или графическими методами (при помощи заранее разработанных диаграмм); в современной заводской практике расчетные методы получили основное применение.
Существуют различные методы расчета сырьевой смеси клинкера; однако сущность большинства их заключается в определении того максимального количества СаО, которое может химически связаться с кислотными окислами при обжиге клинкера, образуя клинкерные минералы.
Рассмотрим один из расчетных методов, разработанный отечественными учеными и хорошо подтверждающийся практикой.
В зависимости от числа разновидностей материалов (компонентов), применяемых для составления сырьевой смеси требуемого химического состава, различают сырьевую смесь двух-. компонентную, трехкомпонентную и четырехкомпонентную.
При использовании для обжига клинкера твердого топлива расчет смеси не зависимо от числа исходных компонентов производят с учетом или без учета присадки к клинкеру эолы топлива. Присадку золы учитывают в случае использования топлива высокой зольности, например горючих сланцев, бурых углей, а также проектируя состав клинкера с высоким коэффициентом насыщения-быстротвердеющих, высокопрочных цементов.
Рассмотрим пример расчета двухкомпонентной сырьевой смеси .(смеси с большим количеством комионентов рассчитывают аналогично). Расчет двухкомпонентной сырьевой смеси без учета присадки золы топлива производят по заданной величине коэффициента насыщения и при известном химическом составе каждого компонента (известняка и глины). Состав смеси характеризуется количеством весовых частей одного из компонентов, приходящихся на одну весовую часть другого компонента, так, если x вес. ч. первого ком.понента, приходится на 1 вес. ч. второго компонента, то потребное содержание основных окислов в двухкомпонентной сырьевой смеси может быть выражено следующими уравнениями:
JtSi + S2
где Со, So, Ао и Fo - потребное процентное содержание основных окислов (СаО; ЗГОг; AI2O3 и РегОз) в сырьевой смеси, обеспечивающее получение клинкера с заданным коэффициентом насыщения.
Начальные буквы основных окислов со значком 1 и 2 показывают их процентное содержание соответственно в первом или втором компоненте.
Для определения величины х значения Со, So, Ао и Fo подставляют в формулу коэффициента насыщения:
Со-(1.65Ао + 0,35Fo)
КН =-
2.8S0
и решают относительно х, получая путем соответствующих преобразований расчетную формулу, устанавливающую, какое количество весовых частей первого компонента (х) требуется взять на 1 вес. ч. второго компонента, чтобы получить клинкер с заданным коэффициентом насыщения;
2,8S2-KH + 1,65А2 + О.ЗбРа - Са Ci - 2,8Si-KH - l,65Ai - 0,35Fi
Приме p. Рассчитать двухкомпонентную сырьевую смесь, в которой - 1-й компонент изтестняк и 2-й компонент глина: хи.м.и,ческий состав компонентов в % следующий:
наимеиоваиие
sioz
аьоз
гегоа
прочие
потери при прокаливании
сумма
Известняк Глина
53,48 2.34
1.92 64,79
1.03 14,45
0,63
7,43
- 1,69 6,23
41.25 4,76
100,0 100.0
Коэффициент насыщения прииимается 0,90. (При данном xMMiHMecKOiM составе HSBecTiHHKia и глииы соотношение их \(зС) в сырьевой омеси должно быть равно:
Для расчета сырьевой смеси принимается упрощенная формула КН, так как не известно, какое количество СаО, БЮг и SO3 останется в клинкере в свободном состоянии; SO3 частично выгорает.
Следовательно, на каждую весовую часть глины потребуется взять 3,89 вес. ч. известняка. В процентном вьрраокении это составит: известняка - 79,Э57о, глииы - 20,05%. Химический состав сырьевой смеси и клинкера при таком соотношении исходных компонентов будет следующий.
Химический .состав сырьевой юмеси и клинкера в %:
компоненты на 100 вес. ч.
sio2
аьо.
регоз
прочие
потери при прокаливании
сумма
Известняк......
Глина ........
Сырьевая смесь .... Клинкер ; ......
42,63 0,46 43,09 65.46
1.54 13,02 14,56 22,11
0,82 2,91 3,73 5,54
0,51 1,47 1,98 3,01
1,33
1,23 2.56 3,80
33,12 0,96 34,08
79,95 20,05 100,00 100,00
Химический состав клинкера при известном химическом составе сырьевой смеси рассчитывают умножением процентного содержания каждого окисла в смеси на коэффициент К, равный для данного примера:
где К - коэффициент, который показывает, па сколько увеличится относительное содержание твердых окислов в сырьевой смеси после ее прокаливания, т. е. после удаления газообразных продуктов, потери при прокаливании (П.П.П.);
34.08 - потери при прокаливании смеси.
Для проверки правильности произведенного расчета двухкомпоиентной сырьевой смеси вычисляют коэффициент насыщения. Он должен быть равен заданному, т. е. 0,90, принятому в данном примере:
65,46 -(1,65-5,54 + 0,35-3,01) 55,3
2.8-22,11 - 61,90
Полученная величина коэффициента насыщения отличается от заданного всего на 0,64% и находится в допустимых пределах отклонения, что неизбежно имеет место при округлении чисел.
§ 3. ПРОЦЕССЫ ТВЕРДЕНИЯ ПОРТЛАДЦЕМЕНТА
Глубокое понимание свойств .портландцемента и требований, предъявляемых к нему, а также проектирование и выбор клинкера определенного минералогического .состава возможны только при знании процессов, протекающих при формировании прочного цементного камня .из цементного порошка.
Цемент, затворенный .водой и тщательно перемешанный, образует пластичное, липкое .цементное тесто. Это тесто постепенно загустевает « переходит в камнеподобное состояние. Превращение порошка .цемента в цементный камень .с постепенным переходом через стадию образования пластичного .цементного теста определяется физико-химическими процессами, происходящими между щементом .и водой.
(Клинкерные минералы, входящие .в состав цементного зерна, при соприкосновении последнего с водой начинают растворяться и химически взаимодействовать с ней-гидратироваться *, образуя гидраты:
* Гидратацией называется химическая реакция присоединения воды к веществу. Различают также реакции гидролиза, при которых сложное вещество под действием воды разлагается на менее сложные. В данном случае C2S н СзА гидратируют, а C3S и C4AF подвергаются гидролизу. В дальнейшем два этих типа реакций будем условно называть гидратацией.
Так как цемент затворяется ограниченным количеством воды, то в результате растворения клинкерных минераЛОВ раствор в цементном тесте быстро становится насыщенным. Дальнейшая их гидратация вызывает пересыщение раствора, так как растворимость гидратов значительно меньше растворимости клинкерных минералов. Пересыщенные растворы в обычных условиях существовать не могут, из них начинает выпадать растворенное вещество в виде мельчайших частиц, в данном случае гидратов клинкерных минералов. Эти частицы обладают клеящей способностью, которая передается цементному тесту. В результате оно хорошо прилипает к различным телам и склеивает их.
Вследствие поглощения воды клинкерными минералами на гидратацию содержание свободной воды в .цементном тесте уменьшается, что повышает концентрацию гидратов и вызывает их слипание. При этом цементное тесто начинает загустевать (упрочняться), теряя клеящую способность и пластичные свойства. Период, в течение которого цементное тесто начинает приобретать некоторую .прочность, называют временем схватывания; в зависимости от величины этой прочности различают начало и конец схватывания цементного теста. .В конце схватывания оно теряет пластичность.
Дальнейшее приобретение прочности цементным камнем определяется более глубокими процессами уплотнения гидратиро-ванных масс клинкерных минералов и частичным переходом последних в кристаллическое состояние. Образующиеся при этом кристаллические сростки пронизывают цементный камень во всех направлениях и как бы армируют его, обеспечивая высокую прочность.
Скорость твердения цемента, таким образом, будет зависеть , от скорости растворения клинкерных минералов, накопления гидратов, .последующего их уплотнения и кри.сталл.изации.
Скорость растворения минерал.ов различна. Быстрее .всех . растворяется трехкальциевый алюминат; затем следует четырехкальциевый алюмоферрит и трехкальциевый силикат и значительно медленнее других растворяется двухкальциевый силикат. Если учесть, что клинкер в основно.м составляют силикаты кальция, тогда как алюминаты содержатся в сравнительно небольшом количестве, то становится очевидным, что цементы с высоким содержанием трехкальциевого силиката твердеют значительно быстрее цементов с высоким содержанием двухкаль-циевого силиката.
Скорость растворения цементного порошка и всех последующих процессов твердения цемента зависит также от тонкости помола цемента. Чем мельче зерна, тем большей оказывает.ся Их поверхность в одном и том же количестве цемента, в результате улучшаются условия взаимодействия цемента с водой. .По
Для определения активности цемента сначала приготовляют цементный раствор определенной консистенции, затем из него изготовляют образцы, выдерживают их 28 суток в стандартных условиях и испытывают на прочность.
Цементный р-аствор приготовляют в соответствии с ГОСТ 310-60 (методы испытания цемента) следующим образом. Отвешивают 500 г цемента и 1500 г песка. Песок для испытания цементов применяется «нормальный» Вольский (ГОСТ 6139-52), характеризующийся определенной крупностью зерен (от 0,5 до 0,85 Л1Л1) и высоким содержанием двуокиси кремния (не менее 96%).
Цемент и иесок высыпают в сферическую чашку и тщательно перемешивают лопаточкой в течение 1 мин. Затем в центре сухой смеси делают углубление и вливают в него воду в количестве 40% от веса цемента (водоцементное отношение равно 0,4), т. е. 200 мл. .После того как вода впитается, смесь еще раз перемешивают вручную в течение 1 мин, а затем в стандартной механической мешалке в течение 2,5 мин (20 оборотов чаши).
По окончании перемешивания определяют консистенцию раствора. Для этого пользуются встряхивающим столиком с установленной на нем формой-конусом высотой 60 мм и диаметром оснований 1100 и 70 мм.
Для определения консистенции .раствора форму-конус заполняют растворной смесью в два приема. .Первый слой штыкуют 15 раз, второй-10. Излишек раствора срезают ножом и форму-конус поднимают строго вертикально. Полученный конус раствора встряхивают на столике 30 раз и измеряют расплыв конуса по нижнему основанию в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Консистенция раствора считается но.рмаль-ной, если расплыв конуса оказывается равным 105-1110 мм. При меньшем расплыве конуса раствор приготовляют заново с несколько большим количеством воды.
От величины .водоцементного отношения зависит пористость цементного камня. На химическую реакцию цемент поглощает строго определенное количество воды, .примерно 16-20% ог своего веса. Вода, введенная в раствор сверх этого количества, испаряется и образует в .цементном камне поры, снижающие его прочность. Чем выше В/Ц, тем больше будет пористость цементного камня и ниже его прочность. Однако .прочность цементных образцов зависит также от степени их уплотнения. А чем пластичнее смесь, тем легче и лучше она уплотняется при .формовании образцов. Продолжительность и усилие уплотнения раствора принимаются во всех случаях строго постоянными (одинаковое число встряхиваний), .поэтому для получения равной степени уплотнения необходимо применять смесь одной и той же кон-
систенции, при В/Ц близком к 0,40, что и предусматривает стандарт.
Для изготовления образцов применяют металлические разъемные трехгнездные формы. Уплотняют раствор вибрацией на виброплощадке.
.При испытаниях цемента необходимо особое внимание обращать на услов1ИЯ твердения. Это требование определяется тем, что на лроцессы твердения цемента температура и влажность среды оказывают серьезное влияние: с повышением температуры твердение ускоряется; недостаточная влажность так же, как и низкая температура, может привести к замедлению или к полному прекращению твердения. Поэтому для получения сравнимых результатов независимо от места и времени испытания .цемента стандарт устанавливает определенные требования в отношении условий твердения цемента.
Отформованные образцы вместе с формой помещают в ванну с гидравлическим затвором при относительной влажности среды около ;100% и температуре 20±2°С и хранят в течение 24+2 ч. Затем образцы расформовывают и укладывают в бассейн с водой в горизонтальном положении, раздельно друг от друга. .Воду в бассейне нужно менять через каждые 14 суток.
По истечении срока хранения образцы вынимают из воды, насухо вытирают .и не позднее чем через 10 мин подвергают испытанию.
Для определения марки цемента образцы испытывают в возрасте 28 суток с момента .их изготовления, подвергая каждую балочку разрушению изгибающей нагрузкой, а затем каждую из полученных половинок балочек испытывают на сжатие.
По величине предела прочности при изгибе и сжатии образцов в возрасте 28 суток устанавливают марку цемента. При этом пределы прочности при изгибе и сжатии для каждой м.арки цементов должны быть не ниже, приведенных в табл. 1.
ГОСТ 970-61 предусматривает отличные по величине марки цемента. Марка обозначается по пределу прочности при сжатии через 28 суток твердения трамбованных образцов (кубов 70,7X Х70,7Х70,7 мм), изготовленных из раствора жесткой консистенции с нормальным песком состава 1 :3 (по весу). По этому ГОСТ принято пять марок: 300, 400, 500, 600, и 700. Более высокие значения марок объясняются более энергичным уплотнением образцов трамбованием и низким водоцементным отношением в пределах 0,28-0,32 и менее.
Такая величина водоцементного отношения и способ изготовления образцов (трамбованием) по существу не отвечали условиям применения цемента в рабочих бетонных смесях и наиболее распространенному способу их уплотнения (вибрацией). Водоцементное отношение рабочих бетонных смесей всегда превышает нормальную густоту цементного теста,. исходя из
