Оборудование Статьи Материалы Минеральные вяжущие вещества Портландцемент. Определение. Технология. Минералы.
В 1824 г. английский каменщик Аспдин взял в графстве Йорк патент на изготовление гидравлического вяжущего, которое он назвал портландцементом по его внешнему сходству с известным естественным камнем с острова Портланд в Доршире. Надо, однако, заметить, что температура обжига смеси, при которой Аспдин вначале оперировал, не превосходила температуру обжига извести. Так что полученный Аспдином продукт хотя и представлял цемент, но не был тем продуктом, под которым мы в настоящее время понимаем портландцемент.
Установить время открытия настоящего портландцемента в ту пору было затруднительно. И лишь сравнительно недавно было установлено, что приоритет открытия портландцемента, в полном смысле как мы его понимаем, принадлежит русскому технику Егору Челиеву, который в 1825 г. предложил и выполнил обжиг сырьевой смеси до температуры спекания и получил настоящий портландцемент, который им был назван силикатным. Вообще, это название более правильное, хотя до сих пор этот цемент и носит название портландского. Следует сказать, что большой вклад в развитие производства цемента и теории твердения его сделали русские, а после революции советские ученые А. Р. Шуляченко, Н. А. Белелюбский, И. Г. Малюга, академики А. А. Банков, П. А. Ребиндер и многие другие.
Так что такое портландцемент в современном его понимании? Портландцементом называется гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением обожженной до спекания смеси глины и углекислого кальция, с преобладанием в продукте обжига силикатов кальция. Спекшуюся сырьевую смесь, представляющую собой камневидные мелкие и крупные куски, называют клинкером. Получение портландцемента состоит как бы из двух технологических операций: получения клинкера путем обжига сырьевой смеси и помола этого клинкера в тонкий порошок.
Для получения клинкера портландцемента берется примерно 25 % глины и 75 % чистого известняка, т. е. состоящего на 100 % из углекислого кальция. Искусственно подобранная смесь или природный мергель указанного состава обжигается при температуре 1450 °С. В результате обжига из теплового аппарата выходит клинкер, который в дальнейшем размалывается в тонкодисперсный порошок, называемый цементом.
При помоле клинкера в цемент вносятся различные добавки для регулирования его свойств. В технологии получения цемента используются три технологические схемы, которые выполняются «мокрым», «сухим» и «комбинированным» способами. Ниже, на рисунке, показана технологическая схема получения портландцемента «мокрым» способом.
Наиболее сложной в этой схеме является операция обжига. Обжиг сырья осуществляется, как правило, во вращающихся печах различной длины. Печь условно разделена на шесть зон, в которых происходят по мере движения сырья различные процессы. В первой зоне при температуре 20-200 °С происходит испарение свободной воды из сырьевой смеси, во второй - до температуры 650 °С сгорают органические примеси и удаляется химически связанная вода. В третьей зоне с температурным интервалом 650-1200 °С минералы сырья разлагаются на отдельные оксиды, которые в экзотермической зоне до 1300 °С соединяются, образуя минералы C2S, C3A и C4AF. В пятой зоне - зоне спекания - образовавшаяся смесь переходит в расплав при температуре 1450 °С, в котором C2S частично насыщается оксидом кальция, образуя трехкальциевый силикат C3S. В последней зоне сырьевая смесь охлаждается, образуя клинкер в виде окатанных зерен серо-зеленоватого цвета. После охлаждения клинкер выгружается и подается на склад, где он выдерживается (магазинируется) и поступает в помольный цех.
Таким образом, в результате сложных химических превращений при обжиге в клинкере образуется ряд новых химических соединений, называемых минералами портландцемента, основными из которых являются четыре минерала, обеспечивающие портландцементу гидравлические свойства.
Это минералы:
- трехкальциевый силикат 3CaO·SiО2 (алит),
- двухкальциевый силикат 2CaO·SiО2 (белит),
- трехкальциевый алюминат ЗСаО·А12О3 (целлит),
- четырехкальциевый алюмоферрит 4CaO·Al2О3·Fe2О3 (браунмиллерит).
Для сокращения написания формул минералов принято обозначать их соответственно следующими обозначениями: C3S; C2S; C3A; C4AF. Среднее содержание минералов в обычном портландцементе составляет:
C3S = 60-37 %;
C2S = 37-15%;
С3А=15-7%;
С4AF = 10-18 %.
Если C3S : C2S > 4, то цемент называется - алитовым портландцементом,
а если C3S : C2S < 1, то его называют - белитовым, и т. д.
Таким образом, из сырья, представляющего по химическому составу смесь после обжига, получается клинкер, содержащий в своем составе соединения, отличные от исходного сырья.
Поскольку портландцемент вещество полиминеральное, то, естественно, его свойства будут зависеть как от свойств минералов, так и от количественного их содержания. Поэтому возникает необходимость рассмотреть более подробно свойства минералов портландцемента. Профессор О. Ф. Окороков искусственным путем синтезировал минералы портландцемента и на основании своих экспериментов установил их свойства, которые представлены в таблице ниже
Как видно из результатов исследований, наибольшей скоростью твердения обладают трехкальциевый алюминат и трехкальциевый силикат. Эти минералы уже к 3-суточной выдержке набирают достаточно прочности по сравнению с 28-суточным возрастом. Наименьшая скорость твердения у двухкальциевого силиката.
Однако если смотреть по абсолютной величине конечной прочности, то наибольшей прочностью обладает трехкальциевый силикат, затем четырехкальциевый алюмоферрит, двухкальциевый силикат и самой низкой трехкальциевый алюминат. Одной из важных характеристик является тепловыделение минералов при их твердении. По этому показателю в порядке уменьшения тепловыделения минералы расположены в следующей последовательности: максимальным тепловыделением обладает трехкальциевый алюминат, затем идут трехкальциевый силикат, четырехкальциевый алюмоферрит и минимальное тепловыделение у двухкальциевого силиката.
Таким образом, наличие и соотношение минералов в цементе будет существенно отражаться на свойствах самого цемента. Например, для устройства плотин, массивных гидротехнических сооружений, где сразу укладываются большие массы бетона, желательно, чтобы цемент имел в одно и то же время небольшие тепловыделение и достаточную порочность. Очевидно, наиболее целесообразно применять цементы с повышенным содержанием белита и минимальным содержанием алюминатов.
Для устройства же дорожных покрытий, где требуется высокая прочность и морозостойкость, но меньшее влияние оказывает тепловыделение, наилучшим является алитовый цемент с максимальным содержанием C3S.
Для устройства полов в помещениях в холодное время года, когда требуется небольшая прочность цементной стяжки, невысокая морозостойкость, но скорость набора прочности должна быть высокой, наиболее целесообразно является применение алюминатных цементов.
Приведенные примеры показывают, как важно строителю знать минералогический состав цемента. В практике же часто строители не обращают должного внимания на минералогический состав, что вызывает и определенное качество бетонируемых конструкций.
