Химия твердого тела. Теория и приложения: В 2-х ч. Ч. 2 - Вест А.
ISBN 5-03-000071-2
Скачать (прямая ссылка):
Смесь портландцемента с заполнителями и водой схватывается с образованием бетона. Роль заполнителей двояка. С одной стороны, они уменьшают стоимость бетона, с другой — увеличивают прочность на излом бетонных конструкций. В отсутствие заполнителей затвердевший цемент легко растрескивается. Для уменьшения стоимости портландцемента в него вводят и другие добавки, такие, как пуццолан, топливные и доменные
19.1. Портландцемент
235
шлаки и др. Некоторые из этих добавок необходимы для связывания Са(ОН)2, выделяющегося при гидратации цемента. Поэтому введение таких компонентов повышает химическую стойкость схватившегося цемента.
19.1. Портландцемент
19.1.1. Производство. Портландцемент — наиболее важный и распространенный вид цементов. На рис. 19.1 в самом общем виде приведены отдельные стадии его производства. Свое название портландцемент получил из-за схожести его внешнего вида и цвета с камнем портланд, найденным в Дорсете (Англия) .
Первая стадия промышленного производства портландцемента заключается в приготовлении сырьевой смеси путем дроблено
сырьевая смесь->¦ клинкер ->- портландцемент
ґ -1500 °С 1 25 °С 1
(СаО, А1203, (СадБЮб, (гидраты сили-
БЮа, Ре203 и т. д.) Са3А12Оя, катов кальция)
Р-Саа&04ит. Д.)
Рис. 19.1. Стадии производства и применения портландцемента.
ния исходных материалов, их помола и тщательной гомогенизации либо в сухом виде, либо в виде цементного теста. Этот материал вводят в верхнюю холодную часть (загрузочная часть) длинной вращающейся цементной печи, представляющей собой слегка наклонный (под углом несколько градусов к горизонту) барабан. Противоположный, конец печи (выгрузочная часть) нагревается до температуры 1300—1500 °С путем сжигания угля, нефти или природного газа. По мере прохождения сырьевой смеси по печи она постепенно разогревается. При этом вначале происходит потеря НгО и С02, а затем начинается твердофазная реакция, которая полностью заканчивается в самой горячей зоне печи. Здесь материал частично плавится. Присутствие жидкой фазы существенно увеличивает скорость протекающих реакций, поскольку в жидкой среде облегчается перенос реагирующих веществ. Как отмечалось в гл. 2, взаимодействие твердых веществ в отсутствие жидкой фазы протекает, как правило, весьма медленно. Окислительная атмосфера в цементной печи гарантирует существование лишь одного оксида железа — Ре203. Частично подплавленный и спеченный материал черного цвета — клинкер — выгружается из нижней части печи, быстро охлаждается струей воздуха и дробится. Обычно на этой стадии к клинкеру добавляют гипс, чтобы воспрепятствовать мгновенному схватыванию цемента при взаимодействии с водой. Получив
236
19. Цемент н бетон
шийся порошок представляет собой широко известный портландцемент, который при смешивании с водой и соответствующими заполнителями гидратируется и превращается в бетон.
В табл. 19.1 приведено содержание различных оксидов в наиболее распространенных марках портландцемента. Здесь же представлен примерный фазовый состав этого материала. Главные компоненты портландцементов — высокоосновные силикаты кальция ^-Са28104 и СазБЮб. Кроме того, в портландцементе
Таблица 19.1. Химический и фазовый состав портландцементов наиболее распространенных марок
Оксид Содержание, масс. % Фаза Содержание, масс. '%
СаО 63 С3А (Са3А12Ос) 5—12
20 СзБ (СазБЮб) 50—70
А1203 6 [}-С2Э (Са28Ю4) 20—30
Ре203 3 С4АР (Са4А12Ре2О10) 5—12
БОз 2
МдО 2
К20 1 !
Ыа20 /
Прочие 3
присутствуют алюминат кальция Са3А120б и алюмоферрит кальция примерного состава Са4А12Ре20ю. В технологии вяжущих веществ принята несколько иная система обозначения компонентов, входящих в состав цемента. Каждый оксид обозначается одной буквой: СаО=С, 5Ю2=5, А1203=А, Ре203=Р, Н20=Н. Формулы различных фаз в этих обозначениях выглядят следующим образом:
Са25Ю4 = 2Са0.810а == С25 Са33}Об а ЗСа0.3102 е= СдБ Са3А1206 а ЗСаО-А12Оа = С3А Са4А12Ре2О10 ^ 4СаО-А1аСу Ре208 = С4АР
19.1.2. Особенности диаграммы состояния. Фазовый состав цементного клинкера и химические реакции, протекающие в цементной печи, могут быть поняты при рассмотрении соответствующей диаграммы состояния (гл. 11). Полная фазовая диаграмма системы, включающей оксид железа и другие микрокомпоненты (такие, как оксиды щелочных металлов, М§0 и др.),
19.1. Портландцемент
237
весьма сложна. Поэтому обсуждение шести- или семикомпоиент-ной системы вряд ли целесообразно. Для практических оценок часто ограничиваются рассмотрением диаграммы состояния тройной системы СаО—БіОг—АІ2О3 (рис. 19.2 и 19.3). Точка Р на этих рисунках отвечает составу портландцементного клинке-
СаО С3А С,2А7 СА СА2 САе А1203
Рис. 19.2. Субсолндусная часть равновесной диаграммы состояния системы СаО—-А1203—ЭЮи. Р — примерный состав портландцемеитов; С^ — состав глиноземистых цементов. С=СаО, А=А120з, Б — БЮ^. Например, СзА=
-ЗСаО-А1203 = СазА12Ов.
ра. Из приведенной диаграммы состояния можно получить следующую информацию.
Точка Р находится внутри треугольника с вершинами СагЭК^. (СгБ), СазБЮв (СдБ) и Са3А1206 (С3А) (рис. 19.2). Поэтому в равновесных условиях эти три фазы являются составными частями цементного клинкера состава Р. На практике как в печи, так и при охлаждении клинкера в системе успевает устанавливаться равновесие. Относительные количества каждой из фаз можно определить по правилу рычага (гл. 11).
