Узнайте больше о производстве и типах цемента.
Цемент: основные положения
Цемент получается при нагревании извести и глины или других материалов сходного валового состава и достаточной активности до температуры 1450С. Происходит частичное плавление, и образуются гранулы клинкера. Для получения цемента клинкер перемешивают с несколькими процентами гипса и тонко перемалывают. Гипс управляет скоростью схватывания; его можно частично заменить другими формами сульфата кальция. Некоторые технические условия разрешают добавлять другие материалы при помоле. Типичный клинкер имеет примерный состав 67% СаО, 22% SiO2, 5% АI2О3, 3% Fе2O3 и 3% других компонентов и обычно содержит четыре главные фазы, называемые алит, белит, алюминатная фаза и ферритная фаза. В клинкере обычно присутствуют в небольших количествах и несколько других фаз, таких как щелочные сульфаты и оксид кальция.
Алит является наиболее важной составляющей всех обычных цементных клинкеров; содержание его составляет 50-70%. Это трехкальциевый силикат, Са3SiО5, состав и структура которого модифицированы за счет размещения в решетке инородных ионов, особенно Mg2+, АI3+ и Fе3+. Алит относительно быстро реагирует с водой и в нормальных цементах из всех фаз играет наиболее важную роль в развитии прочности; для 28-суточной прочности вклад этой фазы особенно важен.
Содержание белита для нормальных цементных клинкеров составляет 15-30%. Это двукальциевый силикат Ca2SiО4, модифицированный введением в структуру инородных
ионов и обычно полностью или большей частью присутствующий в виде, В-модификации. Белит медленно реагирует с водой, таким образом слабо влияя на прочность в течение первых 28 суток, но существенно увеличивает прочность в более поздние сроки. Через год прочности чистого алита и чистого белита в сравнимых условиях примерно одинаковы.
Содержание алюминатной фазы составляет 5-10% для большинства нормальных цементных клинкеров. Это трехкальциевый алюминат Са3Аl2O6, существенно измененный по составу, а иногда и по структуре, за счет инородных ионов, особенно Si4, Fe3+, Nа + и К+. Алюминатная фаза быстро реагирует с водой и может вызвать нежелательно быстрое схватывание, если не добавлен контролирующий схватывание агент, обычно гипс.
Ферритная фаза составляет 5-15% обычного цементного клинкера. Это - четырехкальциевый алюмоферрит Ca2AIFeО5, состав которого значительно меняется при изменении отношения AI/Fe и размещении в структуре инородных ионов. Скорость, с которой ферритная фаза реагирует с водой, может несколько варьировать из-за различий в составе или других характеристиках, но, как правило, она высока в начальный период и является промежуточной между скоростями для алита и белита в поздние сроки.
Подавляющее большинство цементов, производимых во всем мире, предназначается для использования в обычном строительстве. Технические условия, которым должны соответствовать цементы, во всех странах схожи, но не идентичны, и часто используются различные наименования одного и того же материала: например, "ОРС" (ordinary portland cement, обычный портландцемент) в Великобритании или "тип 1 портландцемента" в США. Мы используем термин "обычные" цементы, чтобы отличить эти цементы широкого назначения от других типов цемента, изготовляемых в небольших количествах для специальных целей.
Технические условия в общем случае базируются частично на химическом составе и физических свойствах, таких, как удельная поверхность, и частично на данных испытаний, таких, как время схватывания и прочность на сжатие, развиваемая при стандартных условиях. Содержание MgО1) обычно ограничивается 4 или 5%, так как количество этого компонента, превышающее примерно 2%, склонно существовать в виде периклаза (оксид магния), который из-за медленной реакции с водой может вызвать деструктивное расширение твердеющего бетона. Свободная известь (оксид кальция) тоже может себя вести подобным образом, и возможность ее образования устанавливает на практике верхний предел содержания алита в клинкере; в технических условиях в Великобритании это регулируется параметром, определяющим химический состав и называемым "коэффициентом насыщения известью". Избыток SO3 также может привести к замедленному расширению верхний предел содержания этого компонента устанавливается обычно в 2,5 - 4,0%. Оксиды щелочных элементов (К2О и Na2О) могут давать с определенными компонентами реакции, приводящие к расширению материала, и некоторые национальные технические условия лимитируют их содержание, например до 0,6% эквивалента Nа2О (Na2О + О,66 К2О). Другие верхние пределы состава, широко используемые в технических условиях, связаны с нерастворимым в разбавленной кислоте остатком и потерей при прокаливании. Содержание многих других второстепенных компонентов необходимо ограничивать из-за их влияния на процесс производства, или на свойства, или на то и на другое вместе, и в некоторых случаях допустимое содержание определено в технических условиях.
Быстротвердеющие цементы можно получить различными путями. Это, например, изменение состава, с тем чтобы увеличить содержание алита; более тонкий помол клинкера; усовершенствования в самом процессе производства, а именно более тонкий помол или лучшее перемешивание сырьевых материалов. Содержание алита в цементах за последние полтора века, в течение которых производился цемент, постоянно увеличивалось, и многие современные цементы, которые сейчас считаются обычными, описывались бы как быстротвердеющие всего лишь несколько десятилетий тому назад. В технических условиях США быстротвердеющие цементы называются цементами с высокой ранней прочностью или цементами типа ПI.
Деструктивное расширение из-за реакции с сульфатами может возникнуть не только в случае, если последние присутствуют в цементе избытке, но и при воздействии на бетон сульфатных растворов. В реакцию вовлекаются А12Оз - содержащие фазы в затвердевшем цементе, а в сульфатостойком портландцементе влияние сульфатов понижается за счет уменьшения доли алюминатной фазы, иногда до нуля. Это достигается понижением отношения А12Оз/Fе2Оз в сырьевых материалах. В США сульфатостойкие цементы называются цементами типа V.
Белые портландцементы получаются при увеличении отношения А12O3/Fе2O3 и таким образом они по составу противоположны сульфатостойким цементам. Обычная темная окраска цемента связана с присутствием ферритной фазы, образование которой в белых цементах, следовательно, должно быть предотвращено. На практике не удается обойтись без сырьевых материалов, которые полностью свободны от Fе2О3 или других компонентов, таких как Мn2О3, вносящих свой вклад в окраску. Поэтому влияние этих компонентов обычно минимизируют, получая клинкер в слабо восстановительных условиях и при быстрой закалке. В дополнение калиту, белиту и алюминатной фазе может образовываться некоторое количество стекла.
Реакция цемента с водой экзотермична, и, будучи преимуществом в некоторых случаях, поскольку ускоряется твердение, в других это может быть недостатком, например, при строительстве больших дамб или плотин или при футеровке нефтяных скважин, когда цементное тесто нужно нагнетать под давлением на большое расстояние, а иногда и при высокой температуре.
Медленное выделение тепла достигается при более грубом помоле и уменьшении суммарного выделения тепла путем понижения содержания алита и алюминатной фазы. В США разработаны технические условия для цементов типа II, как цементов со средним тепловыделением при твердении, и цементов типа IV, или цементов с низким тепловыделением. Цементы типа II годятся также для использования в сооружениях, подвергающихся умеренному сульфатному воздействию. Тепловыделение может быть понижено и при частичной замене цемента на пылеобразную золу топлива (золу уноса) или на другие материалы, и в настоящее время это, по-видимому, наиболее обычное решение проблемы.