Бетон химический состав и свойства: Основные свойства бетона и его виды

Содержание

Состав и свойства бетона и бетонных растворов

Состав и свойства бетона

Бетон — это смесь, в состав которой входит четыре основных компонента, а именно щебень, песок, цемент и вода. Все эти компоненты перемешиваются в определенном соотношении, от которого зависит последующая прочность и качество строительного материала. Смесь, в которой не имеется щебня, называется пескобетоном и широко используется в строительной сфере, однако песок для данной массы используется чуть крупнее обычного.

Для приготовления бетонной смеси важно соблюдать данное соотношение компонентов:

— 1 часть цемента

— 4 части щебня.

— 2 части песка.

— 1/2 части воды.

Например, если взять 330 кг. цемента, то щебня будет 1250 кг, песка — 660 кг, а воды — 180 литров. Конечно же, данные вычисления являются приблизительными, так как нужно учитывать будущую марку бетона, имеющийся класс цемента, характеристические данные щебня и песка, использование добавок и т.д. Если брать пример из практики, то цемент под маркой м400 способен превратиться в бетон с маркой м250, следовательно, марке цемента м500 может соответствовать м350 бетон.

Вода и цемент являются главными составляющими бетонной смеси, так как им дана главная функция — связующая. От их добавления, как правило, зависит монолитность всей смеси, поэтому пропорции этих компонентов должны соблюдаться более тщательно. Песок и цемент, находящиеся в составе бетона, могут не отвечать требованиям: может получиться, что один из этих компонентов впитывает воду быстрее и поэтому процесс гидратации может вовсе не происходить.

Если смешать просто воду и цемент, то никакого бетона не получится. Деформировавшаяся смесь будет напоминать камень, но по своей прочности он будет крайне раним — в основном это зависит от усадочных процессов. Долговечность и прочность такого камня сведена к минимуму, данный водоцементный камень очень хрупкий и способен рассыпаться в считанные минуты. Для этого и вводят в данную смесь уплотнители, которые обеспечивают прекрасную усадку материала: щебень и песок. На эти наполнители возлагается важная миссия — создать структурированный каркас, который будет невосприимчив к усадочным напряжениям. Этот фактор влияет на конечный результат — готовый бетон будет подвергаться меньшей усадке. Модуль упругости увеличивается, вместе с введением щебня и песка, за счет чего понижается возможность деформации и коэффициент пластичности. Так же, за счет такого разбавления, бетон стоит значительно дешевле, чем стоил бы без них, ведь цемент в разы дороже песка или воды.

Что касается самого щебня — то его марка должна быть больше в 2 раза, нежели марка бетона.

Это зависит от того, что проектная марка бетона (получившегося в итоге) значительно ниже и отличается от реальной прочности смеси. А что касается щебня — то его прочность в составе бетон остается неизменным, поэтому его марка должна быть в 2 раза больше бетона. В любом случае, дабы получить качественную бетонную смесь, необходимо доверить ее создание организациям, которые специализируются на этом.

30 Железобетон. Состав и свойства

Армированный
стальными стержнями бетон называют
железобетоном. В настоящее время это
основной конструкционный материал в
жилищном и промышленном строительстве.
Виды арматуры: гладкая стержневая;
гладкая проволочная; горячекатаная
периодического профиля; пряди из
проволоки; холодносплющенная; сварная
сетка. Бетон благодаря своей плотности
и водонепроницаемости и щелочной
реакции цементного камня в бетоне
защищает сталь от коррозии. Кроме того,
бетон как сравнительно плохой проводник
теплоты защищает сталь от быстрого
нагрева при пожарах. При армировании
высокопрочной арматурой применяют
метод предварительного натяжения. В
предварительно напряженных ж/б
конструкциях более полно используется
прочность стали и бетона, поэтому
уменьшается масса изделий. Кроме того,
предварительное обжатие бетона,
препятствуя образованию трещин, повышает
его долговечность. основные операции:
армирование, приготовление бетонной
смеси, укладка бетонной смеси и ее
уплотнение, твердение.

В
зависимости от способа изготовления
ж/б конструкции могут быть монолитными
или сборными. Сборные ж/б конструкции
монтируют на строительной площадке из
отдельных элементов, изготовленных на
заводах. Монолитные ж/б конструкции
бетонируют на месте строительства.

Различают
естественное и искусственное твердение
бетона. Естественное твердение можно
ускорить, применяя быстротвердеющие
цементы, жесткие бетонные смеси,
добавки-ускорители твердения.
Искусственное твердение — так называемая
температурно-влажностная обработка,
применяемая в заводских условиях.

Для
сборных ж/б конструкций применяют все
основные виды бетона: тяжелый, легкий
на пористых заполнителях и ячеистый.
Бетоны часто применяют в сочетании с
материалами специального назначения
(теплоизоляционными, звукоизоляционными,
гидроизоляционными и антикоррозионными),
которые значительно улучшают
эксплуатационные качества сборных
конструкций и повышают их долговечность.

Некоторые
виды сборных ж/б изделий: стеновые
панели с различной наружной облицовкой;
панели перекрытий с овальными и круглыми
пустотами; элементы сборных фундаментов;
лестничный марш и лестничная площадка.

.Монолитные
конструкции сооружают в основном из
тяжелого бетона или легкого бетона на
пористых заполнителях. Стены жилых
зданий возводят и из ячеистого бетона.
В защитных монолитных конструкциях
применяют специальные
бето-ны:особотяжелый,жаростойкий,кислотоупорныйидр.

Предусматривается
автоматизация приготовления бетонной
смеси, комплексная механизация ее
транспортировки и уплотнения. Бетонную
смесь транспортируют так, чтобы она не
расслаивалась и не изменяла свой состав.
Бетонирование монолитных конструкций
производят непрерывно или с перерывами,
т.е. участками или блоками. Непрерывную
укладку бетона осуществляют в том
случае, когда требуется повышенная
монолитность и однородность бетона.

Легкие
бетоны — большая группа бетонов с
объемной массой в сухом состоянии менее
1800 кг/м3, применяемых в бетонных и
железобетонных изделиях и конструкциях.
Напорист заполн-х, ячеистые

Использование
легких бетонов в строительстве позволяет
снизить массу строительных изделий и
конструкций и уменьшить теплопроводность
ограждающих конструкций.(хорошо подходят
для огражд конструкций)

Важнейшими
характеристиками технических свойств
легких бетонов являются — объемная
масса, прочность при сжатии и
морозостойкость. Предел прочности при
сжатии составляет (10—400 кГ/см2) и более;
в зависимости от этого легкие бетоны
делят на марки: 15, 25, 35, 50, 75, 100, 150, 200, 250 и
300. Марки по морозостойкости находятся
обычно в пределах Мрз10 — Мрз200.

Легкие
бетоны могут быть с пористыми
заполнителями, крупнопористые
(беспесчаные), изготовляемые на плотном
или пористом крупном заполнителе и
ячеистые с развитой пористой структурой
(общая пористость до 85%). Поэтому легкие
бетоны имеют малую теплопроводность
(коэффициент теплопроводности 0,16—0,64
Вт/м°С (0,10—0,55 ккал/м-ч-град).

В
зависимости от вида пористого заполнителя
легкие бетоны называют керамзитобетоном,
шлакобетоном, туфобетоном и т. п. Из
легких бетонов в современном строительстве
наиболее широко распространен
керамзитобетон. Бетоны на пористых
заполнителях отличаются от тяжелых
(обычных) по структуре и свойствам.

В
зависимости от характера заполнителей
изменяется водосодержание бетонной
смеси, являющейся одним из решающих
факторов, влияющих на прочность легких
бетонов. Прочность бетона на пористых
заполнителях лишь до определенного
предела зависит от прочности
цементно-песчаного раствора. При
дальнейшем повышении прочности раствора
прочность бетона практически не
повышается, она ограничивается низкой
прочностью заполнителей.

При
затвердении бетонной смеси отмечается
характерная особенность пористых
заполнителей, способствующая улучшению
прочностных показателей легких бетонов.

Ноу-хау о составе и свойствах Типы цемента

Цемент вообще, клеящие вещества всех видов, а в более узком смысле вяжущие материалы, применяемые в строительстве. Цементы такого типа представляют собой тонкоизмельченные порошки, которые при смешивании с водой превращаются в твердую массу. Схватывание и отверждение являются результатом гидратации, которая представляет собой химическую комбинацию цементных составов с водой, которая дает субмикроскопические кристаллы или гелеобразный материал с большой площадью поверхности. Из-за своих гидратирующих свойств строительные цементы, которые затвердевают даже под водой, часто называют гидравлическими цементами. Наиболее важным из них является портландцемент.

В этой статье рассматривается историческое развитие цемента, его производство из сырья, его состав и свойства, а также проверка этих свойств. Основное внимание уделяется портландцементу, но внимание также уделяется и другим типам, таким как шлакосодержащий цемент и высокоглиноземистый цемент. Строительные цементы имеют общие химические компоненты и методы обработки с керамическими продуктами, такими как кирпич и плитка, абразивы и огнеупоры.

ПРИМЕНЕНИЕ ЦЕМЕНТА

Цементы можно использовать отдельно (т. е. в качестве материалов для затирки), но обычно они используются в строительном растворе и бетоне, в которых цемент смешивается с инертным материалом, известным как заполнитель. Раствор представляет собой цемент, смешанный с песком или щебнем, размер которого не должен превышать приблизительно 5 мм (³ / ₁₆ дюймов). Бетон представляет собой смесь цемента, песка или другого мелкого заполнителя и крупного заполнителя, размер которого для большинства целей составляет от 19 до 25 мм (³ / ₄ до 1 дюйма), но крупный заполнитель также может быть до 150 мм (6 дюймов), когда бетон укладывается в большие массы, такие как плотины. Растворы используются для скрепления кирпичей, блоков и камня в стенах или в качестве поверхностной штукатурки. Бетон используется для самых разных строительных целей. Смеси грунта и портландцемента используются в качестве основы для дорог. Портландцемент также используется в производстве кирпича, черепицы, черепицы, труб, балок, шпал и различных экструдированных изделий. Изделия изготавливаются на заводах и поставляются готовыми к установке.

Поскольку сегодня бетон является наиболее широко используемым из всех строительных материалов в мире, широко распространено производство цемента. Ежегодно в развитых странах выливается почти одна тонна бетона на душу населения.

ИСТОРИЯ ЦЕМЕНТА

Происхождение гидравлических цементов восходит к древней Греции и Риму. В качестве материалов использовались известь и вулканический пепел, который медленно реагировал с ним в присутствии воды с образованием твердой массы. Это сформировало вяжущий материал для римских растворов и бетонов 2000 лет назад и последующих строительных работ в Западной Европе. Вулканический пепел, добытый недалеко от того места, где сейчас находится город Поццуоли, Италия, был особенно богат важными алюмосиликатными минералами, что дало начало классическому пуццолановому цементу римской эпохи. По сей день термин пуццолановый или пуццолановый относится либо к самому цементу, либо к любому мелкодисперсному алюмосиликату, который реагирует с известью в воде с образованием цемента. (Термин цемент происходит от латинского слова cementum, что означало каменную крошку, которая использовалась в римском растворе, а не сам вяжущий материал.)

Портландцемент является преемником гидравлической извести, которая была впервые разработана Джоном Смитоном в 1756 году, когда его вызвали для возведения каменного маяка Эдди у побережья Плимута, Девон, Англия. Следующей разработкой, имевшей место около 1800 г. в Англии и Франции, стал материал, полученный путем обжига конкреций глинистого известняка. Вскоре после этого в Соединенных Штатах аналогичный материал был получен путем сжигания встречающегося в природе вещества, называемого «цементной породой». Эти материалы относятся к классу, известному как натуральный цемент, который похож на портландцемент, но имеет более легкий обжиг и не имеет контролируемого состава.

Изобретение портландцемента обычно приписывают Джозефу Аспдину из Лидса, Йоркшир, Англия, который в 1824 году получил патент на материал, полученный из синтетической смеси известняка и глины. Он назвал продукт «портландцемент» из-за воображаемого сходства материала при затвердевании с портландским камнем, известняком, используемым для строительства в Англии. Продукт Аспдина, возможно, был слишком легко обожжен, чтобы быть настоящим портландцементом, и настоящим прототипом, возможно, был продукт, произведенный Исааком Чарльзом Джонсоном на юго-востоке Англии около 1850 года. Производство портландцемента быстро распространилось на другие европейские страны и Северную Америку. В течение 20 века производство цемента распространилось по всему миру. К началу 21 века Китай и Индия стали мировыми лидерами по производству цемента, за ними следуют США, Бразилия, Турция и Иран.

Производство цемента

СЫРЬЕ

СОСТАВ

Портландцемент состоит в основном из соединений извести (оксид кальция, CaO), смешанного с кремнеземом (диоксид кремния, SiO ₂

оксид алюминия, 2 алюминий) О ₃ ). Известь получают из известкового (известкового) сырья, а остальные оксиды получают из глинистого (глинистого) материала. Дополнительное сырье, такое как кварцевый песок, оксид железа (Fe ₂ O ₃), и боксит, содержащий гидратированный алюминий, Al (OH) ₃, можно использовать в меньших количествах для получения желаемого состава.

Самым распространенным известняковым сырьем являются известняк и мел, но также используются и другие материалы, такие как отложения кораллов или ракушек. Глины, сланцы, сланцы и эстуарные илы являются обычным глинистым сырьем. Мергель, плотная известковая глина и цементная порода содержат как известковые, так и глинистые компоненты в пропорциях, иногда приближающихся к составу цемента . Другим сырьем является доменный шлак, который состоит в основном из извести, кремнезема и глинозема и смешан с известковым материалом с высоким содержанием извести. Каолин, белая глина, содержащая мало оксида железа, используется в качестве глинистого компонента для белого портландцемента. Промышленные отходы, такие как летучая зола и карбонат кальция от химического производства, являются другим возможным сырьем, но их использование невелико по сравнению с природными материалами.

Содержание магнезии (оксида магния, MgO) в сырье должно быть низким, поскольку допустимый предел в портландцементе составляет от 4 до 5 процентов. Другими примесями в сырье, которые должны быть строго ограничены, являются соединения фтора, фосфаты, оксиды и сульфиды металлов, а также избыток щелочей.

Другим важным сырьем является гипс, около 5 процентов которого добавляют к обожженному цементному клинкеру во время измельчения, чтобы контролировать время схватывания цемента. Портландцемент также может быть получен в комбинированном процессе с серной кислотой с использованием сульфата кальция или ангидрита вместо карбоната кальция. Двуокись серы, образующаяся в дымовых газах при сжигании, превращается в серную кислоту обычными процессами.

ДОБЫЧА И ПЕРЕРАБОТКА

Сырье, используемое в производстве цемента, добывается путем добычи твердых пород, таких как известняки, сланцы и некоторые сланцы, при необходимости с помощью взрывных работ. Некоторые месторождения разрабатываются подземным способом. Более мягкие породы, такие как мел и глина, можно выкапывать непосредственно экскаваторами.

Извлеченные материалы транспортируются на дробильную установку грузовиками, грузовыми железнодорожными вагонами, ленточными конвейерами или канатными дорогами. Их также можно транспортировать во влажном состоянии или в виде суспензии по трубопроводу. В регионах, где нет известняков с достаточно высоким содержанием извести, можно использовать какой-либо процесс обогащения. Пенная флотация удалит излишки кремнезема или глинозема и, таким образом, улучшит качество известняка, но это дорогостоящий процесс, который используется только в случае необходимости.

Добыча цемента

ПРОИЗВОДСТВО ЦЕМЕНТА

Производство портландцемента состоит из четырех стадий:

Дробление и измельчение сырья.
Смешивание материалов в правильных пропорциях.
Обжиг приготовленной смеси в печи.
Измельчение обожженного продукта, известного как «клинкер», вместе с примерно 5 процентами гипса (для контроля времени схватывания цемента).

Три процесса производства известны как влажный, сухой и полусухой процессы и называются так, когда сырье измельчается во влажном состоянии и подается в печь в виде суспензии, измельчается в сухом виде и подается в виде сухого порошка или в сухом виде а затем увлажняют с образованием узелков, которые подают в печь.

ДРОБЛЕНИЕ И ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ

Все материалы, кроме мягких, сначала измельчаются, часто в два этапа, а затем измельчаются, как правило, во вращающихся цилиндрических шаровых или трубчатых мельницах, содержащих загрузку стальных мелющих шаров. Этот помол производится мокрым или сухим, в зависимости от используемого процесса, но для сухого помола сырье сначала может потребоваться высушить в цилиндрических вращающихся сушилках.

Мягкие материалы измельчаются путем интенсивного перемешивания с водой в промывочных мельницах с образованием мелкодисперсной суспензии, которая проходит через сита для удаления крупных частиц.

СМЕШИВАНИЕ

Первое приближение к химическому составу, необходимому для конкретного цемента, получается путем выборочной добычи и контроля сырья, подаваемого на дробильно-измельчительную установку. Более точный контроль достигается путем вытягивания материала из двух или более партий, содержащих несколько различающихся по составу сырьевых смесей. При сухом способе эти смеси хранятся в силосах; шламоемкости используются в мокром процессе. Тщательное перемешивание сухих материалов в силосах обеспечивается перемешиванием и интенсивной циркуляцией сжатого воздуха. В мокром процессе резервуары для навозной жижи перемешиваются механическими средствами или сжатым воздухом, или обоими способами. Шлам, который содержит от 35 до 45 процентов воды, иногда фильтруют, уменьшая содержание воды до 20-30 процентов, а затем фильтрационный осадок подают в печь. Это снижает расход топлива на сжигание.

Обеспечение идеальной смеси цемента

ОБЖИГ

Первыми печами, в которых цемент обжигали партиями, были бутылочные печи, за которыми последовали камерные печи, а затем шахтные печи непрерывного действия. Шахтная печь в модернизированном виде до сих пор используется в некоторых странах, но доминирующим средством сжигания является вращающаяся печь. Эти печи длиной до 200 метров (660 футов) и диаметром до шести метров на установках с мокрым способом, но меньше для сухого процесса, состоят из стального цилиндрического кожуха, футерованного огнеупорными материалами. Они медленно вращаются вокруг оси, наклоненной на несколько градусов к горизонтали. Подача сырья, подаваемая с верхнего конца, медленно движется вниз по печи к нижнему, или обжиговому, концу. Топливом для сжигания может быть угольная пыль, нефть или природный газ, впрыскиваемый через трубу. Температура в конце обжига колеблется от 1350 до 1550 ° C (от 2460 до 2820 ° F) в зависимости от сжигаемого сырья. Теплообменник той или иной формы обычно встраивается в заднюю часть печи для увеличения теплопередачи к поступающему сырью и, таким образом, для уменьшения потерь тепла с отходящими газами. Обожженный продукт выходит из печи в виде небольших комочков клинкера. Они попадают в охладители, где тепло передается поступающему воздуху, а продукт охлаждается. Клинкер может быть немедленно перемолот в цемент или складирован для дальнейшего использования.

При полусухом способе сырье в виде конкреций, содержащих от 10 до 15 процентов воды, подается на подвижную цепную решетку перед подачей в более короткую вращающуюся печь. Горячие газы, поступающие из печи, всасываются через сырые конкреции на колосниковой решетке, предварительно нагревая конкреции.

Выбросы пыли из цементных печей могут быть серьезными неприятностями. В населенных пунктах обычно и часто необходимо устанавливать циклонные разрядники, системы рукавных фильтров или электростатические пылеуловители между выходом из печи и дымовой трубой.

Современные цементные заводы оснащены сложной аппаратурой для контроля процесса обжига. Пробы сырья на некоторых заводах отбираются автоматически, а компьютер рассчитывает и контролирует состав сырьевой смеси. Производительность крупнейших вращающихся печей превышает 5000 тонн в сутки.

ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ

Клинкер и необходимое количество гипса измельчают в мелкий порошок в горизонтальных мельницах, подобных тем, которые используются для измельчения сырья. Материал может проходить прямо через мельницу (измельчение в открытом цикле) или более грубый материал может быть отделен от продукта помола и возвращен в мельницу для дальнейшего измельчения (измельчение в замкнутом цикле). Иногда к исходному материалу добавляют небольшое количество шлифовальной добавки. Для воздухововлекающих цементов (рассматриваемых в следующем разделе) аналогично производится добавка воздухововлекающих добавок.

Готовый цемент пневматически перекачивается в силосы для хранения, из которых он извлекается для упаковки в бумажные мешки или для отправки в контейнерах.

Основные цементы: состав и свойства

Portland Cement

Химический состав

Портлендский цемент состоит из четырех основных соединений: силикат Tricalcium (3CAO · SIO ₂), Diclecium Silicit · SiO ₂ ), алюминат трикальция (3CaO · Al ₂ O ₃ ) и алюмоферрит тетракальция (4CaO · Al ₂ O ₃ Fe ₂ O ₃ ). В сокращенном обозначении, отличном от обычных атомарных символов, эти соединения обозначаются как C ₃ S, C ₂ S, C ₃ A и C ₄ AF, где C обозначает оксид кальция (известь) , S для кремнезема, A для глинозема и F для оксида железа. Также присутствуют небольшие количества нечесаной извести и магнезии, а также щелочи и незначительные количества других элементов.

Портландцемент

Гидратация

Наиболее важными гидравлическими составляющими являются силикаты кальция, C ₂ S и C ₃ S. При смешивании с водой силикаты кальция реагируют с молекулами воды с образованием гидрата силиката кальция (3CaO · 2SiO ₂ · 3H ₂ O) и гидроксид кальция (Ca [OH] ₂ ). Этим соединениям присвоены сокращенные обозначения C–S–H (представленные средней формулой C ₃ S ₂ H ₃ ) и CH, а реакцию гидратации можно грубо представить следующими реакциями: ₃ S ₂ H ₃ + CH На начальной стадии гидратации исходные соединения растворяются, и при растворении их химических связей выделяется значительное количество тепла. Затем по непонятным до конца причинам гидратация прекращается. Этот период покоя или покоя чрезвычайно важен при укладке бетона. Без периода покоя не было бы цементовозов; заливка должна производиться сразу после смешивания.

После периода покоя (который может длиться несколько часов) цемент начинает затвердевать, так как образуются CH и C-S-H. Это вяжущий материал, который связывает цемент и бетон вместе. По мере гидратации происходит непрерывное потребление воды и цемента. К счастью, продукты C–S–H и CH занимают почти такой же объем, как исходный цемент и вода; объем приблизительно сохраняется, а усадка управляема.

Хотя приведенные выше формулы рассматривают C–S–H как определенную стехиометрию, с формулой C ₃ S ₂ H ₃ вовсе не образует упорядоченной структуры однородного состава. C–S–H на самом деле представляет собой аморфный гель с сильно варьирующейся стехиометрией. Отношение C к S, например, может варьироваться от 1:1 до 2:1, в зависимости от состава смеси и условий отверждения.

Структурные свойства

Прочность портландцемента зависит от его состава и степени измельчения. C ₃ S в основном отвечает за прочность, развиваемую в первую неделю твердения, а C ₂ S для последующего повышения прочности. Соединения оксида алюминия и железа, которые присутствуют только в меньших количествах, вносят небольшой непосредственный вклад в прочность.

Затвердевший цемент и бетон могут ухудшиться из-за воздействия некоторых природных или искусственных химических агентов. Соединение оксида алюминия является наиболее уязвимым к химическому воздействию в почвах, содержащих сульфатные соли, или в морской воде, в то время как соединение железа и два силиката кальция более устойчивы. Гидроксид кальция, выделяющийся при гидратации силикатов кальция, также уязвим для воздействия. Поскольку цемент выделяет тепло при гидратации, бетон, уложенный большими массами, например, в плотинах, может вызвать повышение температуры внутри массы на 40 ° C (70 ° F) выше внешней температуры. Последующее охлаждение может стать причиной растрескивания. Наибольшую теплоту гидратации проявляет C ₃ A, за которым в порядке убывания следуют C ₃ S, C ₄ AF и C ₂ S. согласно Американскому обществу испытаний и материалов (ASTM): обычные (тип I), модифицированные (тип II), высокопрочные (тип III), низкотемпературные (тип IV) и устойчивые к сульфатам (тип V) . В других странах тип II опускается, а тип III называется быстротвердеющим. Тип V известен в некоторых европейских странах как цемент Феррари.

Существуют также другие специальные типы портландцемента. Цветные цементы получают путем растирания 5—10% подходящих пигментов с белым или обычным портландцементом. Воздухововлекающие цементы получают добавлением при помоле небольшого количества (около 0,05 %) органического вещества, вызывающего унос очень мелких пузырьков воздуха в бетоне. Это повышает устойчивость бетона к повреждениям при замораживании-оттаивании в холодном климате. В качестве альтернативы воздухововлекающий агент может быть добавлен в качестве отдельного ингредиента в смесь при приготовлении бетона.

Для портландцемента воздухововлекающий агент может быть добавлен в качестве отдельного ингредиента в смесь при приготовлении бетона.

Низкощелочные цементы — портландцементы с общим содержанием щелочей не более 0,6 процента. Они используются в бетоне, изготовленном из определенных типов заполнителей, содержащих форму кремнезема, которая вступает в реакцию со щелочами, вызывая расширение, которое может разрушить бетон.

Кладочные цементы используются в основном для строительных растворов. Они состоят из смеси портландцемента и молотого известняка или другого наполнителя вместе с воздухововлекающей или водоотталкивающей добавкой. Водостойкий цемент — это название, данное портландцементу, в который добавлен водоотталкивающий агент. Гидрофобный цемент получают путем измельчения портландцементного клинкера с пленкообразующим веществом, таким как олеиновая кислота, чтобы снизить скорость разрушения цемента при хранении в неблагоприятных условиях.

Тампонажные цементы используются для цементирования при бурении нефтяных скважин, где они подвергаются воздействию высоких температур и давлений. Обычно они состоят из портландцемента или пуццоланового цемента (см. ниже) со специальными органическими замедлителями схватывания, предотвращающими слишком быстрое схватывание цемента.

ШЛАКОВЫЕ ЦЕМЕНТЫ

Гранулированный шлак, полученный быстрым охлаждением подходящего расплавленного шлака из доменных печей, составляет основу другой группы конструкционных цементов. Смесь портландцемента и гранулированного шлака, содержащая до 65 процентов шлака, известна в англоязычных странах как доменный (шлаковый) портландцемент. Немецкие Eisenportlandzement и Hochofenzement содержат до 40 и 85 процентов шлака соответственно. Смеси в других пропорциях встречаются во франкоязычных странах под такими названиями, как цемент Portland de Far, смесь цементных металлов, цемент de Haut Tourneau и цемент de lintier au clinker. Свойства этих шлаковых цементов в целом аналогичны свойствам портландцемента, но они имеют более низкое содержание извести и более высокое содержание кремнезема и глинозема. Те, у которых более высокое содержание шлака, имеют повышенную стойкость к химическому воздействию.

Другим типом шлакосодержащего цемента является суперсульфатированный цемент, состоящий из гранулированного шлака, смешанного с 10–15 процентами обожженного гипса или ангидрита (природный безводный сульфат кальция) и несколькими процентами портландцемента. Прочностные свойства суперсульфатированного цемента аналогичны свойствам портландцемента, но он обладает повышенной устойчивостью ко многим формам химического воздействия. Пуццолановые цементы представляют собой смеси портландцемента и пуццоланового материала, который может быть как натуральным, так и искусственным. Природные пуццоланы в основном представляют собой материалы вулканического происхождения, но включают некоторые диатомовые земли. Искусственные материалы включают летучую золу, обожженные глины и сланцы. Пуццолановые материалы — это материалы, которые, хотя и не являются вяжущими, содержат кремнезем (и оксид алюминия) в реакционноспособной форме, способной соединяться с известью в присутствии воды с образованием составов с вяжущими свойствами. Смеси извести и пуццоланового цемента все еще находят применение, но в значительной степени были вытеснены современным пуццолановым цементом. Гидратация фракции портландцемента высвобождает известь, необходимую для соединения с пуццоланом.

ВЫСОКОГЛИНОЗЕМИСТЫЙ ЦЕМЕНТ

Высокоглиноземистый цемент представляет собой быстротвердеющий цемент, полученный путем плавления при температуре от 1500 до 1600 °C (от 2730 до 2910 °F) смеси бокситов и вращающаяся печь. Его также можно получить путем спекания при температуре около 1250 ° C (2280 ° F). Подходящие бокситы содержат от 50 до 60% глинозема, до 25% оксида железа, не более 5% кремнезема и от 10 до 30% гидратной воды. Известняк должен содержать только небольшое количество кремнезема и магнезии. Цемент содержит от 35 до 40 процентов извести, от 40 до 50 процентов глинозема, до 15 процентов оксидов железа и предпочтительно не более примерно 6 процентов кремнезема. Основным вяжущим составом является алюминат кальция (CaO · Al ₂ О ₃ ).

Высокоглиноземистый цемент набирает большую часть предела прочности в течение 24 часов и обладает высокой устойчивостью к химическому воздействию. Его также можно использовать в огнеупорных футеровках печей. Белая форма цемента, содержащая минимальные пропорции оксида железа и кремнезема, обладает выдающимися огнеупорными свойствами.

РАСШИРЯЮЩИЕСЯ И БЕЗУСАДОЧНЫЕ ЦЕМЕНТЫ

Расширяющиеся и неусадочные цементы слегка расширяются при гидратации, тем самым компенсируя небольшое сжатие, которое происходит, когда свежий бетон высыхает в первый раз. Расширяющиеся цементы были впервые произведены во Франции около 19 г.45. Американский тип – это смесь портландцемента и расширителя, полученная путем спекания смеси мела, боксита и гипса.

Штукатурки гипсовые

Штукатурки гипсовые используются для оштукатуривания, изготовления гипсовых плит и плит, а также в качестве напольного покрытия. Эти гипсовые цементы в основном производятся путем нагревания природного гипса (дегидрат сульфата кальция, CaSO ₄ · 2H ₂ O) и его обезвоживания с получением полугидрата сульфата кальция (CaSO ₄ · ¹ / ₂ H ₂ O) или безводный (безводный) сульфат кальция. Гипс и ангидрит, полученные как побочные продукты химического производства, также используются в качестве сырья.

Штукатурка для стен

Полугидрат, известный как гипс, затвердевает в течение нескольких минут при смешивании с водой; в строительных целях добавляется замедлитель схватывания, обычно кератин, белок. Штукатурки на основе безводного сульфата кальция затвердевают медленнее, и часто в качестве ускорителя добавляют в небольших количествах другую сульфатную соль. Штукатурка для пола, первоначально известная под немецким названием Estrich Gips, относится к безводному типу.

ИСПЫТАНИЯ ЦЕМЕНТА

Различные испытания , которым должны соответствовать цементы, изложены в национальных спецификациях на цемент для контроля крупности, прочности, времени схватывания и прочности цемента. Эти тесты, в свою очередь, описаны ниже.

Крупность

Крупность долгое время контролировалась ситовым тестом, но в настоящее время широко используются более сложные методы. Наиболее распространенный метод, используемый как для контроля процесса измельчения, так и для испытания готового цемента, заключается в измерении площади поверхности на единицу веса цемента путем определения скорости прохождения воздуха через слой цемента. Другие методы основаны на измерении распределения частиц по размерам по скорости осаждения цемента в керосине или путем отмывания (разделения) в воздушном потоке.

ПРОЧНОСТЬ

После затвердевания цемент не должен подвергаться заметному расширению, которое может разрушить раствор или бетон. Это свойство прочности проверяется путем кипячения затвердевшего цемента в воде или в паре под высоким давлением. Несостоятельность может возникнуть из-за присутствия в цементе слишком большого количества свободной магнезии или обожженной свободной извести.

ВРЕМЯ ОТВЕРЖДЕНИЯ

Схватывание и затвердевание цемента – непрерывный процесс, но для целей испытаний различают две точки. Время начального схватывания – это промежуток между затворением цемента водой и временем, когда смесь утратила пластичность, застыв до определенной степени. Это знаменует примерно конец периода, когда влажная смесь может быть отлита в форму. Окончательное время схватывания – это момент, когда затвердевший цемент приобретает достаточную твердость, чтобы противостоять определенному давлению. Большинство спецификаций требуют, чтобы начальное минимальное время схватывания при обычных температурах составляло около 45 минут, а окончательное время схватывания не превышало 10–12 часов.

ПРОЧНОСТЬ

Испытания, измеряющие скорость, с которой цемент набирает прочность, обычно проводят на растворе, обычно состоящем из одной части цемента и трех частей песка по весу, смешанного с определенным количеством воды. Ранее применялись испытания на растяжение брикетов в форме восьмерки с утолщением в центре, но они были заменены или дополнены испытаниями на сжатие кубических образцов или поперечными испытаниями на призмах. Спецификация Американского общества по испытаниям и материалам (ASTM) требует испытаний на растяжение цементно-песчаного раствора 1:3 и испытаний на сжатие раствора 1:2,75. Британский институт стандартов (BSI) предлагает в качестве альтернативы испытание на сжатие раствора 1:3 или бетонного образца. Международный метод, выпущенный Международной организацией по стандартизации (ISO), требует поперечного испытания призмы из цементно-песчаного раствора 1:3 с последующим испытанием на сжатие двух половин призмы, оставшихся после того, как она была сломана при изгибе. Многие европейские страны приняли этот метод. Во всех этих испытаниях указывается размер песка и, как правило, его источник.

При испытании большинства цементов указывается минимальная прочность через 3 и 7 дней, а иногда и через 28 дней, но для быстротвердеющего портландцемента иногда требуется испытание через 1 день. Для высокоглиноземистого цемента требуются испытания на 1-е и 3-е сутки. Требования к прочности, установленные в разных странах, нельзя сравнивать напрямую из-за различий в методах испытаний. В реальном строительстве для проверки прочности бетона проводят испытания на сжатие цилиндров или кубов, изготовленных из укладываемого бетона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По сути, были подробно обсуждены различные типы цементов, их химический состав и применение в современном машиностроении и химии. Различные типы улучшающих материалов и наполнителей разрабатываются с использованием нанотехнологий для продуктивного и эффективного производства цемента. Подробно рассмотрены механические дефекты бетона и возможные решения, которые можно найти с помощью химии и нанотехнологий. Кроме того, химические соединения, улавливающие CO2, такие как цеолиты и металлорганический каркас, и их вклад в обеспечение долговечности производства цемента были проиллюстрированы их химическим составом. Воздействие производства цемента на окружающую среду и способы контроля загрязнения окружающей среды при выполнении производственных процессов обсуждались с использованием нескольких стандартных процессов, включая процесс Calera, процесс кислородного сжигания и процесс моноэтаноламида (MEA). В настоящее время приложения нанонауки и нанотехнологии становятся все более популярными в различных областях науки и техники. Потенциал нанотехнологий для улучшения характеристик бетона и разработки новых, устойчивых, передовых композитов на основе цемента и интеллектуальных материалов с уникальными механическими, тепловыми и электрическими свойствами является многообещающим, и ожидается, что появится много новых возможностей. будущее. Итак, наконец, заранее описана новейшая тенденция производства наноцемента и его развитие в современном развивающемся и обновляющемся мире.

Шамант Кумар М., управляющий директор Skanda Group of the Constructions

Физические и химические свойства цемента

Цемент, популярный вяжущий материал, является очень важным материалом для гражданского строительства. В этой статье рассматриваются физические и химические свойства цемента, а также методы проверки свойств цемента.

Физические свойства цемента

Различные смеси цемента, используемые в строительстве, характеризуются своими физическими свойствами. Некоторые ключевые параметры контролируют качество цемента. Физические свойства хорошего цемента основаны на:

ЧЕЛОВЕКА ЦЕНТА
ЗАНАНИЧНОСТЬ
Консистенция
Прочность
Время настройки
Тепло увлажнения
Потеря зажигания
Плотность

. подробности в следующем сегменте. Кроме того, вы найдете имена тестов, связанные с этими физическими свойствами.

Крупность цемента

com/civil-engineering-materials/cement/112-fineness-of-cement-definition-importance-tests»>
Размер частиц цемента – это его крупность. Требуемая крупность хорошего цемента достигается за счет измельчения клинкера на последнем этапе процесса производства цемента. Поскольку скорость гидратации цемента напрямую связана с размером частиц цемента, тонкость помола цемента очень важна.

Прочность цемента

Прочность относится к способности цемента не давать усадку при затвердевании. Цемент хорошего качества сохраняет свой объем после схватывания без замедленного расширения, вызванного избытком свободной извести и магнезии.

Тесты:

Непрочность цемента может проявиться через несколько лет, поэтому тесты на проверку прочности должны быть в состоянии определить этот потенциал.

Тест Ле-Шателье
Этот метод, выполняемый с помощью аппарата Ле-Шателье, проверяет расширение цемента из-за извести. Цементную пасту (нормальной консистенции) помещают между предметными стеклами и погружают в воду на 24 часа при температуре 20+1°С. Его вынимают для измерения расстояния между индикаторами, затем возвращают под воду, доводят до кипения через 25-30 мин и варят в течение часа. После охлаждения прибора снова измеряют расстояние между точками индикатора. В цементе хорошего качества расстояние не должно превышать 10 мм.
Автоклавное испытание
Цементное тесто (нормальной консистенции) помещают в автоклав (паровой аппарат высокого давления) и медленно доводят до 2,03 МПа, после чего выдерживают там 3 часа. Изменение длины образца (после постепенного доведения автоклава до комнатной температуры и давления) измеряют и выражают в процентах. Требование к цементу хорошего качества – автоклавное расширение не более 0,80%.
Стандартное автоклавное испытание : AASHTO T 107 и ASTM C 151: Автоклавное расширение портландцемента.

Консистенция цемента

Текучесть цементного теста определяется его консистенцией.

Измеряется тестом Вика.

В тесте Вика Цементное тесто нормальной консистенции отбирают в аппарате Вика. Плунжер аппарата опускают до касания верхней поверхности цемента. Плунжер проникает в цемент на определенную глубину в зависимости от консистенции. Говорят, что цемент имеет нормальную консистенцию, когда поршень проникает на 10 ± 1 мм.

Прочность цемента

Измеряются три типа прочности цемента – сжатие, растяжение и изгиб. На прочность влияют различные факторы, такие как водоцементное отношение, соотношение цемента и мелкого заполнителя, условия отверждения, размер и форма образца, способ формования и смешивания, условия нагрузки и возраст. При испытании на прочность необходимо учитывать следующее:

Прочность цементного раствора и прочность цементного бетона напрямую не связаны. Прочность цемента — это всего лишь мера контроля качества.
Испытания на прочность проводят на цементной смеси, а не на цементном тесте.
Цемент со временем набирает прочность, поэтому следует указать конкретное время проведения испытания.

Прочность на сжатие

Это наиболее распространенный тест на прочность. Берется образец для испытаний (50 мм) и подвергается сжимающей нагрузке до разрушения. Последовательность загрузки должна быть в пределах 20 секунд и 80 секунд.

Стандартные тесты:

AASHTO T 106 и ASTM C 109: Прочность на сжатие гидравлических цементных растворов (с использованием кубических образцов 50 мм или 2 дюйма)
ASTM C 349: Прочность на сжатие гидравлических цементных растворов (с использованием частей призм, сломанных при изгибе)

Прочность на растяжение

Хотя это тест был обычным явлением в первые годы производства цемента, теперь он не дает никакой полезной информации о свойствах цемента.

Прочность на изгиб

На самом деле это мера прочности на растяжение при изгибе. Испытание проводится в балке из цементного раствора 40 x 40 x 160 мм, которая нагружается в ее центральной точке до разрушения.

Стандартный тест:

ASTM C 348: Прочность на изгиб гидравлических цементных растворов

Время схватывания цемента

Цемент схватывается и затвердевает при добавлении воды. Это время схватывания может варьироваться в зависимости от множества факторов, таких как крупность цемента, соотношение цемента и воды, химический состав и примеси. Цемент, используемый в строительстве, должен иметь не слишком низкое начальное время схватывания и не слишком большое конечное время схватывания. Следовательно, измеряются два времени схватывания:

Начальное схватывание: Когда паста начинает заметно затвердевать (обычно это происходит в течение 30-45 минут)
Окончательное схватывание: Когда цемент затвердевает, способность выдерживать некоторую нагрузку (происходит менее 10 часов)

Опять же, время схватывания также может быть показателем степени гидратации.

Стандартные испытания:

AASHTO T 131 и ASTM C 191: время схватывания гидравлического цемента с помощью иглы Вика
AASHTO T 154: время схватывания гидравлического цемента с помощью иглы Гиллмора
ASTM C 266: Время схватывания гидравлического цементного теста с помощью игл Гиллмора

Теплота гидратации

Когда к цементу добавляется вода, происходит реакция, которая называется гидратацией. При гидратации выделяется тепло, которое может повлиять на качество цемента, а также способствовать поддержанию температуры отверждения в холодную погоду. С другой стороны, при большом выделении тепла, особенно в больших конструкциях, это может вызвать нежелательное напряжение. На теплоту гидратации больше всего влияет C ₃ S и C ₃ A присутствуют в цементе, а также по водоцементному отношению, крупности и температуре отверждения. Теплоту гидратации портландцемента рассчитывают путем определения разницы между сухим и частично гидратированным цементом (полученной путем сравнения их на 7-й и 28-й дни).

Стандартный тест:

ASTM C 186: Теплота гидратации гидравлического цемента

Потеря воспламенения

Нагревание образца цемента при 900–1000°C (т. е. до получения постоянной массы) вызывает потерю массы . Эту потерю веса при нагревании рассчитывают как потерю воспламенения. Неправильное и продолжительное хранение или фальсификация во время транспортировки или пересылки могут привести к предварительной гидратации и карбонизации, на оба из которых может указывать повышенная потеря воспламенения.

Стандартный тест:

AASHTO T 105 и ASTM C 114: Химический анализ гидравлического цемента

Насыпная плотность

Когда цемент смешивается с водой, вода заменяет участки, где обычно присутствует воздух. Из-за этого насыпная плотность цемента не имеет большого значения. Цемент имеет различный диапазон плотности в зависимости от процентного содержания цементного состава. Плотность цемента может составлять от 62 до 78 фунтов на кубический фут.

Удельный вес (относительная плотность)

Удельный вес обычно используется в расчетах пропорций смеси. Портландцемент имеет удельный вес 3,15, но другие типы цемента (например, портландцемент с доменным шлаком и портландцемент с пуццоланом) могут иметь удельный вес около 2,90.

Стандартный тест:

AASHTO T 133 и ASTM C 188: Плотность гидравлического цемента

Химические свойства цемента

Сырьем для производства цемента являются известняк (кальций), песок или глина (кремний), боксит ( алюминий) и железная руда, и могут включать ракушки, мел, мергель, сланцы, глину, доменный шлак, сланец. Химический анализ цементного сырья дает представление о химических свойствах цемента.

Трехкальциевый алюминат (C3A)
Низкое содержание C3A делает цемент устойчивым к сульфатам. Гипс уменьшает гидратацию С ₃ А, что высвобождает много тепла на ранних стадиях гидратации. C3A не обеспечивает больше, чем небольшое количество силы.
Цемент типа I: содержит до 3,5 % SO ₃ (в цементе, содержащем более 8 % C ₃ A)
Цемент типа II: содержит до 3 % SO ₃ (в цементе, содержащем менее 8 % С ₃ A)
Трехкальциевый силикат (C ₃ S)
C3S вызывает быструю гидратацию, а также затвердевание и отвечает за раннее увеличение прочности цемента при начальном схватывании.
Двухкальциевый силикат (C ₂ S)
В отличие от трехкальциевого силиката, который способствует раннему набору прочности, двухкальциевый силикат в цементе способствует набору прочности через неделю.
Феррит (C ₄ AF)
Феррит является флюсом. Это снижает температуру плавления сырья в печи с 3000°F до 2600°F. Хотя он быстро гидратируется, он не сильно влияет на прочность цемента.
Магнезия (MgO)
В процессе производства портландцемента магнезия используется в качестве сырья на заводах сухого способа. Избыточное количество магнезии может сделать цемент ненадежным и расширяющимся, но небольшое его количество может повысить прочность цемента. Производство цемента на основе MgO также вызывает меньшие выбросы CO2. Все цементы ограничены содержанием 6% MgO.
Триоксид серы
Триоксид серы в избыточном количестве может сделать цемент непригодным для использования.
Оксид железа/оксид железа
Помимо придания прочности и твердости, оксид железа или оксид железа в основном отвечает за цвет цемента.
Щелочи
Количество оксида калия (K ₂ O) и оксида натрия (Na ₂ O) определяет содержание щелочи в цементе. Цемент, содержащий большое количество щелочи, может вызывать определенные трудности при регулировании времени схватывания цемента. Цемент с низким содержанием щелочи при использовании с хлоридом кальция в бетоне может вызвать обесцвечивание. В шлако-известковом цементе измельченный гранулированный доменный шлак сам по себе не является гидравлическим, а «активируется» добавлением щелочей. Существует необязательный предел общего содержания щелочи 0,60%, рассчитанный по уравнению Na ₂ O + 0,658 K ₂ O.
Свободная известь
Свободная известь, которая иногда присутствует в цементе, может вызвать расширение.
Микрокремнезем
Кремниевая пыль добавляется в цементный бетон для улучшения различных свойств, особенно прочности на сжатие, сопротивления истиранию и прочности сцепления. Хотя время схватывания увеличивается за счет добавления микрокремнезема, он может обеспечить исключительно высокую прочность.