Навигация
Свойства портландцемента. Основные свойства строительных материалов
51027
знаков
0
таблиц
3
изображения
Содержание
1. Свойства портландцемента
2. Физико-технические свойства строительных материалов
3. Основные направления решения экологических проблем в стройиндустрии
4. Задача № 3
5. Литература
1. Свойства портландцемента
Портландцементом называют порошкообразный материал, полученный в результате совместного помола клинкера, продукта спекания смеси известняка и глины при температуре 1400–1500°С, гипса и минеральных добавок.
В качестве сырья при производстве портландцемента используют чистые известняки и глину в соотношении 3:1, а также мергели с корректировкой состава до заданного.
Производство портландцемента состоит из следующих основных технологических процессов: добычи известняка, глины или мергеля; измельчения сырьевых материалов и приготовления из них однородной смеси заданного состава; обжига подготовленной массы до спекания с получением клинкера; охлаждения и помола клинкера с гипсом (3 – 5 %) и минеральными добавками.
Обжиг до спекания подготовленного сырья сопровождается сложными физическими (испарение свободной и кристаллизационной воды) и химическими процессами (разложение минералов на оксиды, образование новых соединений), в результате которых из исходных компонентов получается спекшийся материал – клинкер, состоящий в основном из следующих четырех минералов: 3СаО⋅SiО2 (С3S) – трехкальциевого силиката – алит (45 – 60%); 2СаО⋅SiО2 (С2S) – двухкальциевого силиката – белит(10 – 30 %); 3СаО⋅Al2О3 (С3А) – трехкальциевого алюмината – целит(5 – 12 %); 4СаО⋅Al2О3⋅Fe2О3 (С4АF) – четырехкальциевого алюмоферрита –(10 – 20 %) и стекловидной застывшей массы.
После обжига полученный клинкер направляют в специальные холодильники для быстрого охлаждения материала.
С увеличением степени размола клинкера повышается активность получаемого цемента. Обязательными определяемыми значениями для общестроительных цементов являются также активность цемента, сроки схватывания цементного теста нормальной густоты (начало – не ранее 45 мин, конец – не позднее 10 час). На основании полученных результатов цементу присваивают марку (300, 400, 500, 550, 600), численно равную активности – среднеарифметическому значению предела прочности на сжатие в кгс/см2 с учетом прочности на изгиб образцов-балочек размером 40х40х160 мм, состава по массе Ц : П = 1 : 3 с подобранным количеством воды, твердевших 28 суток во влажных естественных условиях. Классы цемента по гарантированной прочности на сжатие 22,5; 32,5; 42,5 и 52,5 МПа. Насыпная плотность цемента составляет 1300 кг/м³, истинная 3100 – 3200 кг/м³.
Качество цементов оценивают по основным и рекомендуемым показателям.
К основным относятся следующие:
− химический вещественный и минералогический состав;
− предел прочности на сжатие и изгиб;
− равномерность изменения объема в процессе гидратации;
− удельная эффективная активность естественных радионуклидов;
− активность цемента при пропаривании для портландцементов с добавками;
− нормальная густота цементного теста (НГ), представляющая водоцементное отношение, выраженное в процентах, при котором достигается заданная (нормируемая) пластичность цементного теста.
К рекомендуемым относятся как показатели общего характера: сроки схватывания, тонкость помола, так и специального назначения: коррозионная стойкость, содержание свободной СаО, огнеупорность, гидрофобность и т.д.
Для рационального использования цемента при производстве сборного железобетона введено определение прочности (активности) после термовлажностной обработки в специальных пропарочных камерах по заданному режиму. На основании полученных данных делают вывод о степени эффективности использования цемента на предприятиях стройиндустрии при получении сборных бетонных и железобетонных изделий и конструкций или в монолитном строительстве на строительной площадке.
При смешивании портландцемента с водой составляющие его минералы гидратируют с образованием новых кристаллических соединений, обусловливающих твердение цементного теста и прочность искусственного камня. Состав новообразований зависит от минералогического состава цемента, влажности и температуры окружающей среды. Так, алит гидратирует с образованием кристаллических гидросиликатов кальция – ГСК и гидроксида кальция, придающих начальную прочность и стойкость цементному камню. Определенная концентрация гидроксида в растворе не только обеспечивает стабильность образованным в результате гидратации соединениям, но и коррозионную стойкость стальной арматуры, применяемой при получении железобетона. Гидратация белита протекает постепенно на протяжении всех 28 суток с образованием ГСК. Наиболее активен по отношению к воде трехкальциевый алюминат. Именно этот минерал влияет на сроки схватывания цемента. Продукты его гидратации представляют собой крупнокристаллические нестабильные соединения, повышающие начальную прочность, но снижающие морозостойкость и коррозионную стойкость цементного камня. Гидратация четырехкальциевого алюмоферрита протекает аналогично двухкальциевому силикату.
Все реакции гидратации сопровождаются выделением тепла. По экзотермическому эффекту минералы клинкера располагаются в следующей последовательности: С3А – С3S – С4АF – С2S. Зная минералогический состав цемента, можно сделать предварительные, ориентировочные выводы по его применению. Так, цементы с повышенным содержанием С3S и С3А будут обладать высоким тепловыделением и скоростью набора прочности. Следовательно, их рационально использовать при низких температурах бетонирования или при производстве сборного железобетона, уменьшив температуру и продолжительность термообработки. Однако эти цементы из-за высокого тепловыделения нельзя использовать при бетонировании массивных фундаментов и гидротехнических сооружений, так как резкий перепад температуры внутри твердеющего бетона и на поверхности конструкции вызовет деформации, приводящие к появлению трещин. Нельзя эти цементы применять и при наличии сульфатосодержащих агрессивных сред. Так называемые белитовые цементы с повышенным содержанием С2S медленно твердеют, более коррозионностойки. Следовательно, их эффективно использовать при летнем монолитном строительстве, при опасности коррозионного воздействия.
Структура цементного камня оказывает определяющее влияние на такие свойства, как водонепроницаемость, воздухостойкость, морозостойкость. Если циклы высыхания и увлажнения, сопровождающиеся усадкой и набуханием цементного камня, повторяются, то это приводит к накоплению остаточных деформаций, появлению трещин и, как следствие, снижению прочности. К недостаткам цементного камня относится также ползучесть, которая проявляется в увеличении деформаций под влиянием длительно действующих постоянных по величине нагрузок. Одним из важнейших эксплуатационных свойств цементного камня является его морозостойкость. Разрушающее действие воды, переходящей в лед с увеличением в объеме до 9 %, зависит в первую очередь от ее количества, следовательно за счет снижения В/Ц и повышения содержания резервных замкнутых воздухонаполненных пор, недоступных проникновению воды, возможно регулирование этого свойства в широких пределах.
В бетоне цементный камень не только должен обеспечить монолитность, прочность этого композиционного искусственного каменного материала, но и долговечность его службы в конструкциях при разных условиях эксплуатации.
К понятию долговечности можно отнести также такие свойства цементного камня, как огнестойкость и огнеупорность. Цементный камень относится к несгораемым материалам, он не плавится при температуре до 1100°С. Однако заметное температурное воздействие, проявляющееся в разложении образовавшихся в процессе гидратации кристаллогидратов, сопровождаемое снижением прочности, начинает проявляться уже при 150 – 200°С и резко возрастает при 500 – 700°С. В связи с этим обычный портландцемент не рекомендуется применять при температурах выше 250 – 300°С, т.к. при длительном нахождении в условиях этих температур падение прочности составляет более 10 %. Повысить огнеупорность можно или путем изменения состава цемента, или введением термостойких минеральных добавок.
Действие агрессивных сред усиливается, если конструкции находятся под нагрузкой. Отсюда вытекает сложность и актуальность рассматриваемого свойства. По механизму действия и характеру разрушения определены три вида коррозии цементного камня.
Первый вид – выщелачивание. В данном случае разрушение происходит в результате растворения и вымывания гидроксида кальция из цементного камня при фильтрации воды под давлением. Так как все образованные в результате реакции гидратации портландцемента кристаллогидраты химически устойчивы только при определенной концентрации гидроксида кальция, то ее снижение вызывает их частичное разрушение и, как следствие, падение прочности. Степень разрушения зависит в первую очередь от объема открытых капиллярных пор и количественного содержания в них раствора свободного гидроксида кальция определенной концентрации. Следовательно, повысив плотность цементного камня, можно значительно увеличить стойкость изделий на основе портландцемента к этому виду разрушения.
Второй вид – кислотная коррозия, которую можно наблюдать при действии на цементный камень кислот и солей с кислой реакцией, образованных сильной кислотой и слабым основанием, например, хлорид или нитрат аммония. Кислоты вступают в реакцию с кристаллическими продуктами гидратации цемента, образуя или легко растворимые соединения, или гелеобразные, не обладающие прочностью. Эти агрессивные среды вызывают самые сильные разрушения, интенсивность которых зависит от концентрации агрессивного раствора, его температуры и скорости движения потока по отношению к разрушаемой поверхности. Так как действие растворов связано с химической реакцией между цементным камнем и агрессивной средой, то наиболее надежный способ защиты – изменение состава самого вяжущего, т.е. применение специального цементокислото-стойкого.
Третий вид – солевая коррозия. Она имеет место при действии солей на цементный камень. Накапливая в порах кристаллы самой агрессивной среды, при условии наличия испаряющей поверхности и отсутствия взаимодействия с цементным камнем (хлорид и карбонат натрия), или кристаллические продукты реакции цементного камня с сульфатосодержащими средами вызывают начальное уплотнение и упрочнение структуры. В дальнейшем при заполнении порового пространства этот процесс сопровождается ростом остаточных деформаций, приводящих к разрушению материала. Повысить стойкость можно в первом случае, увеличив плотность цементного камня, во втором – подобрав специальный сульфатостойкий состав портландцемента.
С целью придания бездобавочному портландцементу специальных свойств, расширяя тем самым его применение в строительстве, изменяют степень измельчения, корректируют используемое сырье, вводят специальные добавки. При введении гидравлических добавок в количестве от 5 до 20 % получают рядовой портландцемент с активными минеральными добавками (ПЦ). Наличие добавок в цементе несколько снижает его стоимость, повышает водостойкость при фильтрации воды. Этот вид цемента, который имеет марки 400, 500, 550 и 600 является самым распространенным для изготовления сборных железобетонных изделий и конструкций на заводе, монолитных сооружений, возводимых на строительной площадке, а также при штукатурных и кладочных работах.
При увеличении процентного ввода пуццолановых добавок вулканического происхождения (пепел, туф) или топливных зол с 25 до 40 % и добавок осадочного происхождения (диатомит, трепел, опока) от 20 до 30 % портландцемент получает название пуццолановый (ППЦ). Пуццолановый портландцемент обладает меньшей интенсивностью твердения, особенно в первые сутки, пониженным тепловыделением, морозостойкостью и воздухостойкостью. Наряду с отрицательными особенностями, этот вид портландцемента имеет и свои положительные свойства, главными из которых являются повышенная водостойкость при фильтрации воды (1-й вид коррозии) и солестойкость при действии сульфатосодержащих агрессивных сред (3-й вид коррозии). Связывание этого химически активного составляющего вводимой минеральной добавкой, перевод его в прочное гидратное соединение и обеспечивает повышенную стойкость цементного камня. Основные рабочие марки этого вида цемента 300 и 400. Область его применения является подводное и подземное бетонирование с относительно постоянным температурно-влажностным режимом эксплуатации.
Введением при помоле клинкера добавки гранулированного доменного шлака в количестве свыше 20 % получают шлакопортландцемент (ШПЦ). Этот вид цемента, как и пуццолановый, обладает повышенной водо- и сульфатостойкостью, пониженной интенсивностью твердения в первые сутки, уменьшенным тепловыделением, но специфика состава шлака предопределяет и отличительные свойства. Так, шлакопортландцемент вследствие повышенной химической активности шлака при увеличении температуры предпочтительнее применять в производстве сборного железобетона, подвергаемого термовлажностной обработке для ускорения набора прочности. Высокая термостойкость шлака позволила использовать этот вид минерального вяжущего при производстве жаростойких бетонов, эксплуатируемых при температуре до 700 °С. Выпускаемые марки 300, 400, 500. Область применения шлакопортландцемента: бетонные, железобетонные сооружения и конструкции, к которым не предъявляют повышенных требований по морозостойкости. Предпочтительное использование – подводная зона гидротехнических сооружений (дамбы, мосты, молы, плотины), сборные бетонные и железобетонные конструкции, жаростойкие бетоны.
Условное обозначение цемента состоит из наименования вида цемента, его марки и количества вводимой добавки. Например, ПЦ400-Д20 – ГОСТ 10178-85.
С целью экономии дорогостоящего энергоемкого клинкера при производстве строительных растворов, низкомарочных бетонов (марок М 150 и ниже), к которым не предъявляют требований по морозостойкости, используют так называемые кладочные или наполненные цементы. Активность цементов в 2–3 раза меньше, чем у рядового портландцемента (не ниже 200 кгс/см²), однако эти цементы не дают усадочных деформаций при твердении, что очень важно при оштукатуривании поверхности.
Следующую группу составляют портландцементы с поверхностно-активными органическими добавками. По своему составу и эффекту действия добавки подразделяют на гидрофильные, улучшающие смачиваемость водой цементных зерен, и гидрофобные, придающие поверхности цемента свойство водоотталкивания. Применение добавок первого типа (СДБ, СПС) в количестве 0,15 – 0,3 % от массы цемента приводит к разъединению (диспергированию) цементных частиц, покрытых тонкой водной оболочкой, что обеспечивает повышенную пластичность цементного теста без увеличения расхода воды. Такой портландцемент называют пластифицированным (ПЛ). Пластифицированный портландцемент применяют или для повышения пластичности смеси и облегчения формовки изделий, или (при снижении расхода воды и сохранении заданной пластичности) повышения плотности, прочности и морозостойкости цементного камня.
К поверхностно-активным органическим добавкам относятся также получившие широкое мировое признание суперпластификаторы. Путем введения суперпластификаторов в мельницы при помоле клинкера получают вяжущее низкой водопотребности (ВНВ), обеспечивающее формуемость смеси при сокращении расхода воды до 20 %. По вещественному составу ВНВ подразделяют на бездобавочные чистоклинкерные, с вводом при помоле гипса, и с минеральными добавками. Ввод суперпластификаторов в шаровые мельницы сокращает время помола смеси в два раза, значительно снижая энергозатраты. Полученный цемент обладает повышенной активностью, позволяющей в первые сутки твердения набрать прочность, в три раза превышающую прочность аналогичного цемента без добавок. В зависимости от содержания клинкера выпускают ВНВ-100 – чистоклинкерный, ВНВ-50 и ВНВ-30 с 50 и 30 % клинкера соответственно. ВНВ-50 эффективен для снижения температуры и времени ТВО при получении сборного железобетона класса до В45 и зимнего бетонирования с температурой наружного воздуха до минус 10°С.
Применение добавок второго типа – гидрофобных (0,1 – 0,2 %), наоборот, способствует объединению (флокуляции) цементных зерен в крупные агрегаты, а образованная водоотталкивающая пленка обеспечивает повышенное воздухововлечение при перемешивании смеси. Таким образом получают гидрофобный портландцемент (ГФ). Гидрофобный портландцемент сохраняет свою активность при длительных перевозках и хранении, его применение повышает водостойкость и морозостойкость изделий. Определить этот вид цемента можно нанесением на поверхность капли воды, которая не должна впитываться в течение 5 мин. Условное обозначение цементов дополнительно включает в зависимости от класса добавки буквы ПЛ – пластифицированный или ГФ – гидрофобный. Например, ПЦ400-Д15-ПЛ(ГФ) ГОСТ 10178-85.
С целью ускорения набора прочности при строительстве в естественных условиях, особенно при низких положительных температурах, когда процесс взаимодействия цемента с водой резко затормаживается, а также для снижения энергозатрат и ускорения оборачиваемости форм при получении сборных железобетонных изделий применяют бездобавочный (клинкерный) и быстротвердеющие (Б) портландцементы. Повышенное содержание СзS и СзА наряду с положительным эффектом ускорения набора прочности (60 – 70 % от марочной в трехсуточном возрасте), несет на себе и такой отрицательный эффект, как снижение сульфатостойкости цементного камня. Рассматриваемые цементы нашли применение при получении сборных высокопрочных преднапряженных и монолитных тонкостенных железобетонных конструкций.
Наличие в грунтовых водах, морской воде, технологических растворах и промышленных стоках большого содержания сульфатов предопределило создание специального вида портландцемента – сульфатостойкого.
Основное применение этих вяжущих – изготовление монолитных и сборных изделий и конструкций, условия эксплуатации которых связаны с действием сульфатосодержащих сред (фундаменты, гидротехнические сооружения и др.).
Последняя группа цементов относится к декоративным минеральным вяжущим и включает белые и цветные портландцементы. В зависимости от степени белизны, оцениваемой коэффициентом отражения света в процентах, выпускают цементы первого (80 %), второго (75 %) и третьего (70 %) сорта.
Пример условного обозначения: портландцемент белый 2-400-Д20 – ГОСТ 965-89. Цифра 2 показывает, что цемент по степени белизны относится ко второму сорту. Декоративные цементы выпускают следующих марок: 400, 500. Они несколько медленнее твердеют, имеют меньшую коррозионную стойкость и морозостойкость, а также большую усадку при твердении. Применяют декоративные виды портландцементов для отделки стеновых панелей, при изготовлении лестничных ступеней и мозаичных бетонных полов, плит, имитирующих горные породы.
К разновидностям портландцемента относятся также безусадочный (ПЦ-400-БУС СТБ 942-93). Цемент используют для гидроизоляционных работ, изготовления водонепроницаемых бетонов и растворов.
Тампонажные портландцементы применяют для цементирования холодных (до 22°С) и горячих (до 75°С) нефтяных и газовых скважин.
Для придания специфических свойств (замедленное схватывание, солестойкость, повышенная плотность) в их состав вводят минеральные добавки (шлак, кварцевый песок, известняк) в количестве от 10 до 70 %.
Похожие работы
... распространение в строительстве мостов и трубопроводов, а также в новых технологиях по защите бетона, металлов от коррозии. Применение конструкций с высокими теплоизоляционными свойствами в строительстве односемейных домов существенно (на 40-50%) повысит их энергоэкономичность. Будет возрастать доля строительных материалов, изготовленных на основе применения вторичных сырьевых ресурсов и отходов. ...
... (1580—1770°С), жароупорные (ниже 1580°С). Жаростойкие бетоны применяют для сооружения тепловых агрегатов, фундаментов промышленных печей и др. конструкций, подверженных длительному нагреванию. Бетоны на органических вяжущих: 1)асфальтобетоны - строительный материал в виде уплотнённой смеси щебня, песка, минерального порошка и битума. Перед смешением составные части высушивают и нагревают до ...
... получают путём пропитки кровельного картона каменноугольными или сланцевыми дегтёвыми материалами и последующей посыпки его одной или двух сторон минеральным порошком. Используют его при устройстве кровель. ЛЕКЦИЯ №13 Древесные строительные материалы и изделия. Общие сведения. Благодаря хорошим строительным свойствам древесина давно нашла широкое применение в строительстве. Она имеет ...
... Лучше сопротивляются действию кислот и щелочей некоторые виды природных каменных материалов (диабаз, андезит, базальт), плотная керамика, а также большинство материалов из пластмасс. Вывод : на основе описанных выше связи свойств , состава, и структуры строительных материалов можно понять что связь самая непосредственная , например : Пористые материалы – структура пористая (поры замкнутые иле ...
0 комментариев