151 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Трехкальциевый алюминат в цементе

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Портландцементный клинкер состоит из ряда искусственных минералов, образовавшихся при обжиге.

Ориентировочное содержание основных четырех минералов в портландцементном клинкере составляет ‘(% по массе): алит 3CaO-SiO2(C3S) —- 40. 65, белит 2CaO-SiO2(C2S) — 15. 40, целит ЗСаО-А12О3(С3А) — 5. 15, целит 4СаО-Al2O3-Fe2O3(C4AF) — 10. 20.

Исследования цементного клинкера под микроскопом показывают, что в нем преобладают кристаллы алита и белита, между которыми размещается промежуточное вещество, состоящее из алюминатов и алюмоферритов кальция в кристаллической форме, а также незакристаллизованного стекла и оставшихся в свободном состоянии СаО и MgO.

Трехкальциевый силикат (алит) — главный минерал цементного клинкера — обладает большой активностью в реакции с водой, особенно в начальные сроки (величина тепловыделения к 3 сут достигает примерно 2/з от тепловыделения при полной гидратации). Алит быстро твердеет и набирает высокую прочность.

Двухкальциевый силикат (белит) значительно менее активен, чем алит. Тепловыделение белита при полной гидратации примерно в 2 раза меньше, чем у алита, и к 3 сут составляет около 10 % от тепловыделения при полной гидратации. Твердение белита происходит медленно. К месячному сроку продукт его твердения обладает сравнительно невысокой прочностью, но при длительном твердении (несколько лет) в благоприятных условиях (при положительной температуре и влажной среде) его прочность неуклонно возрастает.

Трехкальциевый алюминат — самый активный клинкерный минерал, отличающийся быстрым взаимодействием с водой. Его тепловыделение при полной гидратации почти в 2 раза больше, чем у алита, а за 3 сут составляет не менее 80 % от общего тепловыделения. Однако продукт его твердения имеет повышенную пористость, низкие прочность и долговечность. Быстрое твердение С3А вызывает раннее структурообразование в цементном тесте и сильно ускоряет сроки схватывания (всего до нескольких минут). Если не ввести добавку гипса, то получается цемент «быстряк», бетонные смеси на котором из-за преждевременного схватывания не успевают хорошо перемешать и уложить в форму.

Четырехкальциевый алюмоферрит характеризуется умеренным тепловыделением и по быстроте твердения занимает промежуточное положение между трехкальцие-вым и двухкальциевым силикатами. Прочность продуктов его гидратации в ранние сроки ниже, чем у алита,-и несколько выше, чем у белита.

Располагая данными о минеральном составе клинкера и зная свойства клинкерных минералов, можно заранее предопределить основные свойства цемента и особенности его твердения в различных условиях эксплуатации.

Нежелательными составными частями клинкера являются свободные оксиды кальция и магния. Их вредное влияние проявляется в том, что они гидратируются очень медленно в уже затвердевшем цементе (см. с. 133). Содержание свободных СаО и MgO в клинкере допускается соответственно не более 1 и 5 %

В клинкере могут быть также щелочные оксиды №гО и КгО, перешедшие в него из сырьевых материалов и золы твердого топлива. Их вредное влияние может проявиться в тех случаях, когда бетон изготовлен на заполнителях, содержащих опаловидный кремнезем. Щелочи, реагируя с диоксидом кремния, образуют в водной среде водорастворимые силикаты калия и натрия с увеличением объема, что вызывает растрескивание бетона. Содержание Na2O и КгО в цементах для таких бетонов ограничивается до 0,6 %.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Содержание — трехкальциевый алюминат

Содержание трехкальциевого алюмината должно быть не более 8 %, так как он придает малую прочность и низкую морозостойкость асбесто-цементным изделиям. Тонкость помола цемента должна быть в пределах удельной поверхности 2900 — 3200 см2 / г. Песчанистый портландцемент получают совместным помолом портландцементного клинкера; кварцевого песка ( до 45 %) и гипса. Помол компонентов может быть и раздельным с последующим их смешением. Тонкость помола должна быть до удельной поверхности 3200 — 3600 см2 / г. Применение этого вяжущего позволяет обеспечивать существенную экономию клинкера. Портландцементы, применяемые для производства изделий способом экструзии, кроме соответствия указанным требованиям, не должны содержать более 0 3 % быстрорастворимых щелочей. [1]

Цементы с содержанием трехкальциевого алюмината менее 5 % называют низкоалюминатпыми, более 8 % — высокоалюминатными. [2]

Пуццолановый цемент, в котором содержание трехкальциевого алюмината не превышает 8 %, отличается надежной стойкостью к воздействию различных сульфатных и сульфидных сред. [4]

Применяя в качестве корректирующей добавки взамен трепела железную руду, мы можем при желании резко снизить содержание трехкальциевого алюмината , но плавней при этом получится даже больше, чем в клинкере из двухкомпонентной смеси. Только составляя сырьевую смесь из четырех компонентов, мы получаем при рассматриваемых материалах одновременно и малое содержание С3А и невысокое-минералов-плавней. [5]

Снижение прочности при 75 С быстрее наступает у цементного камня из портландцемента Стерлитамакского содово-цементного комбината, содержание трехкальциевого алюмината в клинкере которого выше. [7]

Повышения стойкости цементов против различных видов коррозии можно добиться подбором соответствующего минералогического состава, например значительным снижением при ожидаемой сульфатной агрессин содержания трехкальциевого алюмината . [8]

При цементировании скважин с температурой в нижней части ствола 50 — 70 С и содержанием ионов SO42 — в пластовых водах приблизительно 1000 мг / л и более рекомендуется применять сульфатостойкие цементы с низким ( 5 %) содержанием трехкальциевого алюмината . [9]

Над чертой приведено количество добавок при работе на холодных заполнителях с В / Ц менее 0 5 и на подогретых независимо от значения В / Ц: под чертой — при работе на холодных заполнителях с В / Ц более 0 5 и при использовании цементов с содержанием трехкальциевого алюмината 6 % и более. [10]

Читать еще:  Сколько цемента уходит на 1 куб

Объем образующегося гидросульфоалюмината кальция значительно больше суммарного объема исходных веществ, поэтому эта реакция вызывает разрушение затвердевших цементов и приготовляемых на их основе бетонов, если действие сульфосоединений начинается после того, как цемент или бетоп уже затвердели. Учитывая это, при изготовлении цемента для строительства сооружений, предназначенных для службы в среде, содержащей сернокислые соли, стремятся снизить содержание трехкальциевого алюмината до-возможно минимальной величины . [12]

Объем образующегося гидросульфоалюмината кальция значительно больше суммарного объема исходных веществ, поэтому эта реакция вызывает разрушение затвердевших цементов и приготовляемых на их основе бетонов, если действие сульфосоединений начинается после того, как цемент или бетон уже затвердели. Учитывая это, при изготовлении цемента для строительства сооружений, предназначенных для службы в среде, содержащей сернокислые соли, стремятся снизить содержание трехкальциевого алюмината до-возможно минимальной величины . [13]

Стойкость портландцемента в пресных водах можно повысить, уменьшив в нем содержание трехкальциевого силиката — минерала, твердеющего с выделением большого количества свободной извести. Для повышения стойкости в сульфатных водах нужно уменьшить содержание трехкальциевого алюмината и повысить количество алюмоферритов кальция. Поэтому C4AF более устойчив против сульфатной коррозии, хотя он также в состоянии образовывать гидросульфоалюминат и аналогичный ему гидросульфоферрит кальция, вызывающие деформацию цементного камня. [14]

Добавка гипса влияет также на прочность цементного камня. Оптимальная по величине добавка повышает прочность камня, добавка выше оптимальной — снижает. Оптимальная добавка зависит от минералогического состава клинкера, главным образом от содержания трехкальциевого алюмината и четырехкаль-циевого алюмоферрита. [15]

Основное значение для цемента имеет трехкальциевый силикат

так как он обычно содержится в наибольшем количестве и обладает свойствами быстро твердеющего гидравлического вещества высокой прочности. Двухкальциевый силикат — медленно твердеющее гидравлическое вяжущее средней прочности. Трехкальциевый алюминат и C4AF быстро твердеют, но имеют низкую прочность. Цементы высоких марок изготовляются с повышенным содержанием трехкальциевого силиката.

Минералогический состав цемента установлен в результате изучения фазового равновесия тройных систем С—А—S и С—А—F, четверной системы С — C2S — C5A3 —C4AF и др. Были исследованы кривые плавления или кристаллизации и вычислены составы жидких и твердых фаз при любой температуре. Фактический состав клинкера в дополнение к методам химического анализа может быть исследован с помощью микроскопа путем измерения коэффициента преломления соединений в виде порошка. Содержание минералов-силикатов может быть определено с помощью микрометра Шэндс при исследовании прозрачных шлифов (аналогично применяемому в петрографическом анализе) в проходящем свете. Полированные и травленые шлифы также могут быть исследованы как в отраженном, так и в проходящем свете. Рентгеновская дифракция порошкообразного вещества может быть использована с целью обнаружения кристаллических фаз, а также для исследования их кристаллической структуры. Находит применение также электронный микроскоп, который дает большое увеличение и обладает значительно большей разрешающей способностью, чем световой

C3S, содержание которого обычно наибольшее, встречается в виде небольших равноразмерных неокрашенных зерен. В процессе охлаждения при температурах ниже 1250° С C3S медленно распадается, но если охлаждение идет достаточно быстро, C3S сохраняется без изменения и является сравнительно устойчивым при обычных температурах.

Известно, что C2S имеет три или даже четыре модификации. a -C2S, которая существует при высоких температурах, переходит при температуре 1456° С в |3-модификацию. |3 -C2S претерпевает дальнейшее превращение в у -C2S при 675° С, но при скорости охлаждения цементов, имеющей место в производственных условиях, в клинкере сохраняется P-C2S в виде зерен округлой формы, обычно показывающих двойникование кристаллов.

С3А образует прямоугольные кристаллы, но в застеклованном состоянии это аморфное промежуточное вещество.

C4AF представляет собой твердый раствор ряда соединений от C2F до СбА2Р; принятая формула C4AF является условной, отражающей средний состав этой фазы.

Различные типы цементов в значительной степени отличаются по своему химико-минералогическому составу, который обусловливается соотношением сырьевых материалов. Одно время в США была предпринята попытка контролировать свойства цементов различного назначения установлением предельных количеств четырех основных клинкерных минералов, определенных расчетом по химическому анализу. Этот способ исключил бы многочисленные физические испытания, но, к сожалению, расчетный минералогический состав не является достаточно точным и не учитывает все необходимые свойства цемента и, следовательно, не может заменить непосредственных определений требуемых свойств.

Примерный химический состав портландцемента в % следующий: СаО—60—67; SiO2—17—25; А12О3—3—8; Fe2O3—0,5—6; MgO-0,1-4; щелочей —0,4—1,3; SO3—1—3.

В табл. 1.2 приводится химический и расчетный минералогический составы типичного портландцемента.

Нерастворимый остаток определяют путем обработки цемента соляной кислотой; он характеризует количество примесей в цементе, попадающих главным образом в составе гипсового камня. BS 12:1958 допускает величину нерастворимого остатка не более 1,5% веса цемента. Потеря в весе при прокаливании характеризует степень карбонизации и гидратации свободных окислов кальция и магния в результате атмосферных воздействий на * цемент. Максимальная потеря при прокаливании (при 1000° С), допускаемая BS 12:1958, составляет для цементов, используемых в условиях умеренного климата, 3% и для цементов, применяемых в тропических условиях, 4%. Так как гидратированная свободная известь безвредна, то для определенного содержания свободной извести в цементе повышенная потеря веса при прокаливании в действительности является полезной.

Читать еще:  Сколько мешков цемента на 1 куб бетона

Важно отметить, что минералогический состав цемента может изменяться в значительной степени даже при сравнительно небольших колебаниях химического состава цемента. В табл. 1.3, по данным Чернина, в графе 1 приводится химический состав типичного быстротвердеющего цемента. Если содержание окиси кальция снижается на 3% при соответствующем увеличении содержания остальных окислов (графа 2), соотношение C3S : C2S значительно изменяется. Химический состав цемента, приведенный в графе 3, отличается по содержанию глинозема и окиси железа на 1,5% от состава цемента, указанного в графе 1, при этом содержание окислов кальция и кремния остается прежним. Тем не менее данное изменение существенно влияет на соотношение между силикатами C3S : C2S, а также на содержание С3А и C4AF.

Несомненно, что контролю химического состава цемента придается особое значение. У типичных обычных и быстротвердеющих портландцементов общая сумма содержания двух силикатов меняется незначительно, в узких пределах,,поэтому различия в составе в большой степени зависят от соотношения между СаО и SiCb в сырьевых материалах.

Определение марки цемента.

Определение марки цемента испытанием на изгиб лепешек из цементного теста (способ проф. Б.Г. Скрамтаева). Этому опыту подвергают те цементные лепешки, которые прошли испытание на равномерность изменения объема. Рекомендуется испытывать 5 пропаренных цементных лепешек или лепешки в возрасте 28 суток. Испытания проводят с помощью приспособления, которое несложно изготовить в условиях обычной строительной площадки. Оно состоит из доски с прорезью 25×6 см и металлического хомута с крюком (рис. 1.11). Цементную лепешку кладут на края выреза в доске так, чтобы пролет лепешки составлял
6 см. На лепешку надевают хомут, к которому подвешивают ведро, нагружаемое обычно песком. Нагрузку увеличивают постепенно, до разрушения лепешки. Прочность лепешки на излом вычисляют по формуле:

где Rизл – прочность на излом, МПа; Р – масса груза с ведром и хомутом, кг; d – диаметр лепешки, см; h – толщина лепешки в середине, см.

Толщину и диаметр лепешки измеряют с точностью до 1 мм после испытания, что практически удобнее. По пяти результатам испытаний подсчитывают среднее значение; оно и является окончательным результатом. После этого марку цемента ориентировочно определяют по табл. 1.124.

Определение марки цемента испытанием на изгиб балочек из цементного теста. Изготовляют шесть балочек размером 2x2x13 см из цементного теста нормальной густоты. Метод изготовления следующий: в форму (желательно металлическую (рис. 1.12) укладывают цементное тесто, уплотняют его и штыкуют ножом 10 раз; после этого форму 20-30 раз встряхивают легкими ударами о край стола, поверхность теста заглаживают смоченным в воде ножом; в таком виде балочки выдерживают 20 ч во влажных опилках, после чего форму помещают в бачок над кипящей водой для пропаривания в течение 4 ч. После остывания в бачке до комнатной температуры форму вынимают, раскрывают и балочки испытывают.

Испытания проводят на простейшем устройстве, которое можно собрать в условиях любого строительства (рис. 1.13).

Расстояние между опорами (обрезки уголка) должно быть 10,7 см. При этом условии прочность балочек на изгиб будет равна 2Р, где Р – масса груза, приложенная посередине балочки и вызвавшая ее разрушение, кг. За результат испытания принимают среднюю величину из четырех наибольших. Полученная прочность на изгиб, умноженная на 4, соответствует примерной марке цемента.

Определение марки цемента по результатам испытаний пропаренных стандартных образцов (уточненный метод Б.Г. Скрамтаева, Г.И. Горчакова и Н.Д. Тагунцева). Стандартными считаются образцы-балочки размером 4x4x16 см, изготовленные из раствора состава 1:3 на стандартном (Вольском) песке с водоцементным отношением 0,4. Стандартный песок может быть заменен специально приготовленным естественным: для этого обычный песок просеивают и берут только фракцию, оставшуюся на сите с отверстиями 0,63 и прошедшую через сито с отверстиями 1,25 мм; кроме того, он должен быть промыт и прокален на огне. Смесь сначала тщательно перемешивают вручную без воды, затем добавляют воду и перемешивают в течение 5 мин стальной ложкой. После этого массу укладывают в форму (их выпускают стандартными), уплотняют сначала послойно стальным пестиком с тупым концом диаметром 10-16 мм, а потом постукиванием формы о край стола (метод предусматривает отсутствие стандартной виброплощадки для уплотнения). Избыток раствора срезают ножом, поверхность заглаживают.

Образцы в формах ставят под колпак, в котором для увлажнения находится сосуд с водой, и выдерживают в течение 24 ч. После этого балочки расформовывают и пропаривают в приспособлении (рис. 1.9) в следующем режиме: подъем температуры до 100°С – 2 ч, пропаривание при 100°С – 4 ч, остывание образцов – 2 ч. Испытания остывших образцов проводят на приспособлении, показанном на рис. 1.13. Прочность образцов на изгиб вычисляют по формуле:

где Rизг – прочность на изгиб, МПа; Р – разрушающая нагрузка, Н; L – расстояние между опорами, равное 0,1 м; b, h – соответственно ширина и высота балки, м.

Чтобы установить марку цемента, полученную Rизг умножают на переходной коэффициент, характеризующий отношение прочности на изгиб образцов в 28-суточном возрасте к прочности на изгиб пропаренных образцов. Он колеблется для различных цементов от 1,2 до 1,7. В среднем для портландцементов его можно принимать 1,4-1,5.

Читать еще:  Пескоцементная смесь соотношение песка и цемента

Цементный клинкер: что это такое и как производится

При возведении высотных зданий и небольших домов используется цементный клинкер. Твердый раствор увеличивает срок службы покрытий, подходит для облицовки печей и искусственных водоемов. Клинкерной плиткой, вместо натурального камня, украшают фасады, применяют как керамогранит при отделке интерьера, а также для реставрации пенобетонных и деревянных поверхностей. Строительный материал выдерживает избыточную влажность и обладает высокими теплоизоляционными свойствами.

Что такое цементный клинкер

В ходе обжигания смеси, состоящей из известняка и нескольких разновидностей глины, при высокой температуре получается вязкий гранулированный полуфабрикат, называемый клинкером. Для производства цемента в вещество добавляют гипс или сульфат кальция и другие минеральные компоненты, которые измельчают в порошок.

Впервые процесс спекания строительного сырья, добываемого из недр земли, путем нагревания его до 1450°, был описан в 19 веке инженером из Франции, создавшим полуфабрикат и цемент. Луи Вика использовал полученный промежуточный продукт при возведении подвесного моста, чтобы доказать его качество.

Каким методом получают цементный клинкер

Для создания материала, не уступающего по прочности натуральному камню, голландские строители стали обжигать специальную глину при высокой температуре. Сейчас при производстве цементного клинкера используют сырье, в составе которого содержатся двух-трехкальциевые силикаты или алюминаты. Смесь нагревают в печах до плавления или спекания. На свойства клинкера влияют несколько факторов:

  • характеристики используемых добавок и присадок;
  • состав сырья;
  • метод охлаждения и помола;
  • технология нагрева.

При мокром способе обжига применяется много различных компонентов, среди которых триполифосфат, сода, торфяная вытяжка, жидкое стекло. Из шлама выделяются углекислоты, а клинкер приобретает форму шарика.

При сухом методе минеральные вещества высыхают в печи, а потом измельчаются в порошок. При комбинированном варианте смесь производят с помощью мокрого метода, затем влажность уменьшают до 16% путем фильтрования, после сырье обжигают. Если применяется сухой способ, то смесь соединяют с водой. А образовавшиеся гранулы высыпают в печь для дальнейшего спекания. Почти 67% в них приходится на оксид калия, 4% — алюминия. Около 22% составляет диоксид кремния, до 6% в составе гранул — добавки и присадки.

В клинкере, из которого производится цемент, количество минеральных искусственных компонентов достигает 70%.

Четыре главные фазы клинкера

Для возведения многоэтажных зданий требуется материал высокого качества. На свойства и характеристики цемента влияет объем и состав смесей, применяемых в процессе обжига. В клинкере обязательно должны присутствовать 4 компонента в определенных пропорциях.

В составе основного продукта, используемого для производства цемента, содержится силикат, представляющий собой смесь диоксида кремния и тройного объема оксида кальция. В клинкере его количество составляет не менее 52%. В кристаллической решетке алита вкраплены ионы:

Силикат быстро вступает в реакцию с водой. Такое свойство минерала обеспечивает прочность клинкера на всех этапах нагревания и обжига.

Белит

В полуфабрикате цемента от 14% до 31% приходится на фазу, представляющую смесь диоксида кремния и двойного объема оксида кальция. Вещество не вступает в реакцию с водой, но спустя год приобретает такую же прочность, как и алит. В кристаллической решетке белита выявляют ионы разных металлов.

Алюминатная фаза

В гранулах цементного клинкера содержится силикат, в котором оксид алюминия смешан с тройным объемом оксида кальция. На эту фазу в продукте приходится не менее 4%, но и не более 11.В кристаллической решетке в небольшом количестве наблюдаются вкрапления ионов микроэлементов:

При взаимодействии с водой вещество быстро схватывается. Для предупреждения нежелательной реакции в смесь добавляют гипс.

Алюмоферритная фаза

В промежуточном продукте цемента обязательно присутствует еще один компонент, объем которого составляет 5% — 15%. Четырехкальциевый алюмоферрит может менять состав в зависимости от концентрации оксида железа и алюминия. Дополнительные компоненты и примеси, содержащиеся в продукте, на его прочность влияния не оказывают. Скорость взаимодействия фазы с водой уменьшают или увеличивают, используя разные соединения.

Характеристика минералов цементного клинкера

Трехкальциевый силикат обуславливает свойства материала, включая скорость затвердевания. Вещество выделяет тепло и обладает высокой прочностью. Добавки, содержащиеся в фазе алита, влияют на его характеристики, изменяют структуру.

Двухкальциевый силикат (C2S) медленно затвердевает, почти не выделяет тепло, но постепенно приобретает высокую прочность. Техническим свойствам портландцемент обязан белиту и алиту, поскольку концентрация этих твердых растворов в клинкере превышает 70%. Объем между кристаллами силикатов заполнен различными веществами, не влияющими на свойства материала.

В процессе обжига трехкальциевый алюминат очень быстро затвердевает и выделяет большой объем тепла, но при этом получается не очень прочным. Присутствие значительного количества минерала в клинкере провоцирует появление коррозии, в портландцементе содержание вещества не превышает 5%.

Целит обладает высокой скоростью взаимодействия с молекулами воды, однако раствор алюмофферита кальция не влияет на процесс затвердевания материала.

Содержание основных минералов в клинкере:

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector