|
|
ЦЕМЕНТЫ, порошкообразные минер.
вяжущие
материалы, образующие при взаимод. с водой или водными р-рами солей
пластичную массу, превращающуюся со временем в твердое камневидное тело;
осн. строит. материал.
Наиб. распространение получил т. наз. портландцемент (от назв. г. Портленд в Великобритании), содержащий гл. обр. высокоосновные силикаты кальция. Хим. состав портландцемента (без добавок), в % по массе: 62-76% СаО, 20-23% SiO2, 4-7% А12О3, 2-5% Fе2О3, 1-5% MgO; минералогич. состав, в % по массе: твердые р-ры на основе 3CaO x SiO2, или Са3SiO5 (алкит, 45-65%), 2CaO x SiO2, или Ca2SiO4 (белит, 15-30%), алюминат кальция ЗСаО x А1 Получение. Сырьем для получения
цементов служат прир. материалы (известковые, глинистые, мергелистые, гипсовые,
глиноземистые породы) и пром. отходы (металлургич. и топливные шлаки, золы
от сжигания углей, белитовый шлам, отходы от переработки нефелиновых пород
и др.).
В зависимости от метода приготовления сырьевой смеси различают сухой, мокрый и комбинир. способы произ-ва. При сухом способе сырье (известняк и глина) в процессе дробления и помола в мельницах высушивается и превращается в сырьевую муку, после чего мука поступает на обжиг. При мокром способе помол сырьевых компонентов осуществляют в мельницах в присут. воды, к-рую вводят для понижения твердости, интенсификации процесса помола и уменьшения удельного расхода энергии. Влажность сырьевой смеси (шлама), поступающего на обжиг, при мокром помоле составляет 34-43% по массе; для снижения влажности шлама к сырьевой смеси добавляют сульфитно-дрожжевую бражку, триполифосфат Na или ПАВ. При комбинированном способе сырьевая смесь готовится по предыдущей схеме, затем обезвоживается на вакуум-фильтрах или вакуум-прессах, формуется в гранулы и поступает на обжиг. В зоне спекания при т-ре 1450 °С обжигаемый материал (клинкер) частично плавится; в этой зоне образуется главный минерал клинкера ЗСаО x SiO2. При дальнейшем прохождении по печи клинкер попадает в зону охлаждения (т-ра 1000-1200 °С). Холодный клинкер дробят и тонко измельчают вместе с гипсом и др. добавками в барабанных шаровых мельницах, а затем транспортируют в железобетонные цилиндрич. емкости - т. наз. цементные силосы. Свойства. При взаимод. цементов с водой — гидратации, затворении — первоначально образуется пластичное цементное тесто, к-рое со временем на воздухе или в воде уплотняется, теряет пластичность и превращается в т. наз. цементный камень. Безводные минералы клинкера превращаются при этом в соответствующие гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферраты(III) Са, напр.: ЗСаО x SiO2 Ca2SiO4 + Н2О Ca2SiO4 х Н2О ЗСаО х А12О3 + 6Н2О ЗСаО х А12О3 х 6Н2О Образовавшийся Са(ОН)2 под действием СО2воздуха постепенно превращается в СаСО3, гидроалюминаты Са с гипсом в присут. воды дают двойные основные сульфаты, напр. Са6А12(ОН)12(SО4)3 x26Н2О и Ca4Al2(OH)12SO4 x6H2 Табл. 1.-ОСНОВНЫЕ ЦЕМЕНТЫ
*Гидрофобные добавки — мылонафт, олеиновая к-та, иногда триэтаноламин. **Пластифицирующая добавка — лигносульфонаты. ***При содержании 40-48% Al2O3 наз. обычным глиноземистым, при содержании 60-72% Al2O3 — высокоглиноземистым (талюмом), при более 72% Al2O3 — особо чистым высоко-глиноземистым. Существуют две осн. теории механизма гидратации
цементов: согласно одной из них, гидратация идет в р-ре, из к-рого выпадают образующиеся
гидраты, согласно второй — вода присоединяется к твердому в-ву. Гидратные
новообразования совместно с первоначальными частицами создают рыхлую коагуляц.
структуру, в к-рой протекают процессы кристаллизации гидратов. При этом
образуются кристаллич. сростки, пронизывающие структуру и вызывающие уплотнение
цементного теста (схватывание). Началом схватывания считается начало процесса
потери пластичности, концом — переход в плотное (хотя и непрочное) состояние.
Нарастание прочности при твердении определяется медленной кристаллизацией
гидратных составляющих цементного камня.
Табл. 2.— ПРОЧНОСТЬ НЕКОТОРЫХ
МАРОК ЦЕМЕНТОВ
Лит.: Бутт Ю.М., Сычев М.М., Тимашев В. В., Химическая технология вяжущих материалов, М., 1980; Кузнецова Т. В., Алюминатные и сульфалюминатные цементы, М., 1986; Taylor H.F.W., Cement chemistry, L., 1990. Т. В. Кузнецова.
|
|||||
маркировка и классификация, химический состав и свойства, плотность и прочность
Если посмотреть на масштабы использования цементных растворов в строительстве, создается впечатление, что такой материал был разработан несколько тысяч лет назад. Однако по-настоящему качественная технология производства и правильный состав были получены буквально недавно. Строителям важно знать, из чего делают цемент и в чем секрет изготовления качественного и долговечного сырья.
Типы вяжущих составов
Для соединения камней, из которых возводились доисторические постройки, использовалась глина. Но такое связующее вещество не поддавалось технологии обжига, поэтому большинство помещений были разрушены под воздействием эрозии, возраста и других факторов. Единственные дошедшие до нынешнего времени дома обрабатывались известковым раствором.
Еще много сотен лет назад люди дошли до мнения, что обожженный и измельченный оксид кальция, более известный как известняк, при контакте с водой начинает затвердевать, поглощая газ из воздуха, а затем становиться камнем. Из минусов подобного материала выделяют низкую устойчивость к воздействию влаги, поэтому такой вариант может быть актуальным только при производстве силикатных кирпичей.
Существует еще один тип вяжущего сырья, способного достигать высоких прочностных свойств при воздействии воздуха — гипс. Его производят посредством тепловой обработки и последующего размола природного гипсового камня (CaSO 4−2 H 2) или ангидрида CaSCu.
Гипсовые составы отличаются богатой историей применения и не теряют своей популярности до нынешнего времени. В качестве наиболее ярких примеров использования такого материала — роскошная лепнина и украшения, хорошо сохранившиеся до сегодняшнего времени.
Что касается воздушных веществ, то они могут применяться только там, где постройкам не грозит повышенная влага. В противном случае необходимо добавлять в состав гидрофобизирующие добавки или заниматься обустройством гидроизоляционного слоя. Из-за этого недостатка строители отдают предпочтение гидравлическим вяжущим растворам.
В их числе — составы, создающие гидратные соединения, способные набирать прочность в условиях повышенной влажности. При этом воздействие воды никак не грозит таким изделиям и не вызывает их деформацию.
Растворы для возведения водостойких построек создаются из гидравлической извести, которая включает в себя осадочные известковые породы — мергели, а также портландцемент. Последний компонент делает конечное изделие монолитным, гарантируя отличные прочностные свойства. Известковые варианты актуальны лишь для тех условий эксплуатации, где отсутствуют интенсивные нагрузки.
Немного истории
В поисках эффективного способа борьбы с низкой влагостойкости извести и гипса предки шли на самые смелые меры. Появление цемента произошло в результате смешивания разных минеральных веществ с водоотталкивающими характеристиками в известковые растворы. Зачастую в состав добавляли дробленные, битые кирпичи из обожженной глины и даже породу вулканического происхождения. К примеру, строители Древнего Рима делали цемент с добавками отложений пепла из вулкана Везувий.
В течение долгих лет проводились различные эксперименты, ведь спрос на доступное и надежное вяжущее вещество постоянно поднимался. Работа продолжалась до тех пор, пока строители не выработали адекватную технологию и не подобрали правильный химический состав цемента.
Значительный вклад в опыты внес военный техник из России Егор Челиев. Ему принадлежит научная работа о цементе для подводного строительства (1825 год). Также над появлением нынешнего рецепта цементного раствора трудился английских ученый Джон Аспдин, который запатентовал понятие «портландцемент». Название происходит от острова Портленд, размещенного в проливе Ла-Манш и состоящего из известковой породы.
В те времена, порода, добытая на этом острове, пользовалась большим почетом и считалась одним из наиболее престижных стройматериалов в Британии. Интересный факт: технология русского техника Челиева максимально приближена к той, что используется в современном портландцементе, а вариант Аспдина создавался без применения технологии спекания исходного сырья.
Технология производства
Современные производители цемента могут изготавливать его по разному рецепту, но общая технология производства остается одинаковой для всех марок. Основные отличия заключаются в разном исходном сырье вяжущей добавки, а весь остальной технологический процесс идентичный.
Его можно разделить на несколько стадий:
Первый этап — приготовление исходного сырья. Процедура подразумевает продолжительное измельчение известковых камней и глины, а затем смешивание компонентов в правильной пропорции. Зачастую состав цементного раствора включает в себя 3 части известняка и одну часть глины. Также в нем может присутствовать мергель, который является осадочной горной породой.- Второй этап — обжиг состава и подготовка клинкера. Исходный раствор помещается в специальный резервуар и обрабатывается под воздействием высокой температуры. Ее значение может достигать 1500 градусов Цельсия. В такой среде шлам успешно обжигается, становясь клинкером. Затем его измельчают с помощью специальных жернов до порошкообразного состояния.
- Третий, последний этап — соединение всех частей для производства портландцемента. Измельченный клинкер разбавляется гипсом в пропорции 5%, а также дополнительными минеральными компонентами.
Первый этап — приготовление исходного сырья. Процедура подразумевает продолжительное измельчение известковых камней и глины, а затем смешивание компонентов в правильной пропорции. Зачастую состав цементного раствора включает в себя 3 части известняка и одну часть глины. Также в нем может присутствовать мергель, который является осадочной горной породой.
Обзор каждого этапа
На первом этапе используется один из двух способов получения смеси — «сухой» и «мокрый». При повышенной влажности компонентов, глина и мел начинают растворяться. Чтобы удалить воду, используется технология сильного нагрева воды. В результате образуется особая смесь с мелкими частицами. «Мокрый» метод не пользуется большой популярностью ввиду своей дороговизны. Более оптимальное решение — «сухая» обработка. Она не требует кипячения сырьевой суспензии, а для измельчения раствора используется механическая технология.
Обработка сырьевого шлама методом обжига происходит в специальной цилиндровой печи. Ее диаметр составляет от 5 метров, а длина — до 200 м. Резервуар находится под небольшим уклоном, что обеспечивает свободное перемещение сырья. Под воздействием высокой температуры формируются окатанные гранулы, известные как клинкер.
После комплексного обжига готовый продукт остужается и выдерживается в течение двух недель перед окончательным измельчением. В конечном итоге его измельчают и размешивают с гипсом, что создает требуемую плотность цемента. На этом этапе происходит конечное формирование состава материала и его других свойств, включая удельный вес цемента, показатели прочности и другие характеристики.
Химическая основа
При выборе строительного материала многих покупателей интересует значение маркировки цемента. Расшифровка имеющихся показателей не занимает много времени и под силу даже начинающему строителю.
В зависимости от марки, портландцемент может обладать разной химической основой, которая обязательно включает в себя такие минеральные компоненты:
- Алит — является 3-кальциевым силикатом, занимающим 50−60% от общей доли клинкера. В молекулярной решетке этого сырья присутствуют ионы марганца, железа и алюминия, что гарантирует высокую прочность готового изделия из бетонной или растворной смеси.
- Белит — 2-кальциевый силикат, которому принадлежит 15−30% состава клинкера. Его задача заключается в обеспечении прочности в более поздние сроки.
- Алюминатная фаза — 3-кальциевый алюминат, пропорцией 5−10%. Минерал характеризуется быстрой реакцией с водой, поэтому его разбавляют гипсом.
- Ферритная фаза — 4-кальциевый алюмоферрит. Доля этого минерала в химической основе цемента не превышает 5−15%.
Алит — является 3-кальциевым силикатом, занимающим 50−60% от общей доли клинкера. В молекулярной решетке этого сырья присутствуют ионы марганца, железа и алюминия, что гарантирует высокую прочность готового изделия из бетонной или растворной смеси.При изменении пропорций этих фаз допустимо менять свойства конечной цементной смеси. Это может принести огромную пользу при отслеживании конкретной задачи.
Существующие разновидности
На рынке строительных материалов предлагается несколько разновидностей цемента. В качестве примера можно рассмотреть шлакопортландцемент, который создается посредством добавления к известному портландцементу шлака в гранулированном состоянии. Последний компонент получается в результате выплавки чугунных слитков в доменных печах. Стоят такие стройматериалы дешевле остальных, а их состав гарантирует высокую водостойкость постройки.
Популярным типом цемента является быстротвердеющий материал. В его составе присутствует большое содержание алита и алюминатной фазы. Также клинкер характеризуется мелким помолом, что сокращает сроки набора необходимых прочностных показателей.
Сульфатостойкие марки портландцемента эффективны при проведении подводных работ, возведении гидротехнических сооружений или других задачах, когда необходимо защитить объект от сульфатной коррозии. В исходном сырье такого материала минимизировано содержание 3-кальциевого алюмината и белита.
Модели с низким тепловыделением при наборе прочности задействуются для возведения массивных и объемных конструкций, которые поддаются повреждениям и трещинам во время экзотермической реакции набора прочности. Такие материалы напоминают по составу сульфатостойкий цемент.
Продукция, в основе которой лежит белый цемент, характеризуется повышенными эстетическими свойствами. Если исходное сырье состоит из окисей железа и марганца, это способствует появлению характерного серо-зеленого оттенка, что недопустимо в белом цементе. Для устранения проблемы клинкер создается из светлых, каолиновых глиняных сортов.
Есть множество других типов цементных растворов, которые могут демонстрировать следующие характеристики:
- Гидрофобность.
- Водонепроницаемость.
- Пластифицируемость.
Гидрофобность.Также на рынке доступны глиноземистые, пластифицированные, песчанистые и многие другие вяжущие составы.
Прочностные показатели
Одним из наиболее важных показателей хорошего качества такого строительного материала является прочность конечного сооружения, построенного на его основе. ГОСТ предусматривает ряд значений, которые определяются соответствующей маркировкой. Цифра указывает на прочностной предел, устойчивость к удельным нагрузкам и другие характеристики цемента. Если материал соответствует марке М400, это значит, что при проведении проверки на прочность образцы выдержали нагрузку в 400 кг/см2.
В результате лабораторных исследований удалось доказать, что минеральный состав исходного сырья является ключевым фактором, определяющим прочность цементного раствора или бетона. При грамотном подборе основных элементов можно подготовить правильную пропорцию и найти оптимальную середину между скоростью набора прочности, а также конечной величиной и устойчивостью к нагрузкам. Со временем прочность только усиливается. С помощью цемента марки М500 можно сделать высокопрочные балки и плиты, выдерживающие внушительные нагрузки.
В настоящее время существует большое разнообразие цементных и бетонных растворов, которые могут обладать разной классификацией и свойствами. В большинстве случаев выбор подходящего сырья для производства такого материала определяется экономическим фактором, ведь производителю важно сделать цемент максимально доступным и качественным.
И чтобы не ошибиться с выбором подходящей продукции, нужно взвесить массу особенностей, а также ознакомиться с основными свойствами столь важного строительного продукта. Также важно знать, из чего состоит цемент, какие бывают типы, что может означать маркировка на мешке. Совершая покупку, следует определить, для каких целей она предназначается, какими свойствами должен обладать цементный раствор. Лучше десять раз отмерить, а затем раз отрезать, нежели потом жалеть о неправильном подборе составляющих для строительства.
из чего состоит, пропорции компонентов, производство
Качества любого искусственного вяжущего определяются его способом изготовления и процентным содержанием сырьевых компонентов. Цемент не является исключением, из всех видов он относится к самым сложным. Это вещество получают путем измельчения до порошкообразного состояния гипса и обожженного однородного многокомпонентного клинкера и соединения их со специальными добавками. В итоге свойства и сфера применения вяжущего зависят от соотношения этих веществ между собой, температуры обработки и тонкости помола.
Оглавление:
- Разновидности
- Пропорции компонентов
- Особенности маркировки
Группы цементов по составу
Главными компонентами являются оксиды алюминия, кальция и кремния, при затворении водой они образуют химические соединения, упрочняющиеся при затвердевании во влажной среде. Общие требования регламентируются ГОСТ 30515-2013, согласно этому межгосударственному стандарту все цементы классифицируются на группы, различающиеся по виду клинкера на портландцементные, глиноземистые и смешанные (ПЦ и сульфатоалюминаты). В первом случае типичный состав содержит CaО (67%), SiO2 (22%), Al2O3 (5%), Fe2O2 (3%) и до 3% посторонних веществ.
Для производства глиноземистых и высокоглиноземистых цементов в качестве сырья используются бокситы и известняки (преобладает доля низкоосновных алюминатов кальция, процентное содержание Al2O3 возрастает до 50 %). Соотношения остальных компонентов у них зависят от целевого назначения и варьируются в следующих пределах: СаО – 35-45 %; А12О3 – 30-50 %; Fe2O3 – 0-15 %; SiO2 – 5-15 %. Для изготовления сульфатсодержащих смесей используются клинкеры на основе ферритов кальция.
В зависимости от пропорций компонентов и вещественного состава выделяют следующие востребованные в частном и промышленном строительстве группы:
- Портландцементы – самая популярная разновидность, представляющая смесь тонкого помола клинкера с преобладающей долей высокоосновных силикатов кальция и гипса. Сырьем служат известняк (до 78%) и глина (до 25%).
- Глиноземистые, изготавливаемые путем помола сырья из бокситов и известняков, обожженных или расплавленных до однородного состояния. Эти виды характеризуются высокой скоростью затвердевания, их используют как в качестве самостоятельного вяжущего, так и для производства специальных марок: водонепроницаемых, расширяющихся, напрягающихся. Из-за повышенной твердости клинкера они проигрывают портландцементу в энергозатратности и себестоимости.
- Шлакопортландцементы – с долей доменного, электротермофосфорного или топливных шлаков от 36 до 65%.
- Пуццолановые, с добавлением к продуктам помола ПЦ клинкера активных минеральных добавок. Их пропорция достигает 40%, из-за образования химических реакций с зернами цемента они имеют отличные от обычных марок свойства.
- Смешанные – получаемые путем совместного помола клинкеров разных видов или вводом многокомпонентных минеральных смесей (например, шлака и золы-уноса).
К реже используемым видам относят романцемент (соединение помола ПЦ клинкера и известняковых и магнезиальных мергелей, не производится промышленных масштабах), магнезиальные (затворяемые солевыми растворами, характеризующиеся высокой скоростью схватывания и стойкостью к механическим нагрузкам после застывания) и кислотоупорные составы на основе кварца, разводимые жидким стеклом.
Химический состав цементов разных групп
Пропорции клинкера и остальных компонентов:
| Наименование | Вещественный состав сухой смеси, % | Минералогический состав клинкера, в % по массе | ||
| Доля клинкера | Доля гипса | Другие добавки | ||
| Обычный ПЦ | До 80 | 1,5-3,5 | Минеральные примеси – до 20% | ЗСаО х SiO2 – 45-67 2CaO х SiO2 – 13-35 ЗСаО х Al2O3 – 2-12 4СаО хAl2O3 х Fe2O3 – 8-16 |
| Гидрофобный | До 90 | — | Мылонафт, олеиновые кислоты – до 0,05 | |
| Тампонажный | — | Активная минеральная добавка – до 25 инертная – до 10 шлак – до 15 песок – до 10 пластификаторы – 0,15 | ||
| Шлако-портландцемент | 40-70 | До 3,5 | Гранулированный диатомитовый шлак – 30-60 | |
| Пластифицированный | До 90 | — | пластификаторы – 0,15-0,25 | |
| Быстротвердеющий | 90 | 1,5-3,5 | Активная минеральная добавка – до 10 | ЗСаО х SiO2 и ЗСаО х Al2O3 – до 65 2CaO х SiO2 и 4СаО хAl2O3 х Fe2O3 до 33 |
| Высокопрочный | 90 | 1,5-3 | — | ЗСаО х SiO2 – до 70 ЗСаО х Al2O3 – 8 |
| Декоративный (белый цемент) | 80-85 | — | Диатомит – 6 Инертная минеральная добавка – 10-15 | 3CaO х SiО2 – 45-50 2CaO х SiO2 – 23-37 ЗСаО х Al2O3 – до 15 4СаОхAl2O3хFe2О3 – до 2 |
| Пуццолановый сульфатостойкий | До 60 | До 3,5 | Породы осадочного происхождения – 20-35 Лава, обожженная глина, топливная зола-унос – 25-40 | ЗСаО х SiO2 — до 50 ЗСаО х Al2O3 – 5 ЗСаО х Al2O3 и 4СаОхAl2O3хFe2О3 – 22 Al2O3— 5 MgO – 5
|
| Сульфатостойкий | До 96 | До 3,5 | — | |
| Глиноземистый | 99 | 1 | Точные пропорции зависят от назначения СаО·Аl2О3 – преобладающая доля СА2 С12А7 C2S 2СаО·Аl2О3·2SiO2 | |
| То же, расширяющийся | До 70 | 20 | Бура – 10 | |
| Напрягающийся | Клинкер ПЦ – 65-70 Глинозем – 13-20 | 6-10 | Совместный помол глиноземистого и портландцементного клинкера | |
Сфера применения и основные свойства разновидностей приведены ниже:
| Наименование | Оптимальная область использования, преимущества | Ограничения, возможные недостатки |
| Портландцемент | Монолитные и сборные бетонные и ж/б конструкции, изготовление растворов, дорожное строительство | Окончательный набор прочности – через 28 дней |
| ЩПЦ | Массивные сооружения, подвергаемые воздействию пресных и минерализованных вод. Характеризуется повышенной сульфатостойкостью | Медленное затвердевании в начале, низкая морозостойкость |
| Пуццолановый | Подземные и подводные конструкции, подверженные агрессивному воздействию сульфатных вод | Не рекомендуются для объектов с перепадами уровня влажности, при риске частых промерзаний или твердении раствора в сухих условиях |
| Глиноземистый | Производство жаростойких строительных смесей, быстротвердеющих или аварийных бетонов | Не используются для заливки массивных конструкций, максимально допустимая температура окружающего воздуха на начальной стадии затвердевания составляет +25 °C |
| Напрягающий | Изготовление тонкостенных изделий, напорных ж/б труб, гидроизолирующих покрытий | Зависят от марки, возможны ограничения в температуре эксплуатации. Единственным недостатком является сложный процесс производства, и как следствие – высокая цена |
Основные марки
Вид выбранного вяжущего определяет пропорции и свойства строительных смесей. Важно заранее проверить, из чего состоит цемент, величину его водопотребности, размеров зерен и сроки схватывания. Главным критерием качества является прочность на сжатие, в лаборатории она определяется для изделий из ЦПР, смешанного в соотношении 1:3 и затвердевающего в нормальных условиях в течение 28 дней. В зависимости от выдерживаемого давления выделяют группы от 100 до 600 кг/см2. Из них в частном строительстве наиболее востребованы марки от М300 до М500, но бывают и исключения.
Следующим фактором идет процентное соотношение добавок к клинкеру, у стандартных видов максимум составляет 20%. Маркировка этого показателя обозначается буквой «Д», идущее за ней число характеризует долю минеральных примесей (пример: ПЦ М400 Д0 указывается для портландцемента с прочностью на сжатие не менее 400 кг/см2 без добавок). Приведенная маркировка соответствует ГОСТ 10178-85, помимо вышеперечисленной она включает информацию о дополнительных свойствах (обозначается только при их наличии), также зависящих от состава клинкера и введенных добавок. Из них наиболее востребованы:
- Н – нормированный;
- Б – быстротвердеющий;
- СС – сульфатостойкий;
- ВРЦ – расширяющийся водонепроницаемый;
- ПЛ – с пластификаторами;
- БЦ – белый (декоративный) цемент.
С 2003 г вступил в силу ГОСТ 31108 (соответствующий евростандартам), согласно которому вначале указывается состав с примечанием о наличии или отсутствии добавок (II или I). Все варианты с минеральными примесями разделяются на две группы: А – с процентным содержанием от 6 до 60%, Б – от 21 до 35%. Тип добавки обозначают римскими цифрами. Последними идут класс прочности и норма сжатия материала. Стандартный диапазон для общестроительных смесей варьируется от 22,5 до 52,5 (соответствует марке от М300 до М600). Для исключения ошибок рядом с маркировкой всегда указывается ГОСТ, введение цемента осуществляется со строгим соблюдением пропорций.
Химический состав цемента
Цемент участвует при постройке практически всех конструкций зданий, он является незаменимым материалом, со временем лишь увеличивающим свою популярность и распространенность.
Из цемента изготавливаются различные виды бетона: тяжелые и легкие, керамзитобетон, ячеистый бетон, фибробетон, полистиролбетон, опилкобетон, декоративный бетон, бетон для фундамента, и даже прозрачный бетон. Свойства цемента определяются его химическим составом.
Химический состав цемента может варьироваться в зависимости от химического состава сырья, из которого происходит изготовление цемента, а также от технологии производства цемента, и этот момент является определяющим фактором качества цемента. Цемент в основном состоит из оксидов железа, магния, алюминия, кремния, кальция. При производстве цемента во время обжига в печи происходят различные химические реакции, благодаря которым и получается цемент. Различные вариации соотношений исходных материалов влияют на свойства цемента и его цвет.
Оксид железа в составе цемента
Оксид железа является очень важным элементом, он оказывает огромное влияние на качество химического состава железа. При содержании в цементе 10% оксидов железа качество цемента наибольшее, ведь при таком количестве оксиды железа оказывают наиболее благоприятное влияние на образование минералов. Но чем больше оксидов железа используется, тем ниже становится качество цемента. Верхней планкой содержания оксида железа в химическом составе цемента является 25%. А при создании жаростойких конструкций оксид железа в составе цемента вообще не используется.
Интересный момент: например, если снизить количество железа в цементе — он станет светлее. Это так называемый белый цемент, который используется в основном в декоративных целях и стоит до трех раз дороже обычного цемента. А повышение содержания железа в химическом составе цемента сделает его серым.
Оксид алюминия в составе цемента
Так же в химический состав цемента, как писалось выше, входит оксид алюминия. У качественных цементов содержания оксида алюминия не должно быть меньше 60%, увеличение количества оксида алюминия повышает огнеупорность цемента.
Оксид кальция в составе цемента
Еще один важнейший оксид — оксид кальция. Оксид кальция содержится практически во всех исходных материалах и используется в любой технологии производства цемента. Этот оксид определяет прочность готового цементного камня. В зависимости от объема оксида кальция, содержащегося в цементе, цемент разделяется на высокоизвестковый и низкоизвестковый. В первом случае содержание оксида кальция более 40%, во втором менее 40%.
Оксиды магния и кремния в цементе
В химический состав цемента в малых количествах входит оксид магния и оксид кремния. Оксид магния эффективен, если его содержание не превышает 2%, содержание в составе цемента оксида кремния не должно превышать 10%.
А вот от оксида хрома вообще производители стараются избавляться, он в любых количествах отрицательно сказывается на возможности цемента вступать в химические реакции.
Применение асбеста
При создании разных строительных материалов с цементом может использоваться асбест. Цемент свяжет асбест и предотвратит появления асбестовой пыли, что сделает строительные материалы абсолютно безопасными для человека.
При этом качество материала существенно улучшится, ведь добавление асбеста помогает выдерживать растяжение, с чем простой бетон справляется не очень хорошо.
Также будет интересным почитать:
на Ваш сайт.
Химический состав цемента | Строим вместе дом.com
Для получения цемента необходимо соединить два технологических процесса последовательно. Вначале получение цементного клинкера, а после на его основе — вяжущего вещества. Процесс производства цемента можно рассмотреть на примере портландцементного клинкера.
Для получения портландцементного клинкера необходимо взять 73—75 % известняка (СаСО3) и 25—27 % глины. Глина состоит из кремнезёма (Si02), глинозёма (Аl2О3), оксидов железа (Fe2O3) и др. Эта сырьевая смесь может быть как природного происхождения (мергели, мергелистые известняки), так и искусственно приготовленная. Но, по причине редкости данного состава в природе, часто производителям цемента приходится ориентироваться в основном на искусственные сырьевые смеси.
Портландцементный клинкер получают путём приготовления сырьевой смеси надлежащего состава (так называемого – шлама) и обжигу её до спекания при температуре 1450 °С. Обжиг производят во вращающихся цилиндрических печах, футерованных огнеупорным материалом внутри. Диаметр таких печей может быть 4-7м и длина – 95-230м. Эти параметры печей зависят от способа производства цемента. Способы производства цемента подразделяются на мокрый, сухой и комбинированный. Не будем отходить от темы – химический состав цемента, и продолжим.
В процессе обжига (при t= 1000—1100 °С) из известняка образуются оксиды кальция (СаО), которые при дальнейшем повышении температуры вступают в химическое взаимодействие с составляющими глины. В результате чего образуются сложные химические соединения, которые после тонкого измельчения и затворения водой способны твердеть, или превращаться в цементный камень. Эти соединения, которые и отражают химический состав цемента, называют клинкерными минералами.
Основные клинкерные минералы – это алит, белит, целит и четырёхкалъциевый алюмоферрит. Сейчас более подробно разберём минералогический состав цемента.
Алит (трёхкальциевый силикат — ЗСаО•SiO2) — содержится в количестве 45—65 %. Это один из важнейших клинкерных минералов, определяющий время твердения, прочность и другие свойства. Отличается высокой химической активностью, скоростью твердения и прочностью, т. е. повышенное содержание в клинкере алита обеспечивает получение быстротвердеющего и высокопрочного портландцемента. При твердении алита выделяется много теплоты.
Белит (двухкалъциевый силикат — 2СаО•SiO2) — содержится в количестве 20—35 %, менее активен, чем алит. Твердеет медленно, но продолжительное время и в последующем набирает достаточно высокую прочность. При твердении выделяет мало теплоты.
Целит (трёхкальциевый алюминат — ЗСаО•Al2O3) — содержится в количестве 4—12 %. Очень быстро взаимодействует с водой (гидратируется) и твердеет, выделяя при этом большое количество теплоты. Имеет небольшую прочность и малую стойкость против воздействия сернокислых соединений.
Четырёхкалъциевый алюмоферрит (браунмиллерит — 4СаО•Al2O3•Fe2O3) — содержится в количестве 10—20 %. Твердеет медленнее, чем алит, но быстрее, чем белит. Прочность тоже несколько ниже, чем у алита.
Так как каждый из этих минералов имеет свои специфические свойства, то и минеральный состав цемента с содержанием одного или двух преимущественных минералов так же получает присущие им свойства и соответствующее название (алитовый, белитовый, алюминатный, алюмоферритный).
Охлаждённый клинкер размалывают совместно с добавками и получают портландцемент. Вводимые при помоле клинкера добавки снижают стоимость портландцемента и регулируют его свойства. К примеру, делают его гидрофильным или гидрофобным, снижают водопотребность, увеличивают водо- и коррозионную стойкость, усиливают декоративные свойства, ускоряют или замедляют процессы схватывания и твердения, то есть позволяют получать цементы с заранее заданными свойствами.
Можно конечно было написать и так:
– химический состав портландцемента: СаО – 60…67%; SiO2 – 19…24%; Al2O3 – 4…8%; Fe2O3– 2…6%; MgО – ≤5%; SiO3 – 1…4%; свободный СаО – ≤5%.
Вышеуказанные оксиды находятся в сложных соединениях – клинкерных минералах, о которых вы прочли еще выше, то есть те самые алит, белит, целит и браунмиллерит.
Состав цемента: компоненты, пропорции и соотношение
Сложно найти более востребованный строительный материал, чем цемент. Он широко применяется практически во всех отраслях строительной индустрии, да и в обустройстве жилища и подворья тоже. Поэтому классическое соотношение, в котором цемент составляет одну часть, а песок три, знают все. Если в этот состав добавить еще и необходимую часть воды, то получится раствор, который применяется, например, для штукатурки.
Оглавление:
- Типы цементов по химическому составу
- Маркировка в соответствии с прочностью
- Другие виды маркировки
В цемент обычно входит меленый клинкер, а также гипс, глина, известняк, уголь и другие минеральные вещества. Характеристики, которыми обладает эта смесь, определяют пропорции, в которых входят в нее те или иные компоненты.
Если дать краткое определение, то цемент — это общее название целой группы вяжущих веществ, которые твердеют после смешивания с водой, не теряя потом полученной твердости.
Химический состав различных видов
В зависимости от того, какой состав имеет та или иная смесь измельченных минералов, какие дополнительные компоненты и добавки в нее входят, каково их соотношение, цемент делят на следующие группы:
- портландцемент;
- пуццолановый;
- шлаковый;
- глиноземистый;
- романоцемент;
- смешанный с наполнителями;
- магнезиальный;
- специальный (кислотоупорный).
Некоторые виды имеют множество подвидов. Например, группа, которую объединяет название портландцемент, включает в себя алюмоферритный, алюминатный, ферритный, белитовый, алитовый.
Что входит в состав различных групп?
О том, из чего состоит цемент, можно написать не одну большую книгу. Как уже указывалось, цемент – лишь общее название огромной группы строительных материалов, которые объединяет не столько состав (входящие в них компоненты и их соотношение), сколько предназначение.
Химический состав некоторых групп цементов в общих чертах описан ниже.
1. Портландцемент – это смесь, в которую входят продукты тонкого размола клинкера и гипса. Именно гипс и является основным вяжущим веществом. С химической точки зрения – это смешанный в определенной пропорции сульфат кальция с разнообразными силикатами кальция. Доля последних может составлять до восьмидесяти процентов. Исходное сырье, из которого производится портландцемент, представляет собой субстанцию, состоящую из известняка (до 78 %) и глин (до 25 %).
2. Глиноземистый представляет собой смесь клинкера, бокситов и других минералов. Состав по массе: от трети до половины оксида алюминия, от 35 до 45 % оксида кальция, от 5 до 10 % оксида кремния и до 15 % оксидов железа. Пропорции этих компонентов определяют свойства глинозёмистого раствора. Применяется он как в качестве самостоятельного вяжущего вещества, так и в качестве добавки к другим видам.
3. Романоцемент. Это смесь, в состав которой, кроме клинкера, входят мергели, как известняковые, так и магнезиальные. Содержание в нем оксида алюминия и кремнезема не должно быть ниже четверти по весу.
4. Магнезиальный. В него обязательно входит оксид магния, а также хлорид магния и сульфат магния в качестве затворителей. Последний используется реже и, главным образом для того, чтобы достичь повышенной устойчивости к воздействию воды. Применение определяется повышенной прочностью, а также способностью быстро схватываться и твердеть. Из комбинации магнезиального цемента в определенной пропорции с другими веществами получаются очень прочные полы. Из него же делают облицовочные материалы, точильные камни, абразивные круги, жернова, лестничные ступени и другие изделия, которые обычно работают под большой нагрузкой.
К магнезиальным относится и так называемый цемент Сореля, состав которого был разработан еще в позапрошлом веке французским ученым Станиславом Сорелем.
5. Кислотоупорный состоит из жидкого стекла, которое представляет собой водный раствор силиката натрия. Наполнителями служат устойчивые к воздействию внешней среды минералы, в том числе кварциты и кварц. Использование кремнефтористого натрия способствует повышению скорости затвердевания, а также его стойкости к воздействию воды. Применяют для возведения сооружений, которые подвергаются активному воздействию агрессивных факторов. Например, башни, резервуары на предприятиях химической промышленности.
6. Цемент, смешанный с наполнителями, условно можно отнести к отдельной группе, поскольку по составу он сильно отличается от других видов.
Марки
Маркировка определяется прочностными характеристиками получившегося бетона. Для определения марок берут состав, смешанный в пропорции один к трем (одна часть материала и три части чистого кварцевого песка). Смесь в таком соотношении разбавляют водой и создают из нее небольшие блоки следующих размеров:
- длина: 16 см,
- ширина и высота: по 4 см.
После отвердения полученные изделия испытывают с различной периодичностью. Блоки сдавливают на специальном оборудовании и определяют их прочность. Максимальная прочность проявляется после четырех и более недель просушки испытательного блока. В зависимости от полученных результатов вещество относят к определенной марке.
Наименее устойчивая смесь получает маркировку М100. Это значит, что испытательный блок выдержал давление до 10 МПа, или до 100 килограмм на сантиметр квадратный. Слишком подробно не маркируют, в стандартах большинства стран мира прописан шаг в сто единиц. Но достаточно часто встречается и шаг в пятьдесят единиц.
Наиболее прочным считается вещество марки М600. Сфера его применения – особо прочные сооружения военного и промышленного назначения. Смесь М600 с различными добавками и наполнителями в определенном соотношении позволяет создавать объекты, способные выдержать прямое попадание очень мощной бомбы. Соответствует качеству и цена. Он намного дороже, чем довольно высокопрочный М500.
В гражданском строительстве и в производстве многих материалов используют в основном, пожалуй, марки М300-М500. Этого диапазона прочности хватает для того, чтобы можно было возводить сооружения и создавать изделия с нужными характеристиками.
Другие виды маркировки
Кроме марок по прочности существуют также и марки по составу. Так, аббревиатура ПЦ означает нахождение в таре портландцемента. Аббревиатура ШПЦ – это шлакопортландцемент. Латинские буквы и цифры указывают на состав такого материала. Речь идет о массовом количестве клинкера и шлака.
Отдельная маркировка указывает на то, какое количество различных добавок содержится в составе:
- к примеру, если на мешке с вяжущим материалом написано Д15, это значит, что в нем имеется 15 % определенных добавок.
- буквы ПЛ указывают на содержание пластификаторов, которые, значительно увеличивают срок его хранения. Быстротвердеющий обозначается буквой Б.
- для обозначения водонепроницаемого используют аббревиатуру ВРЦ.
Существует также множество других видов маркировки, указывающих на те или иные свойства, наличие в нем разнообразных добавок и наполнителей.
марки, состав, свойства и применение цемента ПЦ
Портландцемент (ПЦ) – наиболее распространенная разновидность строительных цементов, производство которых регламентирует ГОСТ 31108-2016. Это гидравлическое вяжущее, изготавливаемое из карбонатных пород (известняка, мела, кремнезема, глинозема), твердеет при затворении водой. Оно широко используется для изготовления цементно-песчаных растворов, бетонов, сухих строительных смесей различного назначения, применяемых в гражданском, промышленном, военном строительстве. Ассортимент различных видов и марок портландцемента позволяет выбрать подходящее вяжущее для индивидуального домостроения, массового многоэтажного строительства, сооружения объектов промышленного и инженерного назначения.
Состав портландцемента
Портландцемент получают спеканием сырьевой смеси, в состав которой входят глина (22-25 %) и известняк (75-78 %). Добыча известняка, залегающего на глубинах до 0,7-10 м, ведется открытым способом. Для изготовления портландцемента используется слой известняка желтовато-зеленоватого цвета.
Спеченная при высоких температурах гранулированная сырьевая смесь называется «клинкер». Именно его состав и характеристики определяют важные свойства цемента: прочность цементного камня и скорость ее нарастания, долговечность и стойкость к сложным эксплуатационным условиям отвердевших растворов и смесей, изготовленных на базе портландцемента.
Особенности производства портландцемента
Известняк от места добычи доставляют к месту производства портландцемента. Сырье сушат и осуществляют его первичный помол с введением специальных добавок. Полученную смесь обжигают. Образованный клинкер повторно перемалывают с введением активных добавок. Поскольку разные виды сырьевых смесей имеют индивидуальный состав, влажность и другие характеристики, каждое производство организуется по собственной технологии. Наиболее распространенные варианты:
- Сухой способ. Сырье во время или после первичного измельчения сушится. На обжиг материал поступает в сухом виде. Это наиболее экономичный вариант, не требующий затрат энергии на удаление лишней воды из шихты.
- Мокрый. Используется при производстве портландцемента из сырья, в состав которого входят мел, глина, железосодержащие добавки. Сырье измельчается в воде. Суспензия после удаления лишней воды обжигается в печи. В результате обжига получают небольшие шарики, из которых после тонкого помола образуется цемент.
- Комбинированный. Эта технология совмещает две предыдущие. Сырьевую смесь (шлам) готовят мокрым способом, после чего ее отправляют на фильтры. В результате фильтрования смесь осушается до 16-18 %. После фильтров сырье поступает на обжиг. Есть и другой вариант комбинированного способа. Шлам готовят сухим способом, добавляют в него воду, гранулируют. После обжига получают клинкер в виде гранул 10-15 мм.
Технические характеристики портландцемента
Оценка качества портландцемента осуществляется по следующим характеристикам:
- Плотность. Эта величина определяется минералогическим составом материала. В рыхлом состоянии она находится в пределах 0,9-1,3 т/м3, в уплотненном – 1,5-2 т/м3.
- Период схватывания. Эта техническая характеристика является важным свойством портландцемента. Она зависит от минералогического состава сырья, тонкости помола, водоцементного соотношения, температуры окружающей среды. Схватывание должно начаться не ранее чем через 45 минут, а закончиться – не позже, чем через 12 часов после затворения портландцемента. По нормативам портландцемент, предназначенный для создания бетонных покрытий дорог, может схватываться только через 2 часа после его затворения.
- Тонкость помола. Эта величина, равная суммарной поверхности зерен в единице массы цемента, существенно влияет на технические характеристики материала, в частности, на скорость его твердения. У обычного портландцемента тонкость помола равна 2500-3000 см2/г, быстротвердеющего – 4000-6000 см2/г.
- Равномерность изменения объема во время твердения цементной лепешки. Это одна из главных технических характеристик портландцемента. Неравномерное схватывание характерно для вяжущего, в составе которого присутствует слишком большое количество свободной извести или оксида магния. Равномерность изменения объема измеряется на четырех лепешках, которые изготавливаются из цементного теста нормальной густоты. Испытания проводят способом кипячения. Цемент считается прошедшим испытания, если на лицевой стороне всех лепешек отсутствуют: сетка мелких трещин или крупные радиальные трещины, доходящие до края.
- Водоцементное соотношение (водопотребность). Этот термин означает количество воды, необходимое для изготовления продукта требуемой пластичности. Для портландцемента водоцементное соотношение составляет примерно 25 %. При необходимости его снижения в состав сырьевой смеси вводят пластификаторы.
- Водоотделение. Этот процесс происходит при твердении строительного раствора или смеси из-за опускания частиц вяжущего и заполнителей под действием силы тяжести. Вода может выступать на поверхности бетонного элемента, между слоями укладываемой смеси или раствора, вокруг частиц заполнителя или арматурных стержней. Наличие таких тонких водных пленок внутри бетонного элемента значительно снижает его прочность и долговечность.
- Морозостойкость. Это свойство характеризует способность отвердевшего цементно-песчаного слоя или бетонной конструкции, изготовленных на базе портландцемента, выдерживать циклы замерзания/оттаивания без потери рабочих характеристик.
- Коррозионная стойкость. Ее обычно разделяют на химическую и физическую коррозионную стойкость. Химическая коррозионная стойкость зависит от минералогического состава, а именно, от способности компонентов выдерживать воздействие химически агрессивных сред. Физическую коррозионную стойкость улучшают снижением пористости бетона, уменьшением радиуса пор и их обработкой гидрорфобизирующими составами.
- Тепловыделение. Это свойство характеризует величину тепла, выделяемого в процессе гидратации цемента. Портландцемент, слишком активно выделяющий большое количество тепла, нельзя использовать при строительстве массивных сооружений из-за большой разницы в температурах на поверхности и внутри бетонного элемента. Для регулирования тепловыделения цемента применяют специальные активные добавки.
Разновидности портландцемента
Все виды портландцемента делятся на бездобавочные и добавочные. Бездобавочные ПЦ в качестве добавок содержат только гипс. Такие цементы используются для строительства надземных, подземных, подводных конструкций, изготовления железобетонных изделий, не контактирующих при эксплуатации с агрессивными средами. Активные минеральные добавки изменяют технические характеристики портландцемента в нужном направлении. С их помощью повышают водонепроницаемость, коррозионную стойкость и другие полезные свойства готовых продуктов, изготовленных на базе цемента.
В зависимости от присутствующих в составе добавок различают следующие разновидности портландцемента:
- Быстротвердеющий (БПЦ). Для этого цемента характерен быстрый набор прочности в первые дни после заливки смеси или раствора. В его составе преобладают трехкальциевый силикат и трехкальциевый алюминат. Он имеет очень высокую тонкость помола, поэтому быстро впитывает влагу из воздуха. При неправильном хранении такой цемент очень быстро теряет товарные характеристики. Быстротвердеющие портландцементы используются при производстве ЖБИ с высокой отпускной прочностью. Коррозионная стойкость быстротвердеющих цементов пониженная.
- Пластифицированный. Получают введением поверхностно-активных добавок. Применение этой разновидности портландцементов позволяет снизить водоцементное соотношение, повысить прочность и морозостойкость получаемых растворов и бетонов после твердения.
- Гидрофобный. При производстве гидрофобного портландцемента в состав клинкера добавляют гидрофобные ПАВ, которые образуют на зернах цемента водоотталкивающие пленки. Обычно в качества ПАВ востребованы продукты нефтепереработки. При хранении даже во влажных условиях такой цемент не портится, не слеживается и не комкуется. Строительные смеси и растворы на базе гидрофобного цемента отличаются хорошей пластичностью, а после твердения – водонепроницаемостью и морозостойкостью.
- Сульфатостойкий. Цемент изготавливают из клинкера, который имеет в составе пониженное содержание трехкальциевых силиката и алюмината. Такой портландцемент повышает стойкость бетона к коррозии при эксплуатации строительной конструкции в контакте с сульфатсодержащими средами.
- Белый. Цемент получают с использованием белых коалиновых глин, мела, чистых известняков. На основе белого ПЦ изготавливают цветные цементы путем добавления красящих пигментов.
- Шлакопортландцемент. Изготавливают совместным помолом портландцементного клинкера, гипса и доменного гранулированного шлака.
- Пуццолановый. Получают смешиванием портландцементного клинкера, активной миндобавки, гипса. Активные минеральные добавки, входящие в состав этого цемента, – вулканические туфы, пемзы, пеплы, трепел, золы тепловых электростанций. Это вяжущее активно используется при строительстве гидротехнических сооружений, подземных объектов.
Классы и марки прочности портландцементов
В соответствии с ГОСТом 31108-2016 основная характеристика портландцемента – прочность – определяется классом. Ранее это свойство характеризовала марка. Наиболее популярные портландцементы:
- В 32,5 (М400). Вид цемента, востребованный практически во всех областях частного и массового строительства, для изготовления ЖБИ, устройства дорожек, площадок, отмосток.
- В42,5 (М500). Портландцемент, имеющий прекрасные прочностные характеристики, применяется в ремонтно-строительных работах на объектах ответственного назначения, при восстановлении строительных конструкций после аварий, проведении дорожно-ремонтных работ.
- В52,5 (М600). Портландцемент, используемый при строительстве особо ответственных объектов.
В каких случаях портландцемент не применяется?
При выборе вида цемента учитывают условия, в которых будет эксплуатироваться объект. Портландцементы с активными добавками, пуццолановые цементы не применяют в регионах с низкими температурами. Все виды портландцементов не используются:
- в соленых водах;
- в руслах рек проточного типа;
- в водоемах, имеющих в составе большое количество различных минералов.
Сульфатостойкий цемент подходит для применения только в статичных водах невысокой агрессивности. Для плотин, дамб, конструкций, эксплуатируемых в проточных водах, используют специальные виды цемента.