесть вероятность более быстрой потери активности таких цементов во времени.

Высокопрочные портландцементы

Высокопрочные портландцементы -- цементы на основе портландцементного клинкера, обеспечивающие получение в нормальных условиях твердения значения предела прочности при сжатии стандартных образцов в возрасте 28 суток твердения, превышающие 50 МПа, что соответствует марке 500 и выше (ГОСТ 10178) или классу прочности 52,5 и выше (ГОСТ 30515).

Такая оценка цементов по прочности достаточно условна: она характеризует только потенциальную способность цемента образовывать высокопрочный камень (раствор, бетон). Следует иметь в виду, что прямая зависимость прочности раствора и бетона от значения прочности (активности) цемента наблюдается только при особых условиях. Кроме активности цемента, прочность искусственного камня зависит от многих факторов: содержания, вида и свойств заполнителей, значения В/Ц и др., и, например, на основе цемента марки 500 может быть приготовлен бетон как марки 200, так и марки 700.

Высокопрочные портландцементы чаще всего являются бездобавочными, или содержат небольшое количество активной гидравлической добавки (5-7%). Условия получения таких цементов: нормирование минералогического состава клинкера (применение алитово-алюминатных клинкеров), обеспечение высокой удельной поверхности цемента (450 мг/кг и более), обеспечение оптимального гранулометрического состава, получение клинкеров определённого структурного типа и др.

Высокопрочные цементы, характеризующиеся активностью, превышающей нормированные показатели (например, по ГОСТ 10178), могут выпускаться производителем цемента по техническим условиям (ТУ), в соответствии с которыми может предусматриваться выпуск цементов марок 700 и выше.

Свойства высокопрочных портландцементе в отличаются от свойств рядовых портландцементов; помимо более высокой прочности в 28 суток, в большинстве случаев такие цементы характеризуются более высокой прочностью в ранние сроки твердения, быстрым темпом набора прочности, а также, при правильном подборе состава растворов и бетонов, более высокой морозостойкостью, коррозионной устойчивостью, низкой водопроницаемостью. Для высокопрочных цементов (500, 550 и 600) по ГОСТ 10178 прочность в ранние сроки твердения не нормируется, однако в проектах стандартов, приближённых к европейским нормам (ГОСТ 31108-2003), для них нормируется значение прочности в ранние сроки твердения (2 или 7 сут.). Цементы, характеризующиеся более высокой ранней прочностью, чем это предусмотрено для рядовых цементов, относят к быстротвердеющим.

Пуццолановый портландцемент

Пуццолановый портландцемент -- гидравлическое вяжущее вещество, продукт совместного размола портландцементного клинкера гипса и активной минеральной пуццолановой добавки или смешения тех же раздельно размолотых компонентов.

Высокая коррозионная стойкость цементного камня на пуццолановом портландцементе к действию пресных и минерализованных вод, в том числе к сульфатной коррозии, явились основой для отнесения этого цемента к группе «сульфатостойких» -- ГОСТ 22266. Содержание пуццолановой добавки в таком цементе находится в пределах 20-40%. При твердении пуццолановых портландцементов цементный камень характеризуется низким содержанием Са(ОН) 2 и пониженной основностью цементного геля.

Пуццолановые портландцементы характеризуются несколько более низкой, чем у портландцемента, плотностью (2,7-2,9 г/см3), повышенной нормальной густотой цементного теста (30% и более), замедленной скоростью твердения в начальные сроки, особенно при низких положительных температурах (< +10°С), низким тепловыделением при твердении, пониженной морозостойкостью, повышенными усадочными деформациями при высыхании.

Основные области применения пуццолановых портландцементов -- подземные и подводные конструкции, подвергающиеся действию пресных и минерализованных вод, в том числе сульфатных: плотины, шлюзы, каналы, туннели, фундаменты и подвалы промышленных и гражданских зданий. Ограничения использования такого цемента распространяются на сооружения, находящиеся в зоне переменного воздействия воды, и подвергающиеся попеременному увлажнению-высыханию и замораживанию-оттаиванию.

Цветные портландцементы

Цветные портландцементы -- цементы, получаемые совместным размолом белого портландцементного клинкера, гипса, минеральных или органических пигментов и активных минеральных добавок.

Цемент, выпускаемый по ГОСТ 15825, соответствует цветам: красному, жёлтому, зелёному, голубому, розовому, коричневому и чёрному, для производства которых используются природные и искусственные пигменты: минеральные, а для голубого и зелёного цветов -- щелочестойкие органические по соответствующей нормативной документации. Содержание пигмента в цветных цементах ограничивается 15% для минеральных и 0,5% -- для органических пигментов. Суммарное содержание пигментов и активных добавок в цементе не должно превышать 20%. Кроме цвета, светостойкости и щелочестойкости, для цветных цементов определяют уровень строительно-технических свойств. Цветные цементы по ГОСТ 15825 выпускают марок 300, 400 и 500. По уровню строительно-технических свойств эти цементы соответствуют рядовым портландцементам тех же марок.

Цветные цементы, выпускаемые производителями по техническим условиям, характеризуются более широкой цветовой гаммой и получают их, как правило, не путём совместного размола белых клинкеров с пигментами, а смешением готового белого портландцемента и пигментов. Основным условием производства таких цементов является обеспечение тщательной диспергации пигмента при смешении компонентов.

Цветные цементы при производстве сухих смесей применяют для производства цветных затирок для укладки облицовочных плиток, цветных цементных декоративных растворных и бетонных смесей, штукатурок, шпатлёвок. Применение цветных цементов при производстве сухих смесей предпочтительнее использования в качестве компонентов сухих смесей белых цементов и пигментов с позиций обеспечения лучшего диспергирования пигмента в сухой смеси.

Гидратация портландцемента

Твердение портландцемента, т. е. его последовательное превращение после смешивания с водой (затворения) в начале в пластичное тесто, затем потеря тестом пластичности (схватывание) и его последующее твердение (формирование искусственного камня) является сложным и многостадийным физико-химическим процессом, основанным на химическом взаимодействии фазовых составляющих цемента и воды (гидратации цемента). В ходе гидратации цемента безводные клинкерные минералы -- силикаты, алюминаты и алюмоферриты кальция превращаются в соответствующие кристаллогидраты -- гидросиликаты, гидроалюминаты, гидроферриты кальция, гидроксид кальция. Например, гидратация основной фазы портландцемента -- алита, являющегося носителем основных свойств и определённым «символом» портландцемента, происходит по следующей условной схеме реакции гидролитического разложения:

2Ca3SiO5 + 6Н2О -> Ca3Si2O*3H2O + ЗСа(ОН)2.

При обычных условиях твердения -70% C3S гидратируется за 28 сут., а полная гидратация этой фазовой составляющей цемента может наступить за 1 год и более. По аналогичной схеме гидратируется второй силикат портландцемента -- белит (СЭ5), однако, его гидратация протекает медленнее (степень гидратации за 28 сут. -30%), и в результате гидролиза образуется меньшее количество гидроксида кальция (СН). Продуктами реакций гидратации являются слабозакристаллизованные (почти аморфные) гидросиликаты кальция, обладающие свойствами геля, и гидроксид кальция (СН). Гидросиликаты кальция (аморфные или слабозакристаллизованные), образующиеся при гидратации C2S и C3S, фактически не соответствуют какому-либо определённому соединению, а имеют обширную область составов, обозначаемую общим понятием -- гель С-S-H. Поскольку портландцемент полиминерален и, кроме силикатов кальция, содержит алюминатные, ферритные и сульфатные фазы, реальные продукты гидратации цемента ещё более сложны, они представляют собой тонкую смесь C-S-H геля с продуктами гидратации и взаимодействия алюминатных, ферритных и сульфатных фаз (фазы AFm и AFt). Иногда продукты гидратации цемента обобщают и называют цементным гелем, хотя фактически, кроме действительно слабозакристаллизованных (гелевидных) гидросиликатных и гидроалюминатных фаз, они включают достаточно крупные кристаллы портландита Са(ОН)2.

Сроки схватывания портландцемента

Сроки схватывания портландцемента -- время потери пластичности цементного теста нормальной густоты, определяемое по погружению иглы прибора Вика (ГОСТ 310). Этот показатель нормируется по ГОСТ 10178 как начало схватывания (не ранее 45 мин.) и конец схватывания (не позднее 10 ч) и является важным параметром, поскольку он связан с таким свойством растворных смесей, как живучесть. Цементы, сроки схватывания которых выходят за нормируемые пределы, относятся к быстросхватывающимся ил и, в некоторых случаях, к цементам с «ложным схватыванием». Определённые неудобства вызывает применение медленно схватывающихся цементов (начало схватывания более 4-5 ч).

Быстрое схватывание цементов упрощённо можно свести к практически мгновенной гидратации фазы С3А, которая замедляется при взаимодействии с гипсом, присутствующим в цементе. При недостатке гипса быстрое схватывание цементного теста приводит к необратимым последствиям -- загустеванию смеси, что делает её непригодной для использования.

Факторами, определяющими сроки схватывания портландцемента, являются:

· вещественный состав цемента (присутствие в цементе гидравлических или инертных добавок замедляет схватывание);

· минералогический состав клинкера (цементы на основе высокоалюминатных клинкеров схватываются быстрее);

· тонкость помола цемента (чем тоньше размолот цемент, тем, при прочих равных условиях, он быстрее схватывается);

· содержание в цементе щелочей (Na2O+0,658K20) = R20. При высоком содержании щелочей (> 1,0%) сроки схватывания сокращаются, что может быть причиной быстрого схватывания даже при предельно допустимом содержании гипса (4% SO3);

· сроки схватывания удлиняются при повышении В/Ц и при снижении температуры твердения.

При использовании сухих строительных смесей может возникнуть необходимость дополнительного регулирования сроков схватывания и обеспечения заданной живучести смеси. В этом случае применяют систему специально разработанных добавок, как ускорителей, так и замедлителей схватывания

Строительно-технические свойства портландцемента

Строительно-технические свойства портландцемента -- комплекс характеристик, определяющих условия (способы) применения портландцемента, а также технические характеристики и долговечность цементного камня. Поскольку цемент при его практическом применении претерпевает фазово-минералогические превращения в ряду: цемент (порошок) -- цементное тесто -- цементный камень, свойства портландцемента удобно рассматривать отдельно для каждого из этих трёх состояний материала.

Так, к свойствам цементного порошка относят его состав, дисперсность (тонкость помола), эффективную и насыпную плотность, воздухостойкость, температуру при отгрузке, цвет.

Характеристиками цементного теста являются его водопотребность, соответствующая нормальной густоте цементного теста (1:0), плотность цементного теста, водоотделение (седиментация), водоудерживающая способность, сроки схватывания, живучесть, время загустевания, возможность проявления «ложного схватывания», тепловыделение при гидратации цемента. В ряде случаев определяют пластифицируемость цементного теста

Цементный камень характеризуют по абсолютному значению скорости (типу) набора прочности (сжатие, изгиб, прочность сцепления с основанием), деформациям при твердении (равномерность изменения объёма, расширение, усадка при высыхании (трещиностойкость), химическая усадка (контракция), ползучесть).

Одной из главных характеристик цементного камня является характеристика его поровой структуры (общая пористость, распределение пор по размерам). С ней связаны основные свойства цементного камня, определяющие его долговечность: проницаемость, химическая и биологическая коррозия, морозостойкость, склонность к высолообразованию. В число характеристик цементного камня входят также его термические свойства: теплопроводность, коэффициент термического расширения (КТР), огнестойкость, жаростойкость.

Вышеприведённый перечень свойств портландцемента не является исчерпывающим, т.к. каждой области применения цемента соответствует свой набор технических характеристик.

Перечисленные свойства портландцемента могут быть отнесены: к свойствам, нормируемым по нормативным документам на общестроительные или специальные цементы (например, по ГОСТ 10178) или к свойствам, определяемым факультативно (рекомендуемым), Соотношение нормируемых и факультативных свойств цемента может периодически меняться при изменении нормативных документов на цементы. Так, например, по ГОСТ 30515 к обязательным показателям качества общестроительных цементов относят: прочность при сжатии (изгибе), вещественный состав, равномерность изменения объёма, содержание MgO, SO3, Сl- в клинкере, а также активность естественных радионуклидов. Все остальные показатели качества, например: сроки схватывания, тонкость помола, подвижность цементного теста и др. является рекомендуемыми.

Список литературы

1. Воробьев В.А., Комар А.Г. «Стройиздат» 1971 г.

2. Домокеев А.Г. «Строительные материалы» 1988 г.

3. Рыбьев И.А. «Строительное материаловедение» 2004 г.

Размещено на Allbest.ru