Содержание активных минеральных добавок в обыкновенном портланддементе не должно превышать 15% по весу.
Если гидравлической добавки содержится более .15%, портландцемент приобретает дополнительное название в зависимости от вида добавки, а именно при введении природных добавок (трепела, диатомита, опоки и др.) - пуццолановый .портландцемент, а при использовании доменных гранулированных шлаков- шлакопортланд.цемент. Эти цементы обла,дают очень высокой водостойкостью и особенно ценны поэтому для гидротехнических сооружений,, однако они твердеют медленнее портландцемента и имеют несколько пониженную прочность.
Применение .гидравлических добавок имеет также экономическое .значение: они снижают стоимость портландцемента будучи значительно дешевле клинкера.
Клинкер представляет собой спекшиеся очень твердые зерна. Поэтому для лзмельчения клинкера требуются значительные затраты энергии. Чтобы облегчить помол клинкера, к нему добавляют интенсифйкаторы помола - уголь, сажу. Их содержание в цементе не должно превышать I % по весу.
Таким образом, портландцемент ,по своему составу представляет сложную тщательно перемешанную однородную смесь измельченного клинкера, гипса, гидравлических (активных минеральных) или инертных добавок и интенсификаторов помола.
§ 2. СОСТАВ КЛИНКЕРА И ЕГО ОЦЕНКА
Качество клинкера зависит от его ХИмическо.го и минералогического составов.
Химический состав характеризуется содержанием в клинкере различных окислов. Минералогический состав - теми веществами (минералами), которые образуются из этих окислов в процессе обжига.
iB .практике цементного производства пользуются также третьим показателем оценки качества клинкера: соотношением между основными окислами, позволяюЩИм регулировать и заранее рассчитывать минералогический состав клинкера, зная химический состав исходных сырьевых материалов.
Химический состав клинкера
Сырьевыми материалами для производства портландцемеитного клинкера чаще всего служат горные породы - глина и известняк, содержащие углекислый кальций.
Глина состоит из различных .веществ, образовавшихся в основном из трех окислов: ЗЮг-двуокиси кремния (кремнезема), АЬОз - окиси алюминия ((глинозема) и РсгОз -окиси железа.
Углекислый кальций СаСОз может быть .представлен двумя окислами СаО и СОг.
При обжиге клинкера глинистые вещества и углекислый кальций разлагаются. Газообразные продукты, в частности СОг и вода, удаляются, а оставшиеся четыре твердых окисла: СаО, Si02, AI2O3 и РегОз образуют при спекании основные минералы цементного клинкера.
Процентное содержание основных окислов в клинкере обыкновенного портландцемента находится в следующих пределах:
СаО-60-67%
ЗЮг-19-25%
А120з-4-8%
РегОз-2-6%.
Наряду с основными окислами в клинкере могут присутствовать и другие, например окись магния MgO, окислы щелочных металлов Na, КгО, ангидрид серной кислоты SO3 я другие, как-то: двуокись титана ТЮг, фосфорный ангидрид Р2О5, окись .марганца МП2О3. Эти окислы в той или иной степени влияютТ1а качество цемента.
Минералогический состав клинкера
Четыре основных окисла СаО, ЗЮг, А10з и РегОз вклинке-ре не находятся в свободном состоянии. При обжиге они взаимодействуют между собой, образуя различные минералы, которые в основном определяют -важнейшие .строительные свойства портландцемента.
Процентное содержание основных минералов в клинкере обыкновенного портландцемента находится .в следующих пределах:
ЗСаО-8102-42-65% 2Ca0.Si02-15 - 50%
* В скобках приведены сокращенные обозначения клинкерных минералов, гринятые в технической литературе. Буквы показывают, из каких окислов состоит минерал, индекс 2, 3, 4 обозначает количество молекул данного окисла, входящих в состав данного минерала.
ЗСаО-А120з-2-
4СаО • AI2O3. FegOg -10 - 25 %
Их cyMiMapHoe количество составляет 95-98%. Оставшаяся часть "Приходится на свободные окислы или другие малозначимые для портландцемента минералы. Алита и белита в клинкере содержится 70-вО%.
Минералогический состав клинкера положен в основу разделения портландцементов на следующие виды:
высокоалитовый портландцемент, содержание в котором трехкальциевого силиката превышает 60%;
а л и т о в ы й портландцемент, содержащий трехкальциевого силиката 60-60%;
i6 е л и т о в ы й портландцемент, содержащий двухкальциево-го силиката более 35%.
В зависимости от содержания алю.минатов цементы разделяют на низкоалюминатные (СзА до 5 %), среди е-алюминатные ОзА 5-9%) и высокоалюминатные (СзА более 9%).
А л ю м оф е р ,р и т н ы й портландцемент содержит четырех-кальциевого алюмоферрита (C4AF) больше 18% или СзА<27о.
iB клинкере иногда может присутствовать в повышенном количестве одновременно два минерала. Такой портландцемент приобретает двойное название: алито-алюминатный, белито-алюминатный и т. д.
Знание процентного содержания в клинкере важнейших минералов позволяет с достаточной степенью точности предположить некоторые качества портландцемента - скорость нарастания его прочности, влияние условий твердения на прочность, стойкость в пресных и минерализованных водах, экзотермич-ность, т. е. количество тепла, выделяемого при твердении, и др.
Исходя из знания свойств отдельных минералов и эксплуатационных условий, в которых будет находиться бетон, можно подбирать цемент соответствующего минералогического состава.
Наряду с указанными выше минералами в клинкере могут присутствовать в свободном виде окись кальция и окись магния, существенно влияющие на качество портландцемента, если их содержание оказывается выше определенных пределов.
iB производственных условиях трудно добиться полного связывания окиси кальция в виде основных клинкерных минералов. При высоком содержании свободной СаО в портландцементе она отрицательно влияет на его свойства, вызывая растрескивание затвердевшего цементного камня. Вредное действие свободной окиси кальция объясняется тем, что гашение СаО, т. е. взаимодействие ее с водой, сопровождается увеличением в объеме; скорость гашения при этом зависит от температуры обжига. Известь, образовавшаяся при температуре обжига до 1000-
1100°С, гасится быстро, нос повышением температуры скорость гашения извести замедляется, а при температуре обжига клинкера (около 11500°С) она оказывается весьма медленно гасящимся веществом. Гашение ее не успевает законч1Иться до схватывания (начала твердения) цемента, продолжается в отвердевшем цементном ка.мне и .разрывает его.
Содержание свободной извести в портландцементе зависит от совершенства технологического процесса. Современная технология обеспечивает выпуск клинкера с минимальным количеством свободной извести (до 1%).
При высоком содержании свободной извести в клинкере его подвер,гают магазинированию - вылеживанию на открытом воздухе в целях гашения извести влагой, содержащейся ,в воздухе. Иногда клинкер дополнительно обрызгивают водой.
Механизм действия свободной окиси магния в твердеющем портландцементе аналогичен действию свободной СаО. При обжиге клинкера магнезия MgO образуется в виде вещества, весьма медленно .гасящегося (значительно медленнее СаО), что приводит к растрескиванию затвердевших бетонов.
Для предупреждения .разрушения цементного камня от действия свободной окиси магния содержание MgO в обычном клинкере ограничивается 5%.
С повышением температуры твердения цемента .гашение MgO происходит значительно быстрее. Это свойство окиси магния используют в лабораторной практике для установления степени вредного влияния ее на цемент, подвергая его .испытанию на равномерность изменения объема в автоклаве при давлении пара 20 ат, температура .пара при этом превышает 260°С. Автоклавное испытание цемента на равномерность изменения в объеме при твердении производится в том случае, когда содержание MgO в клинкере более 5%.
Модули клинкера и коэффициент насыщения
Определение процентного содержания в клинкере отдельных минералов производят .прямым методом - петрографическим и рентгенографическим анализами и косвенным - расчетным.
В заводской практике наиболее часто применяют расчетный метод, поэтому рассмотрим его более подробно. Для определения минералогического состава клинкера .расчетным методом необходимо знать процентное содержание основных клинкеро-образующих окислов. Соотношение между основными окислами выражается двумя модулями и коэффициентом насыщения. Эти величины практически остаются одинаковыми и для клинкера и для сырьевой смеси.. Поэтому, зная модули и коэффициент насыщения, можно не только определить минералогический состав готового клинкера, но н подобрать клинкер, обладающий нуж-
ными качествами. Последнее обстоятельство имеет особенно большое практическое значение, так как позволяет подбором химического состава сырья регулировать минералогический состав клинкера.
В современной .практике пользуются двумя модулями-силикатным и глиноземным.
Силикатный (кремнеземный) модуль (п) показывает отношение в клинкере двуокиси кремния к окислам алюминия и железа:
5А120з-Ь 4Fe20з
Для обыкновенных портландцементов величина силикатного модуля находится в пределах от 11,7 до 3,5.
Высокий силикатный модуль показывает, что в клинкере относительно много силикатов кальция - ЗСаО-5102 и 2CaO-Si02, но мало алюминатных соединений - вСаО-АЬОз 4СаО-А120з-Ре20з.
Глиноземный (алюминатный) модуль (р) показывает отношение глинозема (окиси алюминия) к содержанию окиси железа:
%А120з
%Ре20з
Величина глиноземного модуля для обыкновенных портландцементов равна от 1 до 2,5.
При высоком глиноземном модуле клинкер отличается повышенным содержанием ЗСаО-АЬОз, но в нем Относительно мало 4СаОА120з-Ре5(Оз. Если же глиноземный модуль мал, т. е. много РегОз, то значительная часть глинозема связана в виде С4АР, несмотря на то, что содержание окиои алюминия в клинкере может .быть высоким. .При значительном содержании окиси железа в процессе обжига сначала получается С4АР, а затем оставшийся глинозем образует С3А.
Цементы с высоким глиноземным модулем .вначале твердеют очень быстро, но, достигнув определенной прочности, больше ее уже не повышают.
Коэффициент насыщения (КН) является наиболее важной характеристикой портландцемеитного клинкера. Коэффициент насыщения выражается .следующей формулой:
(СаОобщ - СаОсв)-(1.65А120з + О.ЗБРеаОз + 0,75Оз)
2,8(Si02o6m-Si02cB)
В формуле КН указано процентное содержание окислов. При этом разности (СаОобщ - СаОсв) и (ЗЮгобщ - 5Ю2св)-12
между общим и свободным содержанием этих окислов показывают их связанное количество в клинкере.
Сущность формулы коэ(ффициента насыщения и ее построения заключается в следующем. Она показывает отношение количества СаО, оставшейся после насыщения окисн алюминия до трехкальциевого алюмината, окиси железа -до однокаль-циевого феррита* .и ангидрида серной кислоты - до сернокислого кальция, к тому количеству извести, которое требуется для насыщения кремнезема известью до трехкальциевого силиката.
В процессе обжига клинкера при избытке извести процесс образования C2S, СзА и C4AF протекает до начала образования трехкальциевого силиката. При более высокой температуре (свыше ,1.300°С) и при наличии жидкой фазы образуется трехкальциевый силикат за счет присоединения одной молекулы СаО двухкальциевым силикатом. Таким образом, .при производстве портландцемеитного клинкера основная задача -это перевести двухкальциевый силикат в трехкальциевый силикат и получить в кл.инкере требуемое количество трехкальциевого силиката, но в клинкере при этом не должно оставаться свободной извести, т. е. количество взятой СаО должно соответствовать тому ее количеству, котор.ое необходимо для получения C3S; С3А и С4АР. Для определения необходимого количества извести и пользуются коэффициентом насыщения.
Расчет минералогического состава клинкера
Определение минералогического состава клинкера расчетом производится по следующим формулам:
Расчет состава сырьевой смеси клинкера заключается в определении соотношения между исходными сырьевыми материалами, которое обеспечивает получение клинкера заданного минералогического состава. Эта задача решается .расчетными
* Здесь принято условие, что четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО* АЬОз • РегОз может быть представлен как сумма двух веществ: трехкальциевого алюмината ЗСаО - АЬОз и однокальциевого феррита СаО - РегОз.
