Это гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе. Применяется для изготовления бетона и железобетона.
Получение портландцемента включает следующие этапы:
- изготовление сырьевой смеси требуемого состава;
- обжиг до спекания, при этом получают цементный клинкер;
- размалывание до получения тонкого порошка.
Элементарный химический состав клинкера принято условно выражать в пересчете на соответствующие оксиды (в вес. %):
- СаО 62-68;
- SiO2 18-26;
- Al2O3 4-9;
- Fe2O3 03-6;
В качестве сырья применяют породы, состоящие в основном из карбонатов кальция и силикатов алюминия (известняки и глины) в соотношении 1:3 (по массе).
Сырьевую смесь изготавливают мокрым способом – измельчением и смешиванием сырьевых материалов с водой (шлам). Затем:
- шлам подсушивается;
- дегидратация минералов глины (500-8000С);
- диссоциация карбоната кальция (900-12000С) и образование СаО∙Al2O3 и 2СаО∙SiO2;
- завершается образование 2СаО∙SiO2;
СаО∙Al2O3 → 5CaO∙3Al2O3 и 3CaO∙Al2O3 при температуре 1000-12500С.
- частичное плавление материала при температуре 14500С; завершение образования силикатов и алюминатов кальция. Материал спекается, образуя зернистую массу, называемую клинкером;
- охлаждение до 1000-12000С и быстрое охлаждение в специальном устройстве, называемом холодильником;
- помол клинкера.
В химии силикатных материалов при выражении состава минералов приняты сокращения:
- СаО – С;
- SiO2 – S;
- Al2O3 – A;
- Fe2O3 – F;
- H2O – H;
Состав цементного клинкера
Название минерала | Формула | Условные обозначения | Примерное содержание в клинкере |
Трехкальциевый силикат | 3CaO∙SiO2 | C3S | 40 – 65 |
Двухкальциевый силикат | 2CaO∙SiO2 | C2S | 15 – 4 |
Трехкальциевый алюминат | 3CaO∙Al2O3 | C3A | 5 – 15 |
Четырехкальциевый алюмоферрит | 4CaO∙Al2O3∙Fe2O3 | C4AF | 10 – 20 |
Взаимодействие минералов цементного клинкера с водой происходит через процессы гидролиза, гидротации и образования гидритных соединений:
- при действии воды на трехкальциевый силикат некоторая его часть растворяется в воде с гидролитическим расщеплением; продукты гидролиза гидротируются. В результате из раствора выделяется труднорастворимый двухкальциевый гидросиликат:
3СаО∙SiO2 + (n+1)H2O = 2CaO∙SiO2∙nH2O + Ca(OH)2
- при взаимодействии с водой двухкальциевый силикат практически не подвергается гидролизу, а гидратируется:
2СаО∙SiO2 + nH2O = 2CaO∙SiO2∙nH2O
- при смешивании с водой 3СаО∙Al2O3 переходит в раствор, выделяясь из него в осадок в виде гидроалюминатов кальция
3СаО∙Al2O3 + 6H2O = 3CaO∙ Al2O3∙6H2O
При добавлении гипса (для регулирования сроков схватывания):
3CaO∙ Al2O3∙6H2O + 3CaSO4 +25(26)H2O = 3CaO∙ Al2O3∙3CaSO4∙31(32)H2O
гипс
- четырехкальциевый алюмоферрит при действии воды гидролитически расщепляется с образованием шестиводного трехкальциевого алюмината и гидроферрита кальция:
4CaO∙Al2O3∙Fe2O3 + (m+6)H2O = 3CaO∙Al2O3∙6H2O + CaO∙Fe2O∙mH2O
Это основные химические реакции, происходящие при взаимодействии основных клинкерных минералов с водой.
Цементный камень, образующийся в результате взаимодействия минералов цементного клинкера с водой, включает следующие основные части:
- гидроокись кальция;
- гидросиликаты кальция;
- гидроалюминаты кальция;
- гидрофериты кальция.