ХИМИКО-МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

ХИМИКО-МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

Сырьевые материалы, используемые для производства портландце­мента, состоят в основном из окиси кальция, кремнезема, глинозема и окиси железа. В печи эти окислы химически взаимодействуют друг с другом с образованием ряда более сложных соединений, при этом достигается химическое равновесие.

Тем не менее цемент можно рассматривать как систему, находящу­юся в равновесии, вследствие «замораживания» расплава в состоянии, существовавшем при температуре клинкерообразования.

В действительности силикаты в цементе не являются чистыми фаза­ми, так как содержат небольшое количество окислов в виде твердых растворов. Эти окислы оказывают значительное влияние на расположе­ние атомов, форму кристаллов и гидравлические свойства силикатов.

Определение расчетного состава портландцемента основано на ра­боте Р. Г. Богга (R. H. Bogue) и других исследователей. Существуют также и иные методы расчета состава *.

Уравнения Богга для определения процентного содержания основ­ных клинкерных минералов приводятся ниже. В скобках химические формулы обозначают содержание данного окисла в процентах от веса цемента.

Кроме основных минералов, указанных в табл. 1.1, в цементном клинкере содержатся в небольшом количестве MgO, ТЮ2, Мп203, К20 и Na20. Они обычно составляют не более нескольких процентов от веса цемента. Особый интерес представляют окислы натрия и калия. В дальнейшем мы их называем щелочами. Установлено, что они хими­чески взаимодействуют с некоторыми заполнителями и продукты этих реакций вызывают разрушение бетона (см. главу 7). Щелочи влияют на скорость роста прочности цемента. Содержание щелочей и Мп203 можно быстро определить с помощью спектрофотометра.

Минералогический состав цемента установлен в результате изуче­ния фазового равновесия тройных систем С—А—S и С—А—F, четвер­ной системы С — C2S — C5À3 — C4AF и др. Были исследованы кривые плавления или кристаллизации и вычислены составы жидких и твердых фаз при любой температуре. Фактический состав клинкера в дополне­ние к методам химического анализа может быть исследован с помощью микроскопа путем измерения коэффициента преломления соединений в виде порошка. Содержание минералов-силикатов может быть оп­ределено с помощью микрометра Шэндс при исследовании прозрач­ных шлифов (аналогично применяемому в петрографическом ана­лизе) в проходящем свете. Полированные и травленые шлифы также могут быть исследованы как в отраженном, так и в проходящем свете. Рентгеновская дифракция порошкообразного вещества может быть использована с целью обнаружения кристаллических фаз, а также для исследования их кристаллической структуры. Находит применение так­же электронный микроскоп, который дает большое увеличение и обла­дает значительно большей разрешающей способностью, чем световой^.

СзЭ, содержание которого обычно наибольшее, встречается в виде небольших равноразмерных неокрашенных зерен.

Известно, что С2Б имеет три или даже четыре модификации. а -С28, которая существует при высоких температурах, переходит при температуре 1456° С в Р -модификацию. Р-СгЭ претерпевает дальней­шее превращение в у -С28 при 675° С, но при скорости охлаждения це­ментов, имеющей место в производственных условиях, в клинкере сох­раняется Р-С28 в виде зерен округлой формы, обычно показывающих двойникование кристаллов.

С3А образует прямоугольные кристаллы, но в застеклованном со­стоянии это аморфное промежуточное вещество.

С4АР представляет собой твердый раствор ряда соединений от С2Р до С6А2Р; принятая формула С4АР является условной, отражающей средний состав этой фазы.

Различные типы цементов в значительной степени отличаются по своему химико-минералогическому составу, который обусловливается соотношением сырьевых материалов. Одно время в США была пред­принята попытка контролировать свойства цементов различного назна­чения установлением предельных количеств четырех основных клинкер­ных минералов, определенных расчетом по химическому анализу. Этот способ исключил бы многочисленные физические испытания, но, к со­жалению, расчетный минералогический состав не является достаточно точным и не учитывает все необходимые свойства цемента и, следова­тельно, не может заменить непосредственных определений требуемых свойств.

Примерный химический состав портландцемента в % следующий: СаО—60—67; ЭЮа—17—25; А1203—3—8; Ре203—0,5—6; Л^О-0,1— 4; щелочей — 0,4—1,3; БОз—1—3.

В табл. 1.2 приводится химический и расчетный минералогический составы типичного портландцемента.

Нерастворимый остаток определяют путем обработки цемента со­ляной кислотой; он характеризует количество примесей в цементе, по­падающих главным образом в составе гипсового камня. ВЭ 12:1958 допускает величину нерастворимого остатка не более 1,5% веса це­мента.

Важно отметить, что минералогический состав цемента может из­меняться в значительной степени даже при сравнительно небольших

Несомненно, что контролю химического состава цемента придается особое значение. У типичных обычных и быстротвердеющих портланд- цементов общая сумма содержания двух силикатов меняется незначи­тельно, в узких пределах,, поэтому различия в составе в большой степе­ни зависят от соотношения между СаО и БЮг в сырьевых материалах.

Цемент и строительные материалы

Решения для цементной промышленности: Определение химического состава цемента и его компонентов производства: клинкера, сырья, сырьевых компонентов, готовой продукции методом рентгенофлуоресцентного анализа на спектрометрах PANalytical Zetium, Epsilon 3X. Определение фазового состава концетратов и конечной продукции на дифрактометрах PANalytical Empyrean, X’Pert Powder и промышленной версии дифрактометра для экспресс-анализа CubiX3-Cement. Возможна комбинация приборов в виде Twin System для…

• Готов к работе после распаковки!
• Гарантия 2 года и постгарантийное обслуживание!
• Доставка в любую точку России!

Решения для цементной промышленности:

Определение химического состава цемента и его компонентов производства: клинкера, сырья, сырьевых компонентов, готовой продукции методом рентгенофлуоресцентного анализа на спектрометрах PANalytical Zetium, Epsilon 3X.

Определение фазового состава концетратов и конечной продукции на дифрактометрах PANalytical Empyrean, X’Pert Powder и промышленной версии дифрактометра для экспресс-анализа CubiX3-Cement.

Возможна комбинация приборов в виде Twin System для совместного XRF/XRD анализа, разработанная PANalytical. Система представяет собой расположенные в один ряд спектрометр Zetium Cement и дифтактометр CubiX3-Cement, соединенные между собой минитранспортером для передачи пробы от одного прибора к другому.

Специализированные версии приборов модификации «Cement» разработаны PANalytical уже с учетом требований проведения XRF и XRD анализа материалов цементной индустрии, а также любых других материалов. Также приборы могут быть использованы в автоматизированных комплексах, конвейерах и т.п.

1. Определение химического состава материалов методом рентгеновского анализа на спектрометрах компании PANalytical (анализ любых материалов):

• Рентгенофлуоресцентный спектрометр Zetium Cement с набором калибровок;
• Рентгенофлуоресцентный спектрометр Epsilon 3X с набором калибровок.

1. Определение структуры и фазового состава в различны материалах, а также кластерный анализ в рудах, концентратах, конечной продукции и др.материалах методом дифракционного анализа на дифрактометрах:

• X’Pert Powder – стационарный порошковый дифрактометр;
• Empyrean – многоцелевой рентгеновский дифрактометр для исследований и аналитического контроля;
• CubiX? Cement – оптимизирован для экспресс анализа фаз и структуры материалов цементного производства;
• Aeris Cement – настольный дифрактометр, также оптимизирован для анализа фаз и структуры материалов цементной промышленности.

1. Оборудование для подготовки сыпучих материалов для рентгеноспектрального и дифракционного анализа:

• Дробилки
• Истирающие и другие мельницы
• Прессы для таблетирования
• Печи для сплавления

Специально для цементной отрасли компанией PANalytical совместно с Британским геологическим обществом разработан уникальный набор стандартов CEMOXI (Cement Range Oxides), состоящий из 9 стандартных образцов и одной контрольных проб, приготовленных из смеси оксидов высокой чистоты в виде сплавленных дисков для калибровки спектрометра по 11 элементам.

Определение фазового состава цемента

• 176
• . . .

Раздел 4. Методы и технические средства криминалистического исследования структуры и иных свойств веществ и материалов

Представляется целесообразным одновременно рассмотреть методы проведения фазового анализа веществ и изучения их структуры, поскольку фазовый состав и структура связаны между собой и некоторые методы их исследования совпадают. В КИВМИ структура и фазовый состав преимущественно изучаются в металлографии и рентгенографии.

Рис. 29. Система методов исследования фазового состава веществ и материалов

4.1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВОГО СОСТАВА ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ

Методы исследования фазового состава веществ и материалов предназначены для установления качественного и количественного содержания фаз, имеющих одинаковый и различный химический состав (рис. 29).

Металлографический анализ

Раздел материаловедения, изучающий изменения макро- и микроструктуры металлов и сплавов в связи с изменением их химического состава и условий обработки называется металлографией. Описание металлографического анализа было приведено выше (в разделе 3.1. «Методы и технические средства криминалистического морфоанализа веществ и материалов»).

Изучение металлографических шлифов позволяет определить структуру металла, наблюдать в поле зрения микроскопа различные фазы, которые могут окрашиваться в различные цвета. Это позволяет выяснить такие важные обстоятельства, как особенности технологии обработки изделия (ковка, термическая обработка и т.д.), температуру разогрева образца и момент происшествия, например, при пожаре и т.д. Так, например, металлографическим анализом можно установить, в какой атмосфере, бедной или богатой кислородом, произошло расплавление проводов в момент короткого замыкания. В свою очередь, установление этого обстоятельства имеет значение для решения вопроса о том, явилось ли короткое замыкание причиной пожара или возникло в его результате.

Металлографический анализ позволяет оценить количественное содержание включений в шлифе и весьма нагляден. Однако данный метод исследования является разрушающим и по точности уступает рентгенофазовому анализу.

Рентгеноструктурный фазовый анализ

Ренгенофазовый анализ — метод определения фазового состава твердых кристаллических и некоторых аморфных веществ. Каждое кристаллическое вещество имеет строго индивидуальную геометрию кристаллической решетки, которая характеризуется набором межплоскостных расстояний. При прохождении рентгеновских лучей через кристалл возникает дифракционный эффект. Дифракционная картина осуществляется либо в фотографическим способом в специальных камерах на рентгеновскую пленку, либо с использованием рентгеновских дифрактометров с помощью электронных регистрирующих систем.

Для решения вопроса о фазе, присутствующей в пробе, нет необходимости определять ее кристаллическую структуру. Достаточно рассчитать дифрактограмму (рентгенограмму) и сравнить полученный ряд межплоскостных расстояний и относительных интенсивностей линий с приведенными в картотеках рентгенометрических данных, наиболее полная из которых — постоянно обновляемый американский определитель фаз — картотека Joint Committee on Powder Diffraction Standards (JCPDS).

Наличие на рентгенограмме (дифрактограмме) тех или иных линий характеризует качественный фазовый состав пробы. Смесь нескольких индивидуальных химических соединений дает рентгенограмму, представляющую собой наложение дифракционных эффектов, характеризующих отдельные фазы. При сравнении межплоскостных расстояний образцов и эталонов зачастую приходится анализировать очень большие информационные массивы, поэтому обработка данных производится на ПЭВМ с использованием автоматизированных систем и баз данных.

Рентгенофазовый анализ используется для исследования таких объектов КИВМИ, как металлы и сплавы, лекарственные препараты, вещества почвенного происхождения, бумага, парфюмерно-косметические изделия, лакокрасочные материалы и покрытия и пр.

Калориметрический анализ

Калориметрия — группа методов измерения тепловых эффектов (количества теплоты), сопровождающих различные физические, химические и биологические процессы. Калориметрия включает в себя измерение теплоемкости, теплоты фазовых переходов, тепловых эффектов намагничивания, электризации, растворения, химических реакций (например, горения). Приборы, применяемые в калометрии, называются калориметрами.

Методы термографии используются, например, при исследовании полимеров. Они позволяют определять типы полимеров, состав их смесей и сополимеров, марки некоторых полимеров, наличие и состав специальных добавок, пигментов и наполнителей, признаки, обусловленные технологией синтеза и переработки полимеров в изделия, а также условия эксплуатации последних. Однако более эффективным является совмещение термографического и газохроматографического методов анализа.

Термические методы анализа

Термические методы анализа — методы исследования физико-химических и химических процессов, основанные на регистрации тепловых эффектов, сопровождающихся в условиях программирования температуры. Установка для термических методов анализа обычно включает печь, держатели образцов, термопары, измеряющие температуру в печи и образцов. При нагревании или охлаждении образца фиксируются изменения температуры объекта во времени. В случаях фазовых превращений на кривой нагревания (охлаждения) появляется площадка или

Состав цемента и из чего его производят

Цемент входит во многие составы: бетон, железобетон, штукатурку, шпатлевку, кладочный раствор. Его применяют при возведении сложных конструкций, в подводном, подземном строительстве, для автоклавных материалов.

Представление о цементе

Говоря о столь востребованном стройматериале, сразу вспоминается однородная сыпучая смесь серого цвета. Однако определение будет неточным, если не дополнить – это искусственно полученное, неорганическое вяжущее вещество. При взаимодействии с водой он преобразуется в довольно пластичную массу, которая впоследствии затвердевает и становится камнеподобной. За способность набирать прочность при влажных условиях его относят к гидравлическим веществам.

Марка цемента – главенствующий показатель его крепости. Существует множество классов: М100, 150, 200, 250, 300 и даже М600. Но наибольшим спросом пользуются марки от М350 до 500. Числовое значение указывает, какую нагрузку способен выдержать 1 см2 затвердевшей композиции. Например, предел прочности М400 на изгиб и сжатие – 400 кг/см2.

Из чего делают материал?

Делают цемент из 2 основных элементов: гипса и клинкера. Под последним следует понимать продукт равномерного обжига сырьевой массы, состоящей из глины и известняка определенного состава, до спекания. Иногда в клинкере может дополнительно находиться мергель, нефелиновый шлам, доменный шлак. С введением минеральных добавок (до 15-20 % от массы) свойства несколько меняются. Самыми распространенными примесями-модификаторами являются: бокситы, пиритные огарки, пески, колошниковая пыль. Если содержание добавочных веществ превышает 20 %, получается пуццолановый цемент, не боящийся взаимодействия с сульфатными и пресными водами.

Состав вяжущего продукта обуславливается обжигом сырьевой смеси. Из известняка при определенных температурах образуются оксиды кальция, которые при дальнейшем нагревании вступают в сложную реакцию с компонентами глины. Как результат, формируются соединения, способные после тонкого помола и затворения водой твердеть и превращаться в камнеподобное тело.

1. CaO – оксид кальция 67 %;
2. SiO₂ – диоксид кремния 22 %;
3. Al₂O₃ – амфотерная окись алюминия 5 %;
4. Fe₂O₃ – оксид железа 3 %;
5. посторонние элементы 3 %.

Характеристики во многом зависят от содержания минеральных композиций и пропорций компонентов. В промышленном и частном строительстве наиболее востребованными составами считаются:

Представляет собой смесь тонкого помола гипса, цементного клинкера и корректирующих добавок (трепелы, опоки, пиритных огарков) с преобладающей долей силикатов кальция (вплоть до 80 %). Чем больше его механическая прочность, и чем скорее она достигается, тем качественнее считается материал. В связи с этим ПЦ, что характеризуется высоким ростом крепости, именуют быстротвердеющим. Сверхпрочным называют его при выдерживании максимальной нагрузки на сжатие и изгиб. Данные характеристики отражаются в маркировке. Используется почти во всех сферах, начиная от облицовки зданий и заканчивая массовым производством сборных бетонных/железобетонных конструкций. О таком показателе, как плотность цемента, читайте в этой статье.

Создается путем измельчения определенного количества гипса, клинкера и гранулированного шлака (обычно доменного – продукта, полученного при выплавке чугуна в печи). Технология изготовления вяжущего вещества подразумевает обязательное высушивание отхода от металлургического производства до влажности, не превышающей 1%. По окончании материал выходит не столь морозостойкий, как обычный цемент, да и твердеет он медленнее. Однако низкая стоимость и отличная сопротивляемость сульфатам делают его востребованным.

Сфера использования: приготовление бетонных смесей, стеновых блоков, всевозможных строительных растворов. Его позволительно применять при создании не только наземных сооружений, но и подземных, которые подвергаются воздействию минерализованных/пресных вод.

Делают по проверенной технологии: глиноземом обогащают исходные компоненты – чистые известняки и бокситы. Под последними стоит понимать горные породы, чье содержание основывается на гидратах и примесях. Присуще преобладание в составе клинкера однокальциевого алюмината. Этим и обуславливаются главные характеристики: быстро схватываться, быть устойчивым к влаге, термическим воздействиям, в частности, открытому огню.

За счет водонепроницаемости часто используется в зимнее время. А благодаря высокой скорости затвердевания он незаменим при оперативных аварийных работах. Другая сфера – изготовление на его базе различных жаростойких бетонов.

Ключевым отличием является то, что в качестве активного компонента здесь выступает оксид магния. Чтобы его получить, берется мелкодисперсный магнезит (или доломит), в дальнейшем подвергающийся прокаливанию. Сам по себе минерал при растворении водой почти не выявляет вяжущих свойств. Но после его разведения солями магния (сульфидом/хлоридом) итоговая смесь приобретает необходимые параметры и вполне подходит для строительных работ.

Славится хорошей адгезией к различным наполнителям, в том числе органического происхождения, прочностью, невысокой теплопроводностью. Благодаря столь уникальным качествам его допускается применять в производстве облицовочных плит, лестничных ступеней, перегородок, термоизоляционных изделий (пенно-, газомагнезитов). Но главная область – обустройство бесшовных монолитных полов.

Технология получения базируется на использовании клинкера, активных добавок (пуццолана – смеси вулканического пепла, туфа, пемзы; обожженного сланца; золы уноса; микрокремнезема), доля от общей массы которых – 20-40 %. Могут включаться вспомогательные присадки. Гипс всыпается в количестве, нужном для регуляции сроков схватывания.

От классического состава пуццолановый разнится тем, что ему свойственно более высокое сопротивление к коррозии, сульфатным водам. Достаточно морозостоек, показывает минимальное тепловыделение в процессе твердения. За счет присоединения легких минеральных добавок он обладает меньшим удельным весом, но те же присадки способствуют повышению выхода цементного раствора. Чаще всего применяется для приготовления бетонных/железобетонных изделий в подземных/подводных конструкциях. Если же речь идет о наземных постройках в сухом климате, неуместно пускать в ход, поскольку он будет сильно уступать портландцементу.

Редко используемыми материалами являются романцемент (соединение клинкера с доломитизированным мергелем и гипсом) и кислотоупорные продукты на основе кварца/диабаза, чье затворение осуществляется не водой, а жидким стеклом. Белые и цветные составы, напротив, востребованы, но лишь в области архитектурно-отделочных работ.

Технология производства

Чтобы получить цемент, обращаются к следующим этапам:

1. нагреванию смеси гашенной извести и глины до температурных отметок + 1450-1480̊ С; по окончании данного процесса образуются нужные гранулы клинкера;
2. соединению промежуточного продукта (клинкера) с гипсом и их дальнейшему перемалыванию до приобретения порошкообразного состояния;
3. введению добавок и присадок (при необходимости), которые положительно повлияют на свойства.

При изготовлении вяжущего состава строго соблюдаются не только производственные процессы, но и подготовительные мероприятия, соотношение компонентов. После того, как цемент получит законченный вид, его транспортируют на склады, где он дожидается отправки потребителю.

Стоимость разных марок

На формирование итоговой цены влияют многие факторы:

1. расфасовка – в больших объемах приобретать выгоднее, поэтому неудивительно, что мешок весом 0,05 тонн обойдется дешевле в расчете за 1 кг, чем 5-ти килограммовая упаковка;
2. сезонность (активность периода) – весна/лето, часть осени – время, когда строительство и ремонты в самом разгаре, а, следовательно, удорожание вяжущих составов небезосновательно;
3. территориальная ценовая политика;
4. престиж производителя;
5. прочностные характеристики – главный аспект в определении стоимости: чем выше предел крепости цемента при сжатии, тем качественнее он будет, а его цена выше.

Цементные основы с пластификаторами, модифицирующими добавками, эстетичные в плане колера (белые, цветные), конечно, стоят несколько дороже. Например, состав М600 супербелый обойдется уже в 600-800 рублей (в зависимости от производителя) за мешок емкостью 50 кг.