Загрузка...Цемент с карбонатными добавками
Цемент с карбонатными добавками
Разработанная В.Н. Юнгом теория «микробетона» явилась теоретическим обоснованием систематического изучения вяжущих свойств цементов с микронаполнителями. Исследования, проведенные сотрудниками МХТИ им. Д.И. Менделеева, показали, что цементный камень из вяжущих с тонкодисперсными добавками (в частности, с известняком) по прочностным показателям, стойкости в агрессивных средах и морозостойкости не уступает камню из бездобавочных цементов, если суммарная поверхность клинкерных частиц в единице массы смешанных цементов соответствует суммарной поверхности частиц портландцемента, приготовленного из того же клинкера без добавок.
Качество цементов с добавками тонкомолотых карбонатных пород в основном зависит от количественного соотношения клинкера и добавок, тонкости помола компонентов, соотношения дисперсности частиц и равномерного их распределения в порошке. Добавка должна быть представлена крупными частицами, а портландцементный клинкер – мелкими и мельчайшими.
Введение в состав цементов тонкодисперсных карбонатных добавок в свою очередь целесообразно при повышенном содержании в клинкере алюминатных минералов, главным образом, трехкальциевого алюмината. Повышение прочности твердеющего мономинерального камня из C 3 A с карбонатными добавками наблюдалось во все сроки твердения.
Таблица 3
Прочность мономинерального камня из C 3 A с 30 % мас. Минеральных добавок (в/ц=0,50 мас. %)
На основе высокоалюминатного клинкера (13,2% C 3 A ) и при введении до 30% тонкодисперсной карбонатной добавки были получены цементы ( S уд =3000 см 2 /г), которые практически не уступали по прочности портландцементу без добавки (рис. 1). При низком содержании C 3 A (3-5%) и введении до 30% тонкодисперсной карбонатной добавки относительное снижение прочности цементов во всех случаях было значительно меньше, чем количество добавки. Для сохранения соответствующего уровня прочности в этом случае оказалось достаточно снизить количество добавки до 20% от массы цемента.
Рисунок 1. Изменение прочности цементного камня на основе обычного и карбонатсодержащего портландцемента при воздушно-влажном (а) и воздушном (б) твердении; 1 – без добавки; 2 – с добавкой 30% мрамора; 3 – 30% доломита; 4 – 30% магнезита .
Эксперименты показали, что введение тонкодисперсных карбонатных добавок в состав шлакопортландцемента и цемента для асбестоцементных изделий, а также в состав вяжущего для получения силикатных бетонов автоклавного твердения целесообразно в небольшом количестве.
Химическое взаимодействие карбонатов кальция и магния.
Активная структурообразующая роль тонкодисперсных карбонатных частиц в формирующемся цементном камне в первую очередь определяется химическим взаимодействием карбонатов кальция и магния с продуктами гидратации алюмосодержащих фаз клинкера, которая сопровождается благоприятными (с точки зрения физико-механических и структурных свойств цементного камня) изменениями морфологии и стабильности образующихся кристаллогидратов.
На рентгенограммах гидратированных образцов из C 3 A и C 4 AF , а так же из их смесей с карбонатами кальция и магния обнаруживаются существенные изменения дифракционных отражений вместо аналитических пиков кубического C 3 AH 6 , фиксируются пики гексагональных гидроалюминатов кальция C 3 AHX , и комплексного соединения состава 3 CaO ∙ Al 2 O 3 ∙ CaCO 3 ∙11 H 2 O . Моногидрокарбоалюминат кальция кристаллизуется в виде гексагональных пластинчатых кристаллов с показателями светопреломления Ng =1,553+0,003 и NP =1,527+0,002 (α=8,71Å, c =7,56 Å), которые быстро увеличиваются в размерах и превращаются в прочно сросшиеся кристаллические конгломераты. Подавляющая масса этих сростков образует плотные войлочные скопления и отчетливую щетинообразную зону на поверхности карбонатных частиц, что обеспечивает повышенную прочность сцепления элементов цементного камня. В системе
C 3 A ∙ CaCO 3 ∙ H 11 — C 3 A ∙ Ca ( OH )2∙ H 11 образуется непрерывный ряд твердых растворов, в частности, устойчиво идентифицируется 3 CaO ∙ Al 2 O 3 ∙0,25 CaCO 3 ∙0,75 Ca ( OH )2∙12 H 2 O . Возможно образование и 3 CaO ∙ Al 2 O 3 ∙3 CaCO 3 ∙30÷32 H 2 O .
Моногидрокарбоалюминат и гексагональные гидроалюминаты кальция обнаруживаются в цементном камне и бетоне, длительное время твердевших при нормальных условиях. При пропаривании возможно разложение моногидрокарбоалюмината кальция на C 3 AH 6.
В гелевидной составляющей твердеющего цементного камня при нормальной температуре возможно образование фаз весьма сложного состава, например томазита < Ca 3 [ Si ( OH )6]∙12 H 2 O >∙( SO 4 )∙( CO 3 ), а при повышенных температурах (выше 140 °С) – скоутита Ca 7 ( Si 6 O 18 ) ∙ CO 3 ∙ H 2 O (аналога ксонотлита и фошагита).
Кристаллизация гидратных новообразований цементного камня на карбонатной подложке.
При исследовании этого процесса использовались насыщенные растворы тоберморита, CSH ( B ), C 2 SH 2 и C 3 AH 6 , эттрингита, Ca ( OH )2 и CaSO 4 ∙2 H 2 O . В качестве подложек для наращивания кристаллов гидратных фаз использовались полированные пластинки, вырезанные из природных кристаллов кальцита параллельно плоскости спайности. Структура кальцита в этой плоскости схематически показана на рис. 2,а.
Перед установкой в кристаллизаторы (конструкция Белюстина) пластинки протравливались соляной кислотой и тщательно промывались. Через 6 месяцев они извлекались из кристаллизаторов, промывались абсолютным спиртом и подвергались электронно-микроскопическому и электрографическому анализам.
На электронно-микроскопических снимках наблюдалось неравномерное расположение частиц на поверхности подложки. Новообразования покрывают 10-50% в зависимости от кристаллизующегося вещества. На всех подложках часть новообразований представлена шарообразными частицами аморфной природы. Отчетлива видна их коалесценция и образование более крупных агрегатов, что говорит об их слабой связи с подложкой и способности к миграции.
Тоберморит кристаллизуется в виде тонких игл и их сростков. Особый интерес представляет кристаллизация C 2 SH 2 , имеющая картину декорирования и определенную закономерность в расположении частиц.
Карбонатный портландцемент
Карбонатный портландцемент — еще один вид смешанного цемента с микронаполнителями, который с успехом используют в строительстве уже достаточно долго. Он не содержит активных минеральных добавок, но при этом позволяет создавать остаточно прочные, а главное незаменимые асбестоцементные изделия. Такой смешанный цемент имеет вполне умеренную стоимость, но высокую эффективность, чем и привлекает строителей.
Основные характеристики
Карбонатный портландцемент – это вяжущий материал, который состоит из вполне знакомых всем ингредиентов, однако отличается от стандартного цемента без каких-либо добавок.
Смесь изготавливается из нескольких элементов:
- Цементного клинкера, который присутствует во всех цементах, вне зависимости от вида и марки. Клинкер занимает около 50 процентов от всей массы и имеет достаточно тонкий помол;
- Доломита или известняка, причем количество его совсем не малое,- от 30 до 50%.
Что касается качества клинкера, то специалисты советуют использовать для создания карбонатного портландцемента материал с большим содержанием глины, а также трехкальциевого алюмината (более 13%). В целом, добавочные компоненты являются полностью инертными, ведь использование активных добавок при создании такого карбонатного материала просто не разрешено.
Свойства и особенности
Отличительной чертой карбонатного портландцемента считается сниженное выделение тепла при гидратации, которое становится возможным при ступенчатом помоле всех ингредиентов.
Инертные добавки особых свойств раствору не придают, но могут повлиять на прочность и имеют особенности твердения. Так, для работы с этим материалом требуется небольшое количество воды, кроме этого он характеризуется:
- Особенным помолом, значительно более тонким, чем стандартный цемент. Величину помола просто проверить с помощью сита. Как правило, остаток при прохождении сквозь сито 02, должен быть не более 2%;
- Отсутствием активных добавок;
- Кристаллической структурой
- Повышенным содержанием углекислого магния.
Что касается скорости схватывания, то она высокая. В среднем, бетонный раствор начинает застывать уже через 30 минут после заливки и полностью затвердевает уже через 5 часов.
Особенности использования
Карбонатный цемент не применяется повсеместно и имеет вполне простые и понятные задачи. Уже долгий период времени он используется не только для заливки фундаментов, но и для изготовления стандартных асбестоцементных изделий. Хоть инертный доломит не оказывает прямого влияния на свойства изделия, они в любом случае оказываются очень прочными, твердыми и, конечно же, недорогими, ведь добавки значительно снижают себестоимость готового элемента.
Карбонатный цемент обязательно поможет заказчику, который решил возвести временный мост или избавиться от части цементного стакана. Несмотря на твердость и прочность, застывший бетон очень боится соляной кислоты и полностью разрушается под ее воздействием, что тоже нужно учесть перед началом работ.
3.2. Карбонатное сырье для производства портландцемента и извести
Под цементным сырьем понимают горные породы и отходы промышленности, в результате технологической переработки которых получают вяжущий материал – цемент, являющийся одним из основных материалов для строительного производства. Вяжущие вещества, получаемые в результате соответствующей технологической переработки различных горных пород, представляют собой порошок (цемент), который при затворении водой образует удобное для обработки и укладки пластичное тесто, затем затвердевающее и образующее прочный искусственный камень. Если цемент при этом был смешан с мелким заполнителем (песком), то получают строительный раствор, если добавляют еще и крупный заполнитель –бетон. В зависимости от того, в каких условиях вяжущие способны затвердевать, они разделяются на две большие группы: воздушные и гидравлические. Воздушныевяжущие после затворения водой твердеют и набирают прочность только на воздухе. При увлажнении они теряют свою прочность. К их числу относятся воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие, кислотоупорный цемент. Гидравлическиевяжущие твердеют и на воздухе и в воде. Но максимальной прочности они достигают только в условиях постоянного увлажнения. Главный представитель – портландцемент, характеристика которого приводится ниже. В основе производства цемента лежит взаимодействие между оксидами СаО и SiО2при обжиге сырьевой смеси. Поэтому главными породами для производства вяжущих являютсяизвестняки, реже мергели, мел, глинистые мергели, содержащие СаСО3(кальцит), а также глины. Итак, портландцемент – это тонкий порошок, в состав которого входит: − клинкер (80−95 % в составе портландцемента) – смесь размолотого известняка и легкоплавких глин. С первым в смесь вносится основная часть окиси кальция, со вторыми – кремнезем, глинозем и окислы железа. Глины в объеме клинкера составляют 15−25 %. В последнее время, в качестве глинистой составляющей применяются отходы производства – металлургические шлаки и шламы. Полученную смесь – клинкер – подвергают обжигу; − гипсовый камень, ангидрит (5−7 %) применяются для регулирования сроков схватывания цемента; − активные минеральные добавки (10 %) – диатомиты, трепела, опоки (кремнистые породы). Они связывают в бетоне свободную известь в нерастворимые в воде соединения. Если количество минеральных добавок составляет 30−40 %, то получают пуццолановый портландцемент. Он очень водостоек, водонепроницаем, и устойчив к сульфатной коррозии. Применяется в гидротехническом строительстве. Поскольку портландцемент (да и все цементы) трехкомпонентная смесь, а при мокром способе производства необходимо еще и большое количество воды, то при оценке месторождения в одном месте или рядом должны быть запасы и карбонатного и глинистого сырья и вода. Добавки можно привезти. Требования к компонентам портландцемента следующие. 1. Карбонатное сырье – вредно окремнение, запесоченность, присутствие доломита в количестве более 18 %, закарстованность. Содержание СаО – не менее 42,5 % (т.е. не менее 75 % СаСо3), МgО – не более 4 %, К2О+Na2O– не более 1 %,SО3– не более 1,3 %, Р2О5– не более 0,4 %. Если производят белый цемент, то определяют красящие оксиды – МnО, Сr2O3и др. 2. Глины – вредно присутствие крупных обломков, запесоченности. Они должны обладать низкой огнеупорностью (1100−1150 ºС), средней пластичностью и низкой температурой спекания (100−150 ºС). Этим условиям отвечают полиминеральные, преимущественно, гидрослюдистые по составу глины − легкоплавкие. Химический состав глин должен отвечать следующим требованиям. Содержание (не более), масс. %: МgО – 6,SО3– 5, К2О+Na2O– 3,5−4, Р2О5– 0,6, ТiО2– 2. 3. Гипс – отсутствие твердых включений, препятствующих размолу, наличие сульфатов. 4. Активные минеральные добавки – диатомит, трепел, опока, вулканические породы (туфы). Применяются также доменные, топливные шлаки, золошлаковые смеси. Содержание SO3в диатомитах, опоках, трепелах не должно превышать 3 %. По запасам месторождения карбонатных пород распределяются следующим образом: менее 10 млн. т – очень мелкие; 10−50 – мелкие, 50−100 – средние, 100−300 – крупные, более 300 – очень крупные. Их добыча производится открытым способом, в карьерах. Рыхление породы осуществляется взрывами. Полученная масса автотранспортом перевозится на место потребления – цементные заводы. В Свердловской области существуют 2 эксплуатируемых месторож-дения известняков для цементного сырья – Невьянское−1 и Кунарское. Имеется ряд месторождений карбонатного сырья (известняков), пригодных для производства цемента – Северо−Воронцовское, Савотькинское и Черемшанское. Основными потребителями сырья являются ОАО «Сухоложскцемент» (г. Сухой Лог) и ОАО «Невьянский цементник» (г. Невьянск). В целом острого дефицита в цементе область пока не испытывает, однако имеются хорошие перспективы для вывоза его в Тюменскую область, Ханты−Мансийский и Ямало−Ненецкий автономные округа.
23.02.2015 202.75 Кб 65 10.doc
