Teplomarcet.ru

Про Тепло дома
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Химические реакции при производстве цемента

Химические реакции при производстве цемента

Цементное тесто, приготовленное путем смешивания цемента с водой, вначале (в течение 1—3 ч после затворения) пластично и легко формуется. Потом наступает схватывание, заканчивающееся обычно через 5—10 ч после затворения; в период схватывания цементное тесто загустевает, утрачивая подвижность, но его механическая прочность еще невелика. Переход цементного теста в твердое состояние означает конец схватывания и начало твердения, которое характерно возрастанием прочности. Твердение при благоприятных условиях длится годами — вплоть до полной гидратации цемента.

Сразу после затворения цемента водой начинаются химические реакции. Уже в начальной стадии гидратации цемента происходит быстрое взаимодействие алита с водой, сопровождающееся образованием гидросиликата кальция и гидроксида:

2 (3CaO-SiO2) + 6Н2О = 3CaO-2SiO2-3H2O + ЗСа (ОН)2.

После затворения гидроксид кальция образуется из алита, так как белит гидратируется медленнее алита и при его взаимодействии с водой выделяется меньше Са(ОН)2, что видно из уравнения реакции:

2 (2CaO-SiO2) + 4Н2О = 3CaO-2SiO2-3H2O + Сa (ОН)2.

Гидросиликат кальция 3CaO-2SiO2-3H2O образуется при полной гидратации чистого трехкальциевого силиката в равновесии с насыщенным раствором гидроксида кальция. Молярное соотношение CaO/SiO2 в гидросиликатах, образующихся в цементном тесте, может изменяться в зависимости от состава материала, условий твердения и других обстоятельств. Поэтому применяется термин С—S—Н для всех полукристаллических и аморфных гидратов кальциевых силикатов, относимых к гелевой фазе.

Гидросиликаты кальция низкой основности, имеющие состав (0,8—1,5) CaO-SiO2-(1—2,5)Н2О обозначаются (по Тейлору) формулой С—S—Н (I), гидросиликаты более высокой основности (1,5—2) CaOSiO2-nH2O— формулой С—S—Н (II). Образование низкоосновных силикатов кальция повышает прочность цементного камня; при возникновении высокоосновных гидросиликатов его прочность меньше. При определенных условиях, например при автоклавной обработке (в среде насыщенного пара при давлении 0,8—1,3 МПа и температуре 175— 200 °С), образуется тоберморит 5CaO-6SiO2-5H2O, xaрактеризующийся хорошо оформленными кристаллами, которые упрочняют цементный камень.

Основной алюмосодержащей фазой в портландцементе является трехкальциевый алюминат ЗСаО-А12Оз. Он представляет и самую активную фазу среди клинкерных минералов. Немедленно после соприкосновения ЗСаО-А12Оз с водой на поверхности непрореагировавших частиц образуется рыхлый слой метастабильных (неустойчивых) гидратов 4СаО-А12О3-19Н2О и 2СаО-А12О3-8Н2О в виде тонких гексагональных пластинок, образующих по терминологии Р. Кондо и М. Даймона «структуру карточного домика». Рыхлая структура гидроалюминатов ухудшает морозостойкость, а также стойкость против химической коррозии. Это одна из причин ограничения количества трехкальциевого алюмината в специальных портландцементах, применяемых для морозостойких бетонов.

Стабильная форма — шестиводный гидроалюминат ЗСаО-А12О3-6Н2О, кристаллизующийся в кубической форме, образуется в результате быстро протекающей химической реакции:

3CaO- Al2O3 + 6H2O = ЗСаО-А12О3-6Н2О.

Для замедления схватывания при помоле клинкера добавляют небольшое количество природного гипса (3— 5 % массы цемента). Сульфат кальция играет роль химически активной составляющей цемента, реагирующей с трехкальциевым алюминатом при затворении цемента водой и связывающей его в гидросульфоалюминат кальция (минерал эттрингит) в начале гидратации портландцемента.

Читайте так же:
Сухоложский цемент марки 500

В насыщенном растворе эттрингит сначала выделяется в коллоидном тонкодисперсном состоянии, осаждаясь на поверхности цементных частиц, образуя тонкую плотную экранирующую оболочку, что замедляет их гидратацию и отодвигает схватывание цемента. При правильной дозировке гипса он является не только регулятором сроков схватывания ПЦ, но и улучшает свойства цементного камня. Это связано с тем, что кристаллизация из пересыщенного раствора понижает концентрацию гидроксида кальция в растворе, и эттрингит через 6-8 ч перекристаллизовывается в виде длинных иглоподобных кристаллов, которые создают начальную волокнистую структуру твердеющего цементного камня. Кристаллы эттрингита и обусловливают раннюю прочность затвердевшего цемента. Эттрингит, содержащий 31—32 молекулы кристаллизационной воды, занимает примерно вдвое больший объем по сравнению с суммой объемов реагирующих веществ (С3А и сульфат кальция). Заполняя поры цементного камня, эттрингит при оптимальной дозировке гипса повышает его механическую прочность. Структура затвердевшего цемента улучшается еще и потому, что предотвращается образование в нем слабых мест в виде рыхлых гидроалюмина-тов кальция.

Четырехкальциевый алюмоферрит при действии воды гидролитически расщепляется с образованием шестиводного трехкальциевого алюмината и гидроферрита кальция по схеме

Однокальциевый гидроферрит, взаимодействуя с гидроксидом кальция, который ранее образовался при гидролизе C3S, переходит в более высокоосновный гидроферрит кальция . Гидроалюминат связывается добавкой гипса, а гидроферрит входит в состав цементного геля.

Химические реакции при производстве цемента

При твердении цемента происходят реакции гидратации, гидролиза и обменного взаимодействия, протекающие при затворении цемента водой в жидкой фазе или па поверхности твердых частиц цемента. Большинство реакций сопровождается выделением тепла. Продукты реакции — твердые вещества либо квазитвердые, частично растворимы в воде и образуются в условиях постоянного уменьшения массы воды в процессе твердения.
Изучение химических реакций, протекающих при взаимодействии заводского цементного клинкера с водой, связано с большими трудностями. Клинкер состоит из минералов, в различной степени модифицированных твердыми растворами, застывшей жидкой фазы, стекла и т. п., и поэтому условия его твердения иные, чем у отдельных синтезированных в лабораторных условиях минералов. Кроме того, вода в процессе взаимодействия с цементом насыщается переходящими в раствор известью, гипсом и щелочами, наличие и концентрация которых в жидкой фазе твердеющего цемента существенно влияет на состав гидратных новообразований. При этом наблюдается взаимовлияние отдельных реакций, происходящих при твердении.
При гидратации индивидуальных синтетических минералов — силикатов кальция было установлено, что реакция C3S с водой приводит к образованию C3S2Hx, на пограничной поверхности возникает пленка толщиной в несколько молекул.
При гидратации портландцемента в нормальных условиях образующиеся гидросиликаты кальция имеют переменный состав, в значительной степени близки к аморфным веществам и не образуют полной кристаллической структуры, которая возникает при твердении цемента в условиях повышенных температуры и давления. Они могут быть отнесены к полукристаллическим слабозакристаллизованным соединениям. К полукристаллическим слабозакристаллизованным относят также соединения, дающие на порошкограммах более трех линий, в которых отсутствует нормальный трехмерный порядок, характерный для кристаллических объектов.
Поскольку жидкая фаза твердеющей системы быстро и полно насыщается оксидом кальция, полагают, что вначале образуется гидросиликат кальция C2SH2, который по мере выделения извести в твердую фазу переходит в CSH(B). Этому способствует также переход в раствор щелочей, снижающих в нем концентрацию извести.
Под электронным микроскопом внешний слой С—S—Н-фазы имеет вид рыхлой фольги или весьма тонких волокон, порядка нескольких молекулярных слоев. Удельная поверхность их довольно высока и в зависимости от степени слипания составляет примерно 250—350 м2/г. Можно заметить в этом сходство с некоторыми глинистыми минералами. Способность к обратимой отдаче воды указывает па то, что вода находится между слоями кристаллической решетки, плотность которой в зависимости от содержания воды может меняться. Считают, что это одна из важнейших Причин, от которых зависят многие строительно-технические свойства портландцемента и, в частности усадка и набухание.
Гидратация содержащихся в клинкере свободной извести, а также периклаза (несвязанной MgO) протекает медленно с образованием гидроксида кальция и брусита — Mg(OH)2. При крупных кристаллах свободной извести или периклаза становится особо заметным увеличение объема этих гидратных новообразований, что может вызвать существенные напряжения в цементном камне, нарушающие его структуру.

Читайте так же:
Чем собрать цементную пыль

39. Физико-химические процессы, протекающие при обжиге сырья в производстве клинкера портландцемента.

1) В зоне испарения (t=200° С) протекают удаление воды из материала, его подсушка.

2) В зоне подогрева материал нагревается до 500-700 о С;начинаются химические реакции, происходит разложение и выгорание органических веществ. Образуется коалинитовый ангидрит Al2O3*2SiO2.

3) В зоне декарбонизации температура материала повышается до 900-1100 о C; происходит разложение карбоната кальция, распад глинистых минералов, появляется свободная известь. Образуются минералы 3СаО*Al2O3, СаО*Al2O3, 2CaO*SiO2 –белит.

4) В экзотермической зоне (t до 1300° С) скорость реакций увеличивается, образуется C2S,алюминаты и алюмоферриты (3СаО*Al2O3, 4СаО*Al2O3*Fe2O3).

5)При поступлении в зону спекания (t=1450° С) материал начинает частично расплавляться. Образуется главный минерал клинкера (алит — C3S) 3CaO*SiO2.

6) В зоне охлаждения температура снижается до 1000° С. Последующее охлаждение клинкера до температуры

50 С происходит на выходе клинкера из печи, клинкер выдерживается на складе.

40. Минеральный состав портландцементного клинкера, характеристики клинкерных минералов и их влияние на свойства портландцемента.

Хим состав клинкера выражают содержанием оксидов (% по массе). Главными являются: СаО-63-66%, SiO2-21-24%, Al2O3-4-8%, Fe2O3-2-4%, суммарное количество кот сост-ет 95-97%. В процессе обжига главные оксиды образуют силикаты, алюминаты, алюмоферрит кальция. Основные минералы клинкера: Алит 3CaO*SiO23S)– главный минерал цементного клинкера, имеет большую активность в реакции с водой (в начальном сроке). Быстро твердеет и набирает высокую прочность, содержится в клинкере в количестве 45-60%. Белит 2CaO*SiO2 (C2S) менее активен, чем алит, второй по важности и содержанию (20-30%) минерал клинкера. Твердеет медленно. К месячному сроку его продукт обладает сравнительно невысокой прочностью. Трехкальциевый алюминат 3СаО*Al2O33А).; отличается быстрым взаимодействием с водой. Большое тепловыд-е. Быстрое твердение порождает раннее структурное образ-е в цементном тесте и сильно ускоряет сроки схватывания (неск мин). Если не ввести добавку гипса, то получится цемент «быстряк» — бетонная смесь, кот не успевает перемешаться и уложиться в форму. С3А из всех минералов наименее морозостойкий, содержание в клинкере 4-12%. Четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО*Al2O3*Fe2O3 обладает умеренным тепловыделением. Быстрота твердения занимает промежуточное положение между алитом и белитом. Прочность продуктов твердения (гидратация) в ранние сроки ниже, чем у алита и выше, чем у белита, содержится в количестве 10-20%. Содержание СаО и MgO не должно превышать соответственно 1 и 5%, иначе снижается качество цемента. Щелочи(Na2O, K2O) присутствуют в виде сульфатов, их содержание не должно превышать 0,6% из-за опасности растрескивания.

Читайте так же:
Цементная стяжка кнауф убо применение

41. Технические свойства портландцемента

Портландцемент — порошкообразный материал серого цвета плотностью 3000-3200 кг/м3 и насыпной в рыхлом состоянии 900-1300 кг/м3, в уплотненном — 1500-1600 кг/м3. Характеристики портландцемента можно подразделить на: минеральный и вещественный составы, тонкость помола, нормальная густота, сроки схватывания, марка по прочности и другие технические свойства.

Минеральный состав выражает содержание в клинкере (в % по массе) главных минералов: Высокоалитовый (C3S>60%); Алитовый (C3S=50-60%); Белитовый (C2S>35%); Алюминатный (C3А>12%); Алюмоферритный (C3А<2%, C4AF>18%).

Вещественный состав цемента выражает содержание в цементе (в % по массе) основных компонентов: клинкера, гипса, минеральных добавок, пластифицирующих и гидрофобизующих добавок.

Тонкость помола цемента оценивается по стандарту путем просеивания предварительно высушенной пробы цемента через сито с сеткой № 008 (размер ячейки 0,08 мм); тонкость помола должна быть такой, чтобы через указанное сито проходило не менее 85% массы просеиваемой пробы.

Водопотребность цемента определяется количеством воды (в % от массы цемента), которое необходимо для получения цементного теста нормальной густоты. Водопотребность портландцемента в пределах от 22 до 28%. При введении активных минеральных добавок водопотребность цемента повышается и может достигнуть 32 — 37 %. Чем меньше водопотребность цемента, тем выше его качество.

Сроки схватывания цемента определяют в тесте нормальной густоты. Сроки схватывания определяют с помощью прибора Вика. Начало схватывания цемента должно наступать не ранее 45 мин, а конец схватывания — не позднее 10 ч от начала затворения. Для получения нормальных сроков схватывания при помоле клинкера на цементном заводе вводят добавку двуводного гипса в количестве 3-5%.

Активность и марка портландцемента,определяют испытанием стандартных образцов-призм, их сначала испытывают на изгиб, затем получившиеся половинки призм — на сжатие. Активностью называют предел прочности при сжатии половинок балочек, испытанных в возрасте 28 сут. В зависимости от активности с учетом предела прочности при изгибе портландцемента подразделяют на марки М400, М500, М550 и М600.

Читайте так же:
Сухоложский цемент зеленая упаковка

Как происходит процесс затвердевания бетона

В своей самой простой форме бетон — это смесь пасты и наполнителей. Паста, сделанная из портланд-цемента и воды, покрывает поверхность наполнителя. Во время химической реакции под названием «гидратация», паста затвердевает и «набирает силу», формируя камнеподобный материал, известный как бетон.

В этом процессе и заключается отличительная особенность бетона: он пластичен и гибок, когда только что смешан, и надежен и прочен после затвердевания. Это объясняет, почему из одного материала — бетона — строят небоскребы, мосты, тротуары, суперхайвеи, дома и дамбы.

Пропорции материалов в бетоне

Ключ к изготовлению надежного, крепкого бетона — тщательный подбор пропорций и смешивание материала. Смесь, в которой недостаточно пасты, чтобы заполнить всю пустоту между частицами наполнителя, будет трудно размещать, она даст неровные поверхности и пористый бетон. Смесь с переизбытком цемента размещать будет легко, а ее поверхность будет гладкой; однако в результате бетон не оправдает свою стоимость и будет легко трескаться.

Химия портланд-цемента начинает действовать в присутствии воды. Цемент и вода формируют пасту, покрывающую каждую частицу наполнителей — камней и песка. В результате бетон затвердевает и становится крепче.

Качество пасты определяет характеристики бетона. Прочность пасты, в свою очередь, зависит от отношения воды к цементу. Оно рассчитывается делением веса воды на вес цемента. Для получения хорошего бетона нужно понизить это отношение насколько возможно, не жертвуя при этом «работоспособностью» свежего бетона, позволяющей ему должным образом размещаться, схватываться и выравниваться.

Подобранная как следует смесь обладает желаемой гибкостью в свежем виде и надежностью в затвердевшем. Обычно смесь состоит из 15% цемента, 60-75% наполнителей и 15-20% воды. Также она может содержать 5-8% воздуха.

Читайте так же:
Цемент 50 кг количество раствора

Другие ингредиенты

Почти любая природная питьевая вода без ярко выраженного вкуса и запаха может использоваться как компонент для бетона. Излишние примеси не только могут повлиять на время схватывания и прочность бетона, но и привести к изменению его цвета, пятнам, коррозии арматуры, нестабильности объема и уменьшению прочности. В требованиях к бетонным смесям также установлены ограничения на хлориды, сульфаты, алкалиды и твердые частицы в воде для тех случаев, когда определить влияние примесей на бетон невозможно с помощью тестов.

Хотя почти любая питьевая вода подходит для бетонных смесей, наполнители выбирают очень тщательно. Они составляют 60-70% общего объема бетона. Тип и размер используемых наполнителей зависит от плотности и цели конечной бетонной продукции.

Процесс гидратации бетона

Вскоре после того, как наполнители, вода и цемент соединяются, смесь начинает затвердевать. Все портланд-цементы — гидравлические. Они затвердевают благодаря гидратации — химической реакции с водой. При этой реакции на поверхности каждой частицы цемента формируется узел. Он растет и расширяется, пока не связывается с узлами других цементных частиц или близлежащим куском наполнителя.

Когда бетон тщательно перемешан и готов к использованию, его нужно поместить туда, где смесь затвердеет.

При размещении бетон закрепляют, чтобы лучше заполнить форму и чтобы избавиться от потенциальных недостатков, таких, как «соты» и «воздушные карманы».

Для брусков бетон оставляют до тех пор, пока влажная пленка на поверхности исчезнет, после чего его выравнивают специальным деревянным или металлическим «поплавком». Это дает относительно гладкую, но слегка шершавую текстуру, которая не скользит и зачастую является конечной стадией для строительного бетонного бруса. Если же требуется совсем гладкая, твердая, плотная поверхность, после этого его разглаживают стальным мастерком.

Уход за бетоном нужно начинать, когда поверхность достаточно затвердела, чтобы сопротивляться повреждениям. Он помогает убедиться, что гидратация продолжается и цемент все еще набирает силу. Бетонные поверхности обрызгивают водой или используют влагосохраняющие ткани, такие как брезент или хлопок. Другие методы ухода предотвращают испарение воды, запечатывая поверхность пластиковыми или другими специальными спреями, называемыми «смеси для ухода».

Специальные технологии ухода используются при экстремально жаркой или холодной погоде, чтобы защитить бетон. Чем дольше он остается влажным, тем сильнее и прочнее он станет. Время затвердевания зависит от состава и однородности цемента, пропорций смешивания и температурных условий. В основном, гидратация и затвердевание бетона происходит в первый месяц жизненного цикла бетона, но он продолжает гидрироваться на протяжении многих лет, хоть и медленнее.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector