Загрузка...Цемент производства цемента твердения
Быстротвердеющий цемент (БТЦ), производство и применение быстротвердеющего цемента.
Быстротвердеющий цемент (БТЦ) – цемент, отличающийся повышенной прочностью через трое суток твердения. Химический состав сырьевых материалов, применяемых для производства быстротвердеющего цемента и высокопрочного цемента (марки 500 и выше), должен быть более однородным. Помол сырьевых материалов должен быть весьма тонким.
Предел прочности при сжатии образцов, изготовленных из быстротвердеющего цемента, в возрасте трех суток составляет 25-28 МПа, а возрасте 28 суток – 40-50 МПа. Быстротвердеющий цемент отличается повышенным по сравнению с цементом содержанием трехкальциевого силиката С3S, количество которого должно быть не менее 50%.
Для ряда строительных нужд и в частности, для заводского изготовления сборных железобетонных строительных деталей, а также для скоростного строительства необходим быстротвердеющий цемент (БТЦ), для которого характерно более интенсивное, чем для обычного цемента, нарастание прочности в начальный период твердения. В отдаленные сроки нарастание прочности замедляется и через длительный период он может при близиться по прочности к обычному цементу. Следовательно, не всякий быстротвердеющий цемент будет обязательно высокопрочным, т. е. иметь высокую марочную прочность в стандартные сроки (через 28 суток) или в более длительный период. Вместе с тем следует отметить, что цементы высоких марок обычно и в первые сроки имеют сравнительно большую абсолютную прочность.
Предел прочности при сжатии быстротвердеющего цемента при испытании в растворах жесткой консистенции через 3 суток должен быть не менее 300, а через 28 суток — 500 кг/см 2 . Предел прочности при сжатии в процессе испытания в растворах пластичной консистенции через 3 суток должен быть не менее 200, а при изгибе 35 кг/см 2 . Через 28 суток предел прочности при сжатии должен быть не менее 350 кг/см 2 .
На заводах по производству сборных железобетонных конструкций и деталей применение быстротвердеющего цемента значительно ускоряет производственный процесс и устраняет необходимость в больших складских помещениях для вызревания изделий. Использование быстротвердеющего цемента для монолитного бетона сокращает сроки распалубки и снижает также вес сооружения, так как высокая прочность получаемого при этом бетона позволяет уменьшить сечение конструкции.
Сырьевые материалы для производства быстротвердеющего и высокопрочного цемента должны быть возможно более однородными по химическому составу и содержать наименьшее количество нежелательных примесей. Большое значение имеет физическая структура сырьевых материалов. Предпочтительнее аморфная структура материалов, при которой они легче вступают в химическое взаимодействие, чем материалы кристаллической структуры.
Помол сырьевых материалов должен быть весьма тонким, а сырьевая смесь возможно более однородной с тем, чтобы пределы, колебания химического состава шлама, поступающего в печь, были незначительными. Обжиг нужно вести во вращающихся печах при несколько повышенной температуре и по возможности на беззольном топливе (газе и мазуте). В сырьевую смесь целесообразно вводить ускорители процесса клинкерообразования, например плавиковый шпат, и быстро охлаждать клинкер, выходящий из зоны спекания. Быстротвердеющий цемент отличается повышенным содержанием С3S, содержание которого должно быть не менее 50%. К быстротвердеющему цементу можно добавлять не более 10% (от веса цемента) активных минеральных добавок и не более 15% доменных гранулированных шлаков. Эти добавки связывают выделяющийся при гидролизе С3S гидрат окиси кальция, тем самым ускоряя его взаимодействие с водой. Добавка небольшого количества трепела, кроме того, способствует более равномерному нарастанию прочности без сбросов.
При обычной тонкости помола в заводских мельницах степень использования активности цемента в растворах и бетонах через 28 суток твердения составляет лишь 55-60% и даже спустя много лет в затвердевшем цементном камне можно обнаружить не прореагировавшие зерна клинкера. Для ускорения твердения цемента его нужно размалывать более тонко, по крайней мере до удельной поверхности не ниже 3500 см 2 /г, вместо обычных 2500-3000 см 2 /г. Положительное влияние более тонкого помола заключается в ускорении процессов гидратации и гидролиза зерен цемента за счет увеличения его удельной поверхности, а следовательно, и в повышении прочности в первые сроки после затворения водой. Особенно тонкий помол необходим при введении в него добавок.
Большое значение имеет гранулометрический состав цементного порошка. Повышение содержания зерен мелких фракций ускоряет процесс нарастания прочности цемента в первые сроки после затворения водой и позволяет получать быстротвердеющие цементы. Увеличение количества зерен средних фракций обеспечивает более высокую прочность в последующие сроки (через 28 суток) и, следовательно, способствует получению высокопрочных цементов.
Большую удельную поверхность цемента можно получить за счет более длительного помола в обычных трубных мельницах при соответственном понижении их производительности. Более тонкому помолу способствует предварительное дробление клинкера, водяное охлаждение корпусов цементных мельниц, оптимальная загрузка и своевременная догрузка мелющих тел и т. д. Целесообразно применять для этой цели сепараторные мельницы. В ряде случаев на заводах железобетонных изделий целесообразным может оказаться домол всего или части цемента, причем в последнем случае с последующим смешением более тонкоизмельченной части материала со всей массой цемента.
В последнее время стали выпускать особо быстротвердеющий цемент (ОБТЦ), прочность при сжатии которого через сутки составляет не менее 300, а через 3 суток — 450 кг/см 2 (при испытании в растворах жесткой консистенции). Содержание С3S в этом цементе не менее 55%. Цемент размалывают до удельной поверхности не менее 4000 см 2 /г. В порошке наряду с преобладанием зерен размером 30-50 мк должно содержаться определенное количество зерен меньше 5 мк. Оптимальный гранулометрический состав достигается в основном за счет подбора ассортимента мелющих тел, положения перегородок и аспирационного режима. В этот цемент другие добавки, кроме гипса, не вводятся. Применение ОБТЦ позволяет сократить расходы цемента и отказаться от пропаривания бетонных изделий или уменьшить его длительность.
Скорость нарастания прочности можно увеличить также путем добавки хлористого кальция, хлористого натрия, соляной кислоты, сульфата натрия или некоторых других веществ. Добавка наиболее часто применяемого хлористого кальция составляет обычно 1-2% от веса цемента, действие его сказывается главным образом впервые сроки твердения. Ускоряет процесс нарастания прочности и введение кристаллических затравок из предварительно гидратированного цемента.
Мощным средством ускорения процесса твердения изделий из цемента в заводских условиях является водотепловая (тепловлажностная) их обработка, которая осуществляется обычно в пропарочных камерах паром атмосферного давления.
Быстротвердеющие бетоны получают не только путем использования быстротвердеющего цемента. На заводах по производству железобетонных изделий применяют: жесткие бетонные смеси с малым В/Ц; сильное уплотнение бетонной смеси двух- и много частотным вибрированием, вибропрокатом, силовым прокатом, виброштампованием, вибропрессованием и т. д.; виброактивизационное воздействие на цементное тесто, растворную составляющую или бетонную смесь; электроактивацию и активацию ультразвуком.
Возможно Вас заинтересует:
Быстротвердеющий портландцемент
Быстротвердеющий портландцемент или БТЦ получают в следствии тонкого измельчения портландцементного клинкера с добавлением строительного гипса.
При перемалывании клинкера допускается использование до 15% доменных гранулированных шлаков и до 10% активных минеральных добавок.
В клинкере быстротвердеющего портландцемента обычно содержится от 60% до 65% трех-кальциевого алюмината и трех-кальциевого силиката, а так же небольшое количество оксида кальция (СаО), его содержится не более 0,5%. А содержание оксида магния (MgO) в клинкере не должно превышать 5%.
Строительный гипс в состав быстротвердеющего портландцемента добавляют в обычной дозировке, его объем обычно составляет не более 3,5%. Объем гипса в составе портландцемента зависит от того, насколько тонко был помолот цемент и от минерального состава клинкера.
Производство быстротвердеющего портландцемента
Для того, чтобы получить быстротвердеющий портландцемент в его состав добавляют однородные сырьевые материалы с низким содержанием R2O и MgO.
В отличии от производства обычного портландцемента, сырьевая смесь для быстротвердеющего портландцемента готовится с высоким коэффициентом насыщения оксидом кальция. Данное сырье подвергается более тонкому помолу и тщательной гомогенизации. Обычный портландцемент размалывают до 3000 кв.см/г, а быстротвердеющий портландцемент до 4000 кв.см/г. А клинкер в данном случае подвергается обжигу при более высоких температурах, для которого часто используются высококалорийные малозольные каменные угли.
Тонко измельченный цемент и хорошо подобранный минеральный состав быстротвердеющего бетона значительно повышают его прочность в первые сроки схватывания твердения бетонной смеси.
Набор прочности БТЦ
Быстротвердеющий портландцемент получил свое название из-за того, что по сравнению с обычным портландцементом, в первые 3-ое суток твердения первый набирает свою прочность более интенсивно. Такое быстрое твердение возможно только при наличии в цементном составе малых фракций зерен клинкера размером до 20 мкм.
По другим данным, прочность портландцемента в первые сутки твердения зависит от объема зерен клинкера размером до 10 мкм, а прочность на 3-и сутки зависит от зерен размером до 30 мкм. Объем данных фракций клинкера в составе портландцемента определяет его 3-х суточную прочность.
За трое суток твердения, быстротвердеющий портландцемент набирает от 60% до 70% марочной прочности. Но в дальнейшем нарастание прочности резко угасает и к 28-ми суткам прочность БТЦ равна прочности обычного портландцемента. Поэтому главное отличие БТЦ от простого портландцемента это интенсивный набор прочности в первые 3-е суток, а далее такой цемент ведет себя как любой другой портландцемент.
В качестве стандарта прочности БТЦ используется ГОСТ, согласно которому малопластичный раствор, спустя 3-е суток твердения, должен обладать пределом прочности при сжатии 25 и 28 МПа, а при изгибе 4 и 4,5 МПа, соответственно для марок бетона М400 и М500.
Не смотря на то, что интенсивность твердения у быстротвердеющего портландцемента и так высокая, ее можно повысить еще на порядок если использовать тепловую обработку бетонного изделия при температуре от 70°С до 80°С. И благодаря такой тепловой обработке, БТЦ набирает свои 80% марочной прочности не за 3-е суток, а за 5-6 часов, что несомненно значительно быстрее.
Но при этом длительное пропаривание, а так же тепловая обработка при температуре более 80°С, могут привести к сильному замедлению роста прочности бетона, а в последствии и к недобору этой прочности. И так как конечная прочность может оказаться ниже, чем та которая достигается при твердении обычного портландцемента в обычных условиях, то пропаривать такие бетоны следует при температуре менее 80°С и с достаточно короткой выдержкой.
Применение БТЦ
При использовании быстротвердеющего портландцемента на заводах крайне не рекомендуется хранить данный цемент на складах, так как со временем он теряет свою активность. В лучшем случае цемент должен быть использован по мере поступления на бетонный завод.
При возведении бетонных конструкций, БТЦ рекомендуется использовать для строительства высокопрочных и преднапряженных железобетонных изделий. Использование БТЦ в таких ситуациях позволяет отказаться от тепловой обработки бетонной конструкции, а так же снизить потребность в металлических формах. Так же быстротвердеющие цементы широко используются для изготовления моноблочных бетонных изделий, так как это позволяет сократить срок выдержки изделия в опалубке, а следовательно сократить и весь срок строительства.
Твердение портландцемента
Твердение портландцемента – это процесс превращения цементного теста в камневидное тело, цементный камень. При твердении портландцемента происходит ряд сложных физикохимических процессов. При затворении водой каждый из клинкерных минералов реагирует с ней и дает новые соединения, которых не было в цементе. Все процессы взаимодействия отдельных минералов с водой протекают одновременно, но с разной скоростью, налагаются один на другой и влияют друг на друга.
Процесс твердения портландцемента можно разделить на три периода.
Первый период – период растворения, когда минералы цемента растворяются в воде, и происходит их химическое взаимодействие с образованием гидратированных соединений, которые образуются в растворе вплоть до образования насыщенного раствора. Образование гидратов может идти и топохимически, т.е. с прямым присоединением молекул воды.
Второй период – период коллоидации или схватывания, когда возникающие вследствие продолжающегося взаимодействия с водой новообразования не могут растворяться в уже насыщенном растворе, а выделяются в виде геля.
Третий период – период кристаллизации, или твердения, когда гелеобразные новообразования сближаются между собой, образуют кристаллы и превращаются в кристаллический сросток, что сопровождается увеличением его прочности (рис. 9 и 10).
Рис. 9. Образование гидратных фаз и формирование структуры цементного камня:
А – формирование структуры (схватывание); Б – уплотнение (твердение)
Типичными реакциями, характерными для твердения портландцемента и других вяжущих веществ, являются реакции гидратации, протекающие с присоединением воды. Они могут происходить без распада основного вещества или сопровождаться его распадом на два или несколько соединений реакция гидролиза.
Сразу после затворения цемента водой начинаются химические реакции. Силикаты кальция при взаимодействии с водой образуют два новых соединения двухкальциевый гидросиликат и гидроксид кальция по реакции
2(3СаО·SiO2) + 6H2O = 2СаО·SiO2·3H2O + 3Са(ОН)2,
2(2СаО·SiO2) + 4H2O = 2СаО·SiO2·3H2O + Са(ОН)2.
• взаимодействие с водой C3S и C2S протекает с различной
скоростью (табл. 9): C3S значительно активнее, чем C2S, что определяет нарастание прочности цемента в первые сроки его твердения (табл.10);
• при взаимодействии силикатов кальция с водой выделяется
Са(ОН)2 – воздушная известь, создающая щелочную среду в твердеющем цементе, что является условием для возникновения коррозии цементного камня;
• C3S выделяет Са(ОН)2 в три раза больше, чем C2S; общее
количество Са(ОН)2 достигает 15% от массы цементного камня.
Трехкальциевый алюминат при взаимодействии с водой очень быстро образует гидроалюминат кальция:
ЗСаО·Al2O3+ 6H2O = ЗСаО·Al2O3·6H2O .
Образовавшийся трехкальциевый гидроалюминат очень быстро кристаллизуется, что приводит к быстрому схватыванию цементного теста (1…2 мин). С таким тестом работать нельзя: должно быть определенное время для перемешивания смеси, ее транспортирования, укладки и уплотнения в форме. Для замедления схватывания цемента в него добавляют двуводный гипс, который, взаимодействуя с гидроалюминатом кальция, переводит его в гидросульфоалюминат кальция (эттрингит) труднорастворимую соль,
чем замедляет схватывание
Пока идет эта реакция, схватывания не наступает, поэтому гипс добавляют в цемент в зависимости от содержания трехкальциевого алюмината и требуемых сроков схватывания (обычно от
3,5 до 5% от массы цемента).
Образующаяся молекула гидросульфоалюмината кальция в 2,5 раза больше по объему исходной молекулы трехкальциевого гидроалюмината и гипса. В данном случае образование большой молекулы в пластичном, не затвердевшем ещё тесте можно считать явлением положительным: она уплотняет цементный камень. Впоследствии, при росте кристаллов минералов твердеющего цемента гидросульфоалюминат разрушается.
Взаимодействие четырехкальциевого алюмоферрита с водой может быть представлено в виде следующей реакции:
4СаО·Al2O3·Fе2О3 + mH2O = ЗСаО·Al2O3·6H2O + СаО·Fе2О3·nH2O .
Рис. 10. Твердение цемента:
а – рост прочности цемента во времени (Rсж); б – схема взаимодействия зерен цемента с водой в различные сроки; 1 – зерно цемента, 2 – вода; 3 – гидратные новообразования; 4 воздушные поры
Твердение образовавшихся соединений происходит с неодинаковой скоростью. Наиболее быстротвердеющими минералами являются: трехкальциевый алюминат C3A и трехкальциевый силикат C3S. Возникающие в процессе твердения гели трехкальциевого гидроалюмината и гидрата оксида кальция начинают кристаллизоваться и пронизывать кристаллами аморфную массу гидросиликата кальция, который длительное время остается в коллоидном состоянии. Гидросиликат кальция постепенно придает прочность твердеющему цементу, медленно уплотняясь и затвердевая.
Материал взят из книги Минеральные вяжущие вещества (Т.Н. Акимова)
