Конспект- лекция предназначена для изучения основных понятий о составе цемента.
Портландцементом называется гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе и представляющее собой продукт тонкого помола клинкера, гипса и при необходимости добавок.
Клинкер – продукт в виде гранул размером 10 – 60 мм, получаемый в результате обжига до спекания искусственной сырьевой смеси, и содержащий до70 – 80% силикатов кальция.
Сырьевая смесь – тонкоизмельченные карбонатные и глинистые материалы, взятые в строго расчетном соотношении.
Гипс – сульфат кальция, вводится при помоле к клинкеру для регулирования сроков схватывания цемента, так как измельченный клинкер после затворения водой схватывается в течении нескольких минут. Гипс замедляет сроки схватывания до 3 – 5 часов и ускоряет твердение цемента в первые сроки.
Вы уже знаете о суперспособностях современного учителя?
Тратить минимум сил на подготовку и проведение уроков.
Быстро и объективно проверять знания учащихся.
Сделать изучение нового материала максимально понятным.
Избавить себя от подбора заданий и их проверки после уроков.
Химический и минералогический состав портландцементного клинкера
Модульные характеристики портландцементного клинкера
Влияние модульных характеристик на свойства портландцемента
6 Вопросы для самопроверки
7 Задачи
8 Литература
1. Характеристика состава цемента.
Портландцементом называется гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе и представляющее собой продукт тонкого помола клинкера, гипса и при необходимости добавок.
Клинкер – продукт в виде гранул размером 10 – 60 мм, получаемый в результате обжига до спекания искусственной сырьевой смеси, и содержащий до70 – 80% силикатов кальция.
Сырьевая смесь – тонкоизмельченные карбонатные и глинистые материалы, взятые в строго расчетном соотношении.
Гипс – сульфат кальция, вводится при помоле к клинкеру для регулирования сроков схватывания цемента, так как измельченный клинкер после затворения водой схватывается в течении нескольких минут. Гипс замедляет сроки схватывания до 3 – 5 часов и ускоряет твердение цемента в первые сроки. Содержание гипса в цементе нормируется по содержанию SO3 и должно быть для марок 300 – 500 не менее 1 не более 3,5 %,
для марок 550 – 600 не менее 1,5 не более 4 %.
Выписка из ГОСТ 10178 – 85.
Массовая доля ангидрида серной кислоты ( SO3 ) в цементе должна соответствовать требованиям таблицы
Допускается использование природного гипсового камня, фосфогипса, борогипса, фторогипса.
Кроме того, допускается введение при помоле в состав портландцемента активных минеральных добавок. Их вводят в состав цемента для улучшения строительно – технических свойств. Активные минеральные добавки могут быть природные – осадочного и вулканического происхождения и искусственные.
В состав портландцемента вводят и небольшое количество (до 1%) некоторых добавок для интенсификации процесса помола и улучшения отдельных свойств готового продукта. Однако свойства портландцемента при одной и той же удельной поверхности определяются главным образом составом клинкера, а не добавок; последние могут лишь несколько влиять на них.
2. Номенклатура цемента.
Выписка из ГОСТ 10178 – 85.
По вещественному составу в соответствии с ГОСТ цемент подразделяют на следующие
виды:
портландцемент ( без минеральных добавок );
портландцемент с добавками (с активными минеральными добавками не более 20 %)
шлакопортландцемент ( с добавками гранулированного шлака более 20 %)
Массовая доля в цементах активных минеральных добавок должна соответствовать значениям, указанным в таблице
Обозначение вида цемента
Активные минеральные добавки, % по массе
всего
в том числе
доменные гранулированные и электротермо-
фосфорные шлаки
осадочного происхождения,
кроме глиежа
прочие активные, включая глиеж
ПЦ – Д0
Не допускаются
ПЦ – Д5
До 5 включ.
До 5 включ.
До 5 включ.
До 5 включ.
ПЦ – Д20
ПЦ – Д20 – Б
Свыше 5 до 20
Свыше 5 до 20
Свыше 5 до 10
Свыше 5 до 20
ШПЦ, ШПЦ - Б
« 20 « 80 «
Свыше 20 до 80
« 10 «
« 10 «
По прочности при сжатии в 28-суточном возрасте цемент подразделяют на марки:
портландцемент – 400, 500, 550 и 600;
шлакопортландцемент – 300, 400 и 500
портландцемент быстротвердеющий – 400 и 500
шлакопортландцемент быстротвердеющий – 400
Примечание: Допускается с разрешения Минстройматериалов выпускать портландцемент с минеральными добавками марки 300.
Условное обозначение цемента должно состоять из:
наименования типа цемента – портландцемент, шлакопортландцемент. Допускается
применять сокращенное обозначение наименования – соответственно ПЦ и ШПЦ;
марки цемента;
обозначения максимального содержания добавок в портландцементе: ДО, Д5, Д20;
обозначения быстротвердеющего цемента – Б;
обозначения пластификации и гидрофобизации цемента – ПЛ, ГФ;
обозначения цемента, полученного на основе клинкера нормированного состава, - Н;
обозначения настоящего стандарта.
Пример условного обозначения портландцемента марки 400, с добавками до 20%, быстротвердеющего, пластифицированного: ПЦ 400 – Д20 – Б – ПЛ ГОСТ 10178 - 85
3. Химический и минералогический состав клинкера.
Качество цемента зависит от качества клинкера, от его химического и минералогического состава.
Химический состав характеризуется содержанием в клинкере различных оксидов.
Минералогический количественным соотношением образующихся в процессе обжига минералов.
Портландцементный клинкер состоит в основном из следующих оксидов в % по массе:
CaO = 62 – 67 % SiO2 = 20 – 24 %
Al2O3 = 4 – 8 % Fe2O3 = 2 – 4 %
MgO = 0,5 – 5 % SO3 = 1,5 – 4 %
Na2O + K2O = 0,5 – 1 %
Главнейшими из них являются CaO,SiO2, Al2O3 , Fe2O3 . На свойства цемента могут существенно влиять также и некоторые другие соединения.
Другие соединения ( щелочи и т.д.) встречаются в составе клинкера лишь в малых количествах, поэтому обычно при расчете состава сырьевой смеси и готового цемента их не учитывают, а при химическом анализе, как правило, не определяют.
Главнейшие оксиды клинкера CaO,SiO2, Al2O3 , Fe2O3 взаимодействуют между собой при обжиге, образуя клинкерные минералы, соотношение которых определяет свойства портландцемента. При осмотре шлифов цементного клинкера под микроскопом видно, что он состоит из кристаллов различной формы и стекловидной фазы – промежуточного вещества.
Для удобства написания формул различных соединений, с которыми приходится иметь дело в химии и технологии вяжущих веществ, приняты особые сокращенные обозначения, в которых окислы обозначаются первой буквой относящейся к ним формулы, а индексы около букв означают число эквивалентов данного окисла.
Так, 3CaO* SiO2обозначается С3S
2CaO* SiO2как С2S
3CaO*Al2O3 обозначается C3А
4CaO*Al2O3* Fe2O3 как С4АF
Трехкальциевый силикат С3Sв непрозрачных шлифах представлен правильными призматическими кристаллами голубоватой окраски – это алит, а клинкер , содержащий алита 60% и более называется алитовым клинкером.
Двухкальциевый силикат С2S– белит при быстром охлаждении клинкера имеет вид округлых зерен желтоватого цвета со слабо выраженной штриховкой. Клинкер, где С2S
35 – 50 % называется белитовым.
Таким образом при повышенном содержании того или другого клинкерного минерала, приближающемся к верхнему пределу, а иногда и превышающем его, портландцементный клинкер получает особые названия. Так, при высоком содержании клинкер называется алитовым; С2S - белитовым; - алюминатным и - алюмоферритным. Если же портландцементный клинкер характеризуется одновременно повышенным содержанием не одного, а двух минералов, то к названию такого клинкера добавляют двойное прилагательное, например алюминатно – алитовый, алюминатно – белитовый и т.д.
Наряду с главными минералами в состав клинкера входит незакристаллизованное стекло. Содержание стекла зависит от скорости охлаждения и состава клинкера.
В клинкере могут содержаться свободные, т. е. не вступившие в химическое взаимодействие СаО, MgO. Их содержание ограничивается СаО своб до 1 % , MgO своб до 5 %, так как при их высоком содержании происходит растрескивание и разрушение затвердевшего цементного камня.
Знание содержания в клинкере важнейших минералов позволяет достаточно точно прогнозировать свойства цемента: скорость набора прочности, стойкость в пресных и минерализованных водах и другие.
Алит – основной носитель вяжущих свойств, обеспечивает высокую прочность в первые сроки твердения и определяет показатели прочности в 28- суточном возрасте.
Белит - твердеет медленнее алита и в первые сроки твердения имеет низкую прочность. Однако со временем белит набирает прочность равную прочности алита. Повышается стойкость в минерализованных водах.
Трехкальциевый алюминат быстро схватывается и твердеет в первые сроки, но прочность достигнутая в первые сроки в дальнейшем мало возрастает. Такой цемент не устойчив в минерализованных водах.
С увеличением четырехкальциевого алюмоферрита цемент сначала твердеет медленно, но в длительные сроки достигает высокой прочности.
4. Модули и КН, используемые для характеристики клинкера.
Чаще для характеристики состава клинкера пользуются не процентным отношением оксидов и минералов, а соотношениями между оксидами в виде соответствующих модулей и коэффициента насыщения.
Коэффициент насыщения КН наиболее важная характеристика состава сырьевой смеси и клинкера.
КН – это отношение того количества извести, которое осталось после полного насыщения глинозема Al2O3 до трехкальциевого алюмината C3А и оксида железаFe2O3 до четырехкальциевого алюмоферрита С4АF, к тому количеству извести, которое необходимо для полного насыщения кремнезема SiO2 до трехкальциевого силиката С3S.
КН = 0,82 – 0,95
Если КН = 1, то в клинкере только трехкальциевый силикат С3S, но такого не бывает, так как в первую очередь образуется двухкальциевый силикат С2S, а затем трехкальциевый силикат С3S. Поэтому КН 1. Практически КН = 0,88 – 0,92
Силикатный или кремнеземный модуль nпоказывает отношение содержания в клинкере кремнезема к суммарному содержанию глинозема и окиси железа:
n = 1,7 – 3,5
Для обычного портландцемента n = 1,9 – 2,6. Высокий силикатный модуль показывает, что в клинкере много силикатов кальция С3S и С2S, но мало алюминатных соединений C3А и С4АF.
Глиноземный или алюминатный модуль p показывает отношение содержания глинозема к содержанию окиси железа:
p = 1 – 3
Для обычных портландцементов p = 0,9 – 1,6. При высоком p клинкер отличается повышенным содержанием трехкальциевого алюмината C3А и относительно малым количеством четырехкальциевого алюмоферрита С4АF.
Знание КН, n, p также позволяет прогнозировать свойства цемента.
5. Влияние модульных характеристик на свойства портландцемента.
Как же влияют КН, n, p на свойства цемента?
Высокий коэффициент насыщения - 0,93 – 0,95
Высокий коэффициент насыщения клинкера показывает, что в сырьевой смеси много СаО , трудно происходит полное ее усвоение кислотными оксидами, может остаться СаОсвоб. , что ухудшает качество цемента. Образуется клинкер с высоким содержанием С3S, цементы быстро твердеют и дают высокую прочность, однако снижается их водостойкость.
Низкий коэффициент насыщения - 0,86 – 0,87
Цемент с низким КН состоит в основном из С2S , медленно твердеет. Поэтому необходимо стремиться к более высокому КН, но при непременном условии, чтобы СаО полностью связывалась в составляющие клинкер соединения.
Цементы с высоким силикатным модулем медленно схватываются и твердеют в первые сроки, но со временем прочность их неуклонно возрастает и через длительные сроки оказывается весьма высокой. В таком цементе много С2S. Цементы стойки в минерализованных водах. Высокий силикатный модуль затрудняет спекание портландцементного клинкера, обжиг идет трудно, нужна высокая температура обжига.
Низкий силикатный модуль вызывает затруднения при обжиге из-за легкоплавкости сырьевой смеси, сваривания ее в крупные куски и возможности образования на футеровке печи колец, приваров.
Цементы с высоким глиноземным модулем, т.е. с повышенным содержанием C3А, быстрее схватываются и твердеют, особенно в первые сроки твердения, но в дальнейшем прочность практически не растет. Такие цементы менее устойчивы к действию минерализованных вод. Обжиг их затруднен из-за высокой вязкости жидкой фазы, что замедляет процесс образования С3S.
При низком глиноземном модуле, т. е. при большем содержании С4АF, цементы медленно схватываются и твердеют, но дают более высокую конечную прочность.
Затрудняется обжиг из-за легкоплавкости, в печи образуются большие комья.
Таким образом КН, n, и p являются важными характеристиками портландцементного клинкера.
Как влияют другие соединения клинкера на свойства портландцемента?
Окись магния в клинкере в виде твердого раствора входит в состав алита, белита, алюмината, алюмоферитов, стекловидной фазы, но значительная ее часть при обжиге может оставаться в свободном состоянии в виде минералов периклаза. Эта обожженная при высокой температуре окись магния, особенно крупнокристаллический периклаз, весьма медленно гидратируется, увеличивается в объеме. Так как гидратация происходит лишь спустя время, то она при определенном содержании вызывает появление напряжений в затвердевшем цементе и образование опасных трещин, поэтому содержание окиси магния в клинкере не должно превышать 5%.
Двуокись титана вводят в портландцементный клинкер с глиной, в которой она часто встречается. При содержании в цементе до 1% прочность его увеличивается, особенно в первые сроки твердения. С дальнейшим увеличением содержания прочность снижается.
Если сырьем для получения портландцементного клинкера служит доменный шлак, то в цементе может содержаться некоторое количество окиси марганца. Ее присутствие придает клинкеру буро – коричневую окраску и в пределах до 3% мало изменяет свойства цемента.
В сырьевых материалах, применяемых для производства портландцемента, встречаются щелочи в виде полевых шпатов, являющихся примесями в глине и известняке. Эти щелочи частично, в виде того или другого соединения, входят в состав готового продукта. Присутствие щелочей нежелательно, так как они затрудняют процессы клинкерообразования, в особенности формирования они также вызывают понижение прочности, повышение деформаций набухания, непостоянство сроков схватывания и образования выцветов на затвердевшем цементе. Кроме того, содержащиеся в цементе щелочи вступают во взаимодействие с опаловыми заполнителями, которые могут входить в состав бетонов, что связано с появлением вредных объемных деформаций. Поэтому содержание щелочей в обычном клинкере не должно превышать 1%.
6. Вопросы для самопроверки.
Что называется портландцементом?
Что такое клинкер?
Для чего вводят гипс при помоле?
Каково содержание SO3 в цементе согласно ГОСТ?
Для чего и в каком количестве вводят в состав цемента активные минеральные добавки?
ГОСТ на портландцемент.
Чем характеризуются химический состав и минералогический состав клинкера?
Какие оксиды в портландцементном клинкере являются основными?
Какие еще оксиды входят в состав клинкера?
Назовите основные минералы клинкера.
Каково процентное содержание клинкерных минералов?
Определение коэффициента насыщения.
Формула для определения КН.
Какие значения имеет КН?
Может ли быть КН = 1?
Какими свойствами обладают цементы с высоким КН?
Какими свойствами обладают цементы с низким КН?
Что показывает силикатный модуль?
Формула для определения силикатного модуля.
Какие значения имеет силикатный модуль?
Что показывает высокий силикатный модуль?
Какими свойствами обладают цементы с низким силикатным модулем?
Что показывает глиноземный модуль?
Формула для определения глиноземного модуля?
Какие значения имеет глиноземный модуль?
Какими свойствами обладают цементы с высоким глиноземным модулем?
Что показывает низкий силикатный модуль?
7. Задачи.
1. Сделать прогноз свойствам цемента: скорости твердения и набора прочности, отношения к минерализованным водам, если содержание основных оксидов в клинкере составляет:
а) 3CaO* SiO2 = 60 %
2CaO* SiO2 = 15 %
3CaO* Al2O3= 4 %
4CaO* Al2O3* Fe2O3 = 12 %
б) 3CaO* SiO2 = 48 %
2CaO* SiO2 = 32 %
3CaO* Al2O3= 6 %
4CaO* Al2O3* Fe2O3 = 10 %
в) 3CaO* SiO2 = 50 %
2CaO* SiO2 = 28 %
3CaO* Al2O3= 11 %
4CaO* Al2O3* Fe2O3 = 8 %
2. Дать прогноз клинкеру и свойствам цемента, если :
а) КН = 0,87 n = 2,7 p = 1,0
б) КН = 0,93 n = 2,0 p = 1,6
в) КН = 0,9 n = 2,2 p = 1,2
3. Определить коэффициент насыщения. Сделать вывод о свойствах цемента.
обозначения быстротвердеющего цемента – Б;
и некоторые другие соединения. 
щелочи и т.д.) встречаются в составе клинкера лишь в малых количествах, поэтому обычно при расчете состава сырьевой смеси и готового цемента их не учитывают, а при химическом анализе, как правило, не определяют. 
клинкер называется алитовым; С2S - белитовым; 
- алюминатным и 
- алюмоферритным. Если же портландцементный клинкер характеризуется одновременно повышенным содержанием не одного, а двух минералов, то к названию такого клинкера добавляют двойное прилагательное, например алюминатно – алитовый, алюминатно – белитовый и т.д.
вызывает появление напряжений в затвердевшем цементе и образование опасных трещин, поэтому содержание окиси магния в клинкере не должно превышать 5%.
вводят в портландцементный клинкер с глиной, в которой она часто встречается. При содержании в цементе до 1% 
в виде полевых шпатов, являющихся примесями в глине и известняке. Эти щелочи частично, в виде того или другого соединения, входят в состав готового продукта. Присутствие щелочей нежелательно, так как они затрудняют процессы клинкерообразования, в особенности формирования 
они также вызывают понижение прочности, повышение деформаций набухания, непостоянство сроков схватывания и образования выцветов на затвердевшем цементе. Кроме того, содержащиеся в цементе щелочи вступают во взаимодействие с опаловыми заполнителями, которые могут входить в состав бетонов, что связано с появлением вредных объемных деформаций. Поэтому содержание щелочей в обычном клинкере не должно превышать 1%.
