Неорганические вяжущие вещества. Портландцемент

1. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

[email protected]
Автор: Урханова Л.А.

2. ТЕМА 3. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА. ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ

1. Определение
и
классификация
портландцемента
2. Химический и минералогический состав ПЦ
3. Сырьевые материалы для производства ПЦ
4. Технология производства ПЦ
5. Гидратация ПЦ, основные свойства и
применение ПЦ

3. ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ИЗВЕСТЬ

Джон Смитон (John Smeaton)
(1724—1792), англ. инженер
по гражданскому
строительству
В 1756 г. вариант маяка, из камня,
построил Джон Смитон. 120 лет спустя
маяк разобрали. Отстроенный заново
маяк можно видеть на фото

4. РОМАНЦЕМЕНТ

В 1796 году Джеймс Паркер, британский священник и
производитель цемента, получил патент под названием «Некий
Цемент или Террас, который будет использоваться в
гидротехнических и других конструкциях и лепнине»
Он создал свой завод в Нортфлите, графство Кент.
Романцемент был использован в строительстве знаменитого
маяка Bell Rock. Цемент производился из мела и глины с острова
Sheppey. Начиная примерно с 1807 многие пытались получить
собственные версии этого цемента. Среди них были Джеймс
Фрост , кто имел около двадцати патентов, и Джозеф Аспдин –
изобретатель Портландцемента.

5. ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ

Джозеф Аспдин (1778 - 1855), каменщик
из Лидса, графство Йоркшир,
считается
изобретателем
портландцемента.
К 1817 он создал самостоятельный бизнес в
центре
Лидса.
Он,
должно
быть,
экспериментировал с производством цемента
в течение следующих нескольких лет, потому
что 21 октября 1824 им был получен
британский патент BP 5022 под названием
«Улучшение
способа
производства
искусственного камня» , в котором он ввел
термин " Портландцемент " по аналогии с
камнем Портленде, оолитового известняка,
который добывается на острове Портленд в
Дорсете
.

6. НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ

ГОСТ
310.1-76 «Цементы. Методы испытаний. Общие
положения».
2. ГОСТ 310.2-76 « Цементы. Методы определения тонкости
помола».
3. ГОСТ 310.3-76 «Цементы. Методы определения нормальной
густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема».
4. ГОСТ 310.4-81 «Цементы. Методы определения предела
прочности при изгибе и сжатии».
5. ГОСТ 310.5-88 «Цементы. Метод определения тепловыделения».
6. ГОСТ 310.6 -85 «Цементы. Метод определения водоотделения».
1.
7. ГОСТ 3476-2019 «Шлаки доменные и электротермофосфорные
гранулированные для производства цементов».

7. НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ

8. ГОСТ 30515-2013 «Цементы. Общие технические условия»
9. ГОСТ 30744-2001
«Цементы. Методы испытаний с
использованием полифракционного песка».
10. ГОСТ 31108-2020 «Цементы общестроительные. Технические
условия».
11. ГОСТ 33174-2014 «Дороги автомобильные общего пользования.
ЦЕМЕНТ Технические требования».
12. ГОСТ Р 55224-2020 «Цементы для транспортного строительства.
Технические условия».
13. ГОСТ Р 56196—2014 «Добавки активные минеральные для
цементов. Общие технические условия».
14. ГОСТ Р 56588-2015 «Цементы. Метод определения ложного
схватывания».

8. ОПРЕДЕЛЕНИЯ

По
ГОСТ 30515-2013 «Цементы. Общие технические
условия»:
Цемент - порошкообразный строительный вяжущий
материал, обладающий гидравлическими свойствами,
состоит из клинкера и, при необходимости, гипса или других
материалов, содержащих в основном сульфат кальция,
минеральных
добавок.
• Общестроительный
цемент
цемент,
основным
требованием к которому является обеспечение прочности и
долговечности бетонов или строительных растворов
• Специальный цемент - цемент, к которому наряду с
обеспечением
прочности
предъявляют
специальные
требования
Основные компоненты цемента - клинкер, а также
минеральные добавки, содержание которых в цементе
превышает 6% общей суммы основных и вспомогательных
компонентов (кроме гипсового камня и других материалов,
содержащих в основном сульфат кальция).

9. КЛАССИФИКАЦИЯ

По
ГОСТ 30515-2013 «Цементы. Общие
технические условия» и ГОСТ 31108-2020
«Цементы
общестроительные.
Технические
условия»:
Цементы классифицируют по следующим
основным признакам:
- по назначению;
- виду клинкера;
- вещественному составу;
- по прочности на сжатие;
- скорости твердения;
- срокам схватывания.

10. КЛАССИФИКАЦИЯ

. По назначению цементы подразделяют:
- на общестроительные;
- специальные.
2. По виду клинкера цементы подразделяют
на изготовленные на основе:
- портландцементного клинкера;
- глиноземистого (высокоглиноземистого)
клинкера;
- смеси портландцементного и
сульфоалюминатного (сульфоферритного)
клинкера.
1

11. КЛАССИФИКАЦИЯ

3.
По вещественному составу общестроительные
цементы делят на шесть типов:
· ЦЕМ 0 - бездобавочный портландцемент;
∙ ЦЕМ I - портландцемент;
• ЦЕМ II - портландцемент с минеральными добавками;
• ЦЕМ III - шлакопортландцемент;
• ЦЕМ IV - пуццолановый цемент;
• ЦЕМ V - композиционный цемент.
По содержанию портландцементного клинкера и добавок
цементы типов ЦЕМ II, ЦЕМ IV, ЦЕМ V подразделяют на
подтипы А, В,
а
ЦЕМ III – на подтипы А,В и С.

12. ТРЕБОВАНИЯ К ВЕЩЕСТВЕННОМУ СОСТАВУ ЦЕМЕНТОВ

Сокращенное
обозначение
Вид минеральной добавки
Содержание
добавки, %
ЦЕМ I
-
-
ЦЕМ II/А-Ш
ЦЕМ II/В-Ш
Доменный или
электротермофосфорный
гранулированный шлак
6-20
21-35
То же с пуццоланой
ЦЕМ II/А-П
Пуццолана
6-20
То же с золой-уноса
ЦЕМ II/A-З
Зола-уноса
6-20
ЦЕМ II/А-Г
Глиеж или обожженный сланец
6-20
То же с микрокремнеземом
ЦЕМ II/A-MК
Микрокремнезем
6-20
То же с известняком
ЦЕМ II/А-И
Известняк
6-20
Композиционный
портландцемент**
ЦЕМ II/А-К
Любая из минеральных добавок
6-20
Шлакопортландцемент
ЦЕМ III/А
ЦЕМ III/B
ЦЕМ III/C
Доменный или
электротермофосфорный
гранулированный шлак
36-65
66-80
81-95
Пуццолановый цемент**
ЦЕМ IV/A
ЦЕМ IV/B
Пуццолана или зола-уноса или глиеж
или обожженный сланец или
микрокремнезем
21-35
36-55
Наименование цемента
Портландцемент
Портландцемент
шлака
с
добавкой
То же
с глиежем
обожженным сланцем
или
ЦЕМ V/A
Композиционный цемент **
ЦЕМ V/B
Доменный или
электротермофосфорный
гранулированный шлак + Пуццолана
или зола-уноса
11-30 +
11-30
31-50 +
31-50

13. КЛАССИФИКАЦИЯ

4. По прочности на сжатие в возрасте 28 сут цементы
подразделяют на классы, МПа: 32,5; 42,5; 52,5.
5. По скорости твердения общестроительные цементы
подразделяют
на
подклассы
прочности:
- нормальнотвердеющие (Н) с нормированием прочности
в
возрасте
2
(7)
и
28
сут;
- быстротвердеющие (Б) с нормированием прочности в
возрасте 2 сут, повышенной по сравнению с
нормальнотвердеющими,
и
28
сут;
- медленнотвердеющие (М) с нормированием начальной
прочности в возрасте 7 (2) сут, пониженной по
сравнению с нормальнотвердеющими цементами, и
28
сут.

14. Примеры обозначения общестроительного цемента

Портландцемент класса 42,5 быстротвердеющий:
Портландцемент ЦЕМ I 42,5Б ГОСТ 31108-2020.
2. Портландцемент со шлаком (Ш) от 21% до 35%, класса
прочности 32,5, нормальнотвердеющий:
Портландцемент со шлаком ЦЕМ II/В-Ш 32,5Н ГОСТ 311082020.
3. Портландцемент с известняком (И) от 6% до 20%, класса
прочности 32,5, нормальнотвердеющий:
Портландцемент с известняком ЦЕМ II/А-И 32,5Н ГОСТ
31108-2020.
4.
Композиционный портландцемент с суммарным
содержанием доменного гранулированного шлака (Ш), золыуноса (З) и известняка (И) от 6% до 20%, класса прочности
32,5, быстротвердеющий:
Композиционный портландцемент ЦЕМ II/А-К(Ш-З-И) 32,5Б
ГОСТ 31108-2020
1.

15.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПЦ
Оксиды
СаО
SiO2 Al2O3 Fe2O3 МgO SO3
Содержа63-66 21-24
ние, %
Важнейшие оксиды:
СаО – оксид кальция
SiO2 – кремнезем
Al2O3 – глинозем
Fe2O3 – оксид железа
4-8
2-4
Проч.
1,50,5-5
0,7-1,8
3,5
Нежелательные:
МgO≤5 %
SO3 - 1,5-3,5 %
(Nа2O+К2О)≤0,6 %

16. МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПЦ, масс. %

- 3 СаО · SiO2
(алит) – 45-60 – высокая скорость набора
прочности и высокая прочность ;
- 2 СаО · SiO2 (белит) – 18-25 –медленная скорость набора
прочности и высокая прочность ;
- 3СаО · Al2O3 (целит) – 4-12– высокая скорость набора
прочности и низкая прочность ;
- 4 СаО · Al2O3 · Fe2O3 (браунмиллерит) –
10-20 - средняя скорость набора прочности и средняя
прочность.

17. СЫРЬЕВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

-
Карбонатные породы:
плотные известняки;
мрамор;
мел;
известковый мергель (СаСО3 – 75-80, глина -20-25) или мергель (СаСО3 – 50,
глина -50);
- известковый туф;
- известняк-ракушечник.
Титр сырьевой смеси – содержание СаСО3 и МgСО3 – 65 – 75%.
Глинистые породы:
- глина. Влажность глин – 15 – 25%, частицы размером меньше 2 мкм;
- аргилиты – продукты дегидратации, спрессования и перекристаллизации глин;
- лесс - землистая порода, состоящая из слюд, каолинита, полевых шпатов,
кальцита и кварца;
- сланцы - продукты перекристаллизации глин;
- суглинки - глины со значительным содержанием кварца – до 40%;
- глинистый мергель.

18. СЫРЬЕВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

• Корректирующие добавки: диатомит, трепел, опока, зола-унос, глины,
с высоким содержанием глинозема или бокситы – Al (OH)3; железные
руды, колошниковая пыль – унос из доменной печи, пиритные огарки –
побочный продукт получения серной кислоты FeS.
• Добавки – минерализаторы: апатиты, фосфогипс, плавиковый шпат.
Гипсовые материалы:
гипсовый камень;
гипсосодержащие отходы – фосфогипс, борогипс и др.
• Отходы промышленности:
шлаки – отходы металлургической и энергетической промышленности –
доменные шлаки, мартеновские шлаки, шлаки цветной металлургии,
топливные шлаки;
золы – отходы ТЭЦ;
белито-нефелиновый шлам – отход производства глинозема и соды из
нефелинов – состоит на 80% из β - 2 СаО · SiO2 . Состав нефелинового

19.

СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ
Сырьевая мука,
W=1%
Шлам,W=30-50%
Сухой способ
Мокрый способ
Достоинства:
1. Пониженный расход топлива при
обжиге
2. Короткие вращающиеся печи –
меньше расход металла и
материалов.
3. Выше удельный съем продукции с
1 м3 печи
Недостатки:
1. Необходимость сушки
2.Повышенные затраты на помол
3. Наличие пыли
Достоинства:
1. Отсутствие сушки
2. Облегченный мокрый помол
3. Снижение затрат на помол
4. Отсутствие пыли
Недостатки:
1. Повышенный расход топлива
при обжиге
2. Неприменим при добавке
доменного гранулированного
шлака
2.

20. МОКРЫЙ СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ПЦ

21. СУХОЙ СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ПЦ

22. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЗОНЫ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ

I зона – зона испарения. Температура материала
повышается от 20°С до 200°С.
II зона – зона подогрева. Температура материала
повышается от 200°С до 800°С.
- выгорание органических примесей – 400-600°С;
- глинистые минералы: Al2O3 ·2SiO2 ·2H2O= Al2O3 ·2SiO2 + 2H2O;
400-600°С
- Al2O3 ·2SiO2 = Al2O3 + 2SiO2 ; 600-800°С;
- MgCO3 = MgO + CO2; 450-650°С.
III зона – зона декарбонизации. Температура
материала повышается от 800°С до 1000°С.
CaCO3 = CaO + CO2 ↑–Q
CaO· Al2O3; CaO· SiO2 ; CaO· Fe2O3

23. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЗОНЫ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ

• IV зона – зона экзотермических реакций. Температура материала
повышается до1250°С.
CaO· SiO2 + CaO = 2 CaO· SiO2 ; 1200°С;
CaO· Al2O3 + 2 Al2O3 =3CaO· Al2 O3
4 CaO· Al2O3 · Fe2O3 ; 12CaO· 7Al2O3 ; 2CaO· Fe2O3 ; CaO; MgO
• V зона – зона спекания. Температура материала повышается
до1450°С.
2 CaO· SiO2 + CaO = 3 CaO· SiO2
• VI зона – зона охлаждения . Температура материала снижается до
1000°С.
- Кристаллизация 2 CaO· SiO2; 3 CaO· Al2O3;
4 CaO· Al2O3 · Fe2O3; частично 3 CaO· SiO2

24.

ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ГИДРАТАЦИИ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА
ЗСаО·SiO2 + H2O → 2СаО·SiO2·2H2O + Ca(OH)2
2СаО·SiO2 + H2O → 2СаО·SiO2·2H2O
3CaO·Al2O3 + 6H2O → 3CaO·Al2O3·6H2O
4СаО·Al2O3·Fe2O3+ 7H2O → 3CaO·Al2O3·6H2O + CaO·Fe2O3·H2O
3CaO·Al2O3·6H2O + 3(CaSO4·2H2O) + 19H2O →
→ 3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O
С3А
С3А
С3А
С3А
Гидросульфоалюминат кальция
(эттрингит)

25. СВОЙСТВА ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

1. Истинная плотность - 3,05-3,20 г/см3;
насыпная плотность – 900-1100 кг/м3.
2. Водопотребность цемента.
количество воды, в % от массы цемента, для получения
цементного теста нормальной густоты, обычно 24-28 %.
Снижение водопотребности достигается использованием
добавок - пластификаторов (ПАВ) и суперпластификаторов.
Прибор Вика

26. СВОЙСТВА ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

3. Сроки схватывания.
Схватывание цемента - необратимая потеря подвижности
цементным тестом в результате гидратации.
Сроки схватывания цемента - время начала и конца
схватывания
цементного
теста,
определяемое
в
нормированных условиях.
Схватывание ускоряется при
повышении тонкости помола
цемента и содержания в нем
3СаО · Al2O3.
Прибор Вика
Автоматический прибор Вика

27.

3. Сроки схватывания
СВОЙСТВА
ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА
Ускорителями являются: хлориды, сульфаты и карбонаты щелочных
металлов (CaCl2, поташ К2СО3 и т.п.), жидкое стекло, формиат
кальция.
Замедлители: лигносульфонаты кальция (ЛСТ), сахарная патока,
суперпластификаторы.
СКОРОСТЬ ТВЕРДЕНИЯ
Алито-алюминатный ПЦ
Скорость
твердения
портландцемента
возрастает
с
повышением тонкости помола и
температуры.
Белито-целитовый ПЦ

28. физико-механические показатели цемента

Класс,
Прочность на сжатие, МПа, в возрасте
подкласс
прочности 2 сут, не
7 сут, не
28 суток
цемента менее
менее
32,5М
-
12
32,5Н
-
16
32,5Б
10
-
42,5М
-
16
42,5Н
10
-
42,5Б
20
-
52,5М
10
-
52,5Н
20
-
52,5Б
30
-
Начало
схватывания,
мин, не
ранее
не менее
не более
32,5
52,5
75
42,5
62,5
60
52,5
45
Равномер
ность
изменени
я объема
(расшире
ние), мм,
не более
10

29.

СВОЙСТВА ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА
4. Тонкость помола:
удельная поверхность 2800—3200 см2/г ;
остаток на сите № 008
≤15 % от массы пробы.
Прибор Блейна
Сито № 008 (0,08 мм)

30.

СВОЙСТВА ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА
5. Активность цемента и класс по прочности
Активностью цемента называют предел прочности при сжатии
стандартных образцов-балочек 40х40х160 мм, выполненных из
цементного раствора нормальной консистенции (В/Ц - отношение 0,50)
состава 1:3 с нормальным песком, выдержанных при t=(20±2) ºC: 1 сутки
во влажной (φ≥96 %), остальное время в воде, и испытанных в возрасте
28 суток сначала на изгиб, а затем половинки образцов на сжатие.
Фракция,мм
2-1
1,0-0,5
0,5-0,16
0,16-0,08
Частные
остатки,%
33±5
34±5
10±5
12±1
Стандартный смеситель
для цементного раствора

31. ТРЕХСЕКЦИОННАЯ ФОРМА ДЛЯ СТАНДАРТНЫХ ОБРАЗЦОВ

32. ХРАНЕНИЕ ОБРАЗЦОВ-БАЛОЧЕК ИЗ ЦЕМЕНТНОГО РАСТВОРА

33. ИСПЫТАНИЕ НА ИЗГИБ И СЖАТИЕ СТАНДАРТНЫХ ОБРАЗЦОВ

34. ОЦЕНКА РАВНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ОБЪЕМА ГОСТ 310.3

• Причиной неравномерного изменения объема цементного
камня являются местные деформации, вызываемые
расширением свободного СаО и периклаза MgO
вследствие их запоздалой гидратации (гашения).
CaOсвоб + H2O = Ca(OH)2
MgO + H2O = Mg(OH)2

35. ОЦЕНКА РАВНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ОБЪЕМА ГОСТ 30744-2001

Упругость кольца должна быть
такой, чтобы под действием
усилия, создаваемого грузом
массой 300 г, расстояние между
концами индикаторных игл
увеличилось на 17,5±2,5 мм
без деформации

36. КОРРОЗИЯ I ВИДА

Коррозия первого вида – разрушение цементного
камня в результате растворения и вымывания
некоторых его составных частей (в основном
коррозия выщелачивания).
Содержание через 1-3 месяца твердения ПЦ
гидрата окиси кальция составляет 10-15% в
пересчете на СаО.
Вымывание СаО из цементного раствора в
количестве 15-30% сопровождается уменьшением
прочности на 40-50%.

37. КОРРОЗИЯ I ВИДА

Для повышения стойкости бетона при коррозии I
вида используют:
1)бетоны повышенной плотности;
2)
естественную
или
искусственную
карбонизацию поверхностного слоя бетона;
3)
специальные
цементы,
в
частности
пуццолановые;
4) гидроизоляцию поверхности бетона;
5) облицовку или пропитку бетона и т.п.

38. КОРРОЗИЯ II ВИДА

• Коррозия II вида развивается под воздействием
растворов веществ, вступающих в химическое
взаимодействие с компонентами цементного
камня и образующих хорошо растворимые
вещества, которые вымываются из бетона водой.
• Типичными случаями коррозии II вида является
разрушение бетона при воздействии угольной и
соляной кислот, магнезиальных солей и
некоторых других веществ.

39. КОРРОЗИЯ II ВИДА

Кислотная коррозия возникает под действием растворов любых кислот, за
исключением поликремниевой и кремнефтористоводородной. Кислота вступает в
химическое взаимодействие с гидроксидом кальция, образуя растворимые соли (например
CaCl 2 ) или соли, увеличивающиеся в объеме (CaSO4 2H2O) :
Ca(OH) 2 2HCl CaCl 2 2H 2 O,
Ca(OH) 2 H 2SO 4 CaSO 4 2H 2 O.
Углекислотная коррозия является разновидностью кислотной коррозии. Она
развивается при действии на цементный камень воды, содержащей свободный диоксид
углерода (агрессивный) в виде слабой угольной кислоты сверх равновесного количества,
CaCO3 (CO 2 ) агр H 2 O Ca(HCO 3 ) 2 .
Магнезиальная коррозия наступает при воздействии на гидроксид кальция растворов
магнезиальных солей:
Ca(OH) 2 MgCl 2 CaCl 2 Mg(OH) 2 ,
Ca(OH) 2 MgSO 4 CaSO 4 2H 2 O Mg(OH) 2 .

40. КОРРОЗИЯ II ВИДА

Коррозия под действием органических кислот, как и неорганических, быстро
разрушает цементный камень. Вредное влияние оказывают масла, нефть, керосин, бензин,
мазут и т.д.
Коррозия цементного камня возникает также под действием минеральных удобрений,
особенно аммиачных. Аммиачная селитра, состоящая в основном из NH4 NO3 , действует на
гидроксид кальция:
Сa(OH) 2 2NH4 NO3 2H 2 O Ca(NO3 ) 2 4H 2 O 2NO3 .
Образуется нитрат кальция, который хорошо растворяется в воде и вымывается из
бетона.
Для защиты бетона от коррозии II вида используют
следующие приемы: правильный выбор цемента; повышение
плотности бетона; защита поверхности бетона специальными
красками, облицовкой и другие защитные мероприятия.

41. КОРРОЗИЯ III ВИДА

Коррозия третьего вида объединяет процессы, при которых компоненты цементного
камня, вступая во взаимодействие с агрессивной средой, образуют соединения, занимающие
больший объем, чем исходные продукты реакции. Характерной коррозией этого вида
является сульфатная коррозия. Ее разновидность – сульфоалюминатная коррозия –
возникает вследствие взаимодействия гипса с гидроалюминатом цементного камня с
образованием гидросульфоалюмината кальция трехсульфатной формы, называемого
цементной бациллой, по следующему уравнению реакции:
3CaO Al 2 O 3 6H 2 O 3CaSO 4 (25..26)H 2 O
3CaO Al 2 O 3 3CaSO 4 (31..32)H 2 O.
Коррозия под действием концентрированных растворов щелочей, особенно при
последующем высыхании, возникает в результате образования соединений,
кристаллизующихся с увеличением в объеме (соды или поташа – при насыщении бетона
едким натром или кали). В слабощелочной среде цементный камень не подвергается
коррозии.

42. КОРРОЗИЯ III ВИДА

• Основными мероприятиями по борьбе с коррозией
бетона III вида являются: выбор цемента в зависимости
от условий службы конструкций и степени
агрессивности среды; введение воздухововлекающих,
пластифицирующих, кремнийорганических добавок;
введение тонкодисперсных кремнеземистых добавок
для связывания Са(ОН)2.
• Если указанные средства не могут обеспечить защиту,
то необходимо прекратить доступ воды к поверхности
бетона, т.е. применить поверхностную защиту.