Открытие портландцемента (1824-1825 гг.) связывают с именами Е.Г.Челиева и Д.Аспдина (Великобритания).
Впервые получен англичанином Джозефом Аспдином (Joseph Aspdin) в 1824 году; 21 октября 1824 года он запатентовал портлендский цемент.
Название получил по имени острова Портленд в Англии, так как получаемый с его добавками искусственный камень (бетон) по цвету похож на добываемый там природный камень.
Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе, в составе которого преобладают силикаты Са (70-80%). Для регулирования сроков схватывания цемента к клинкеру при помоле добавляют гипс (3-5%).
Клинкерпредставляет собой зернистый камнеподобный материал, получаемый обжигом до спекания (при 1450о С) тщательно подобранной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины определённого состава. Добавка гипса вводится для регулирования сроков схватывания портландцемента.
9.1. Производство портландцемента
Производство портландцемента - сложный технологический и энергоемкий процесс, состоящий из ряда операций, которые можно разделить на две основные стадии. Первая - производство клинкера, вторая - измельчение клинкера совместно с гипсом, а в ряде случаев и с активными минеральными добавками.
Производство клинкера складывается из следующих технологических операций:
1. добыча и доставка сырьевых материалов, их подготовка;
2. приготовление сырьевой смеси заданного состава путем помола и смешивания сырьевых компонентов в определенном количественном соотношении;
3. обжиг до спекания;
4. интенсивное охлаждение клинкера;
5. складирование клинкера.
Производство портландцемента включает:
1. подготовку минеральных добавок (дробление, сушку);
2. дробление гипсового камня;
3. помол клинкера с активными минеральными добавками и гипсом;
4. складирование, упаковку и отправку цемента потребителю.
Производство клинкера может осуществляться:
- сухим;
- мокрым;
- комбинированным способом.
Сухой способ заключается в приготовлении сырьевой муки в виде тонкоизмельченного сухого порошка (из сухих или предварительно высушенных материалов) с остаточной влажностью 1-2%.
При мокром способе сырьевые материалы измельчаются и смешиваются в присутствии воды, поэтому смесь получается в виде водной суспензии – шлама (тонко измельченного сырья) с влажностью 35-45%. Это наиболее энергоемкий способ.
Комбинированный способ заключается в том, что приготовленный шлам до поступления в печь обезвоживается на фильтрах до влажности 16-18%. Однако энергоемкость производства в целом остается высокой.
Обжигсырьевой смеси осуществляется в основном во вращающихся печах, работающих по принципу противотока. Печь имеет небольшой наклон и вращается со скоростью 1-2 об/мин. Сырье подается в печь со стороны ее верхнего (холодного) конца и при вращении печи медленно двигается к нижнему (горячему) концу, со стороны которого вдувается топливо (природный газ, мазут, воздушно-угольная смесь), сгорающее в виде 20-30-метрового факела. Двигаясь навстречу горячим газам, образующимся при сгорании топлива, сырье проходит различные температурные зоны. В каждой зоне проходят различные физико-химические превращения, в результате которых и получается цементный клинкер. Полученный в печи раскаленный клинкер поступает в холодильник, где резко охлаждается холодным воздухом. Клинкер выдерживают на складе 1-2 недели.
Твердение портландцемента происходит благодаря сложным физико-химическим процессам взаимодействия клинкерных минералов и гипса с водой.
Процесс твердения портландцемента из-за малой растворимости его компонентов растягивается на длительное время (месяцы и годы). Однако нарастание прочности с течением времени замедляется. Поэтому качество цемента принято оценивать по прочности, набираемой им в первые 28 суток твердения.
9.2. Технические характеристики портландцемента
1. Тонкость помола цемента определяет быстроту твердения и прочность цементного камня. Она должна быть такой, чтобы через сито № 008 проходило не менее 85% массы пробы.
2.. Истинная плотность = 3,05-3,15 г/см3 (3050-3150 кг/м3).
3. Насыпная плотность в среднем составляет 1300 кг/м3.
4.Водопотребность портландцемента характеризуется количеством воды (% от массы цемента), необходимым для получения цементного теста нормальной густоты (составляет 21…28%).
5. Сроки схватывания цементов определяют с помощью прибора Вика. Начало схватывания от момента затворения должно быть не ранее 45 минут, конец- не позднее 10 часов, при температуре 20о С. Если цемент затворять водой с температурой более 40 о С может произойти быстрое схватывание.
6. Марка портландцемента определяется испытанием стандартных образцов размером 4х4х16 см, изготовленных из цементно-песчаного раствора 1:3 (по массе) через 28 суток твердения (первые сутки - в формах во влажном воздухе, затем без форм в воде).
Марки портландцемента приведены в таблице 1.
7. Тепловыделение при твердении. Твердение портландцемента сопровождается выделением большого количества теплоты. Так как эта теплота выделяется в течение длительного времени (дни, недели), заметного разогрева цементного бетона или раствора не происходит. Однако если объем бетона велик (например, при бетонировании плотин, массивных фундаментов), то потери теплоты в окружающее пространство будут незначительны по сравнению с общим количеством выделяющейся теплоты и возможен разогрев бетона до температуры 70…80о С, что приведет к его растрескиванию.
8. Равномерность изменения объема. При твердении цементное тесто уменьшается в объеме. Усадка на воздухе составляет около 0,5...1 мм/м. При твердении в воде цемент немного набухает (до 0,5 мм/м). Однако изменение объема при твердении должно быть равномерным. Это свойство проверяют на лепешках из цементного теста, которые не должны растрескиваться после пропаривания в течение 3 ч (до пропаривания лепешки 24 ч твердеют на воздухе).
9.3. Разновидности портландцемента
Для удовлетворения требований современного строительства к цементам промышленность на основе портландцементного клинкера выпускает различные виды портландцемента.
Быстротвердеющий портландцемент отличается быстрым ростом прочности в первые дни твердения. Выпускают БТЦ двух марок: 400 и 500, которые в трехсуточном возрасте должны иметь предел прочности при сжатии соответственно не ниже 25 и 28 МПа.
Пластифицированный портландцемент получают, добавляя к клинкеру при помоле гидрофильные поверхностно-активные вещества в количестве 0,15- 0,25%. Такой цемент повышает пластичность бетонных и растворных смесей по сравнению с обычным портландцементом при одинаковом расходе воды. Это позволяет уменьшить расход портландцемента, повысить прочность и морозостойкость бетонов и растворов.
Гидрофобный портландцемент получают, добавляя к клинкеру при помоле гидрофобные поверхностно-активные вещества ПАВ (0,05- 0,5 % от массы цемента), образующие на зернах цемента водоотталкивающие пленки. В качестве таких добавок используют главным образом отходы переработки нефти (мылонафт, асидол).
При перемешивании гидрофобного цемента с водой и заполнителями ПАВ сдирается с цементных зерен и переходит в состав бетона или раствора. Поэтому бетонные и растворные смеси на гидрофобном цементе отличаются повышенной пластичностью, а после затвердевания– повышенной морозостойкостью и водонепроницаемостью.
Применяется гидрофобный цемент в тех случаях, когда трудно обеспечить необходимые условия хранения обычного цемента.
Сульфатостойкий портландцемент изготовляют из клинкера с пониженным содержанием трехкальциевого силиката C3S (не более 50%) и трехкальциевого алюмината С3А (не более 5%). При таком составе цемента уменьшается возможность образования в цементном камне гидросульфоалюмината кальция («цементной бациллы») и тем самым повышается стойкость бетона к сульфатной коррозии. Кроме того, сульфатостойкий цемент характеризуется пониженным тепловыделением при твердении. Использование сульфатостойких цементов обосновано для строительства сооружений, подверженных агрессивным воздействиям окружающей среды (например, при устройстве фундаментов, опор мостов, гидротехнических сооружений, конструкций подвергающимся воздействию агрессивных веществ). Марки – М300, М400 и М500
Белый портландцемент получают из белых каолиновых глин и чистых известняков или мела с минимальным содержанием окислов железа, марганца и хрома. В таком цементе практически нет алюмоферрита кальция C4AF, имеющего серо-зеленый цвет. На основе белого цемента и щелочестойких пигментов (сурика, ультрамарина и др.) получают цветные цементы. Марки таких цементов 300, 400 и 500. Применяют белый и цветные цементы для отделочных работ.
9.4. Портландцементы с минеральными добавками
Цементный клинкер — энергоемкий в производстве и дорогостоящий продукт. Поэтому во всех случаях, когда это допустимо, его заменяют более дешевыми природными продуктами или промышленными отходами. К таким смешанным цементам относятся шлакопортландцемент, пуццолановый цемент и кладочные цементы.
Шлакопортландцемент получают путем совместного помола доменного гранулированного шлака (отход производства чугуна) (21- 80 %), портландцементного клинкера (79- 20%) и гипса (не более 5%).
Химический состав доменного гранулированного шлака близок к составу клинкера. К самостоятельному твердению шлак не способен, но в присутствии портландцемента и гипса он проявляет вяжущие свойства.
По коррозионной стойкости и водостойкости он превосходит обычный портландцемент, но твердеет несколько медленнее и при этом выделяет меньше теплоты. Недостаток шлакопортландцемента— пониженная по сравнению с обычным портландцементом морозостойкость. Выпускают трех марок: 300, 400 и 500.
Пуццолановый портландцемент получают либо путем добавления к помолу портландцементного клинкера (79-60%) и гипса, активной минеральной добавки (21-40%) из вулканических туфов, пемзы, диатомита, опоки, золы ТЭС и других веществ.
Пуццолановые цементы отличаются низким тепловыделением при твердении и пониженной скоростью твердения. Морозостойкость пуццолановых цементов ниже, чем портландцемента. Пуццолановый портландцемент применяют для гидротехнического строительства, а также для подземных и подводных сооружений. Пуццолановый портландцемент выпускают марок: 300 и 400.
Цементы для строительных растворов (кладочные цементы)- это портландцемент с пониженным содержанием клинкера (20-30%), а также молотых активных и инертных (известняк, песок) добавок. Такие цементы применяют для кладочных и штукатурных растворов. Использование кладочных цементов дает экономию цементного клинкера – наиболее дорогой части цементов. Марка кладочных цементов 200.
