Учебное пособие по СМ.07. Учебное пособие по СМ. Учебное пособие для выполнения исследовательских лабораторных работ Издание шестое, Переработанное и дополненное Челябинск
 Скачать 6.27 Mb.
|
|
.MgO. 3 Са(ОН)2. 4 СаСО3. 8 Какова химическая формула воздушной гашеной извести? 1 СаО. 2 СаО.MgO. 3 Са(ОН)2. 4 СаСО3. Лабораторная работа № 7 ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ Общие сведения Цемент – обобщенное название группы гидравлических вяжущих веществ, главной составной частью которых являются высокоосновные силикаты кальция (70…80 %), образовавшиеся при высокотемпературном обжиге (до спекания) природной ил специально подготовленной сырьевой смеси. Портландцемент получается совместным помолом портландцементного клинкера и необходимого количества природного гипса. Гипс вводится для регулирования сроков схватывания (замедления) и для повышения коррозионной стойкости. Количество гипса не менее 3,5 % в пересчете на SO3. Клинкер получается в результате обжига до спекания дисперсной смеси глины (30…25 %) и известняка (75…80 %) или природного мергеля. Кроме того, в состав шихты вводятся мел и корректирующие добавки. Для получения портландцемента химический состав клинкера должен содержать, масс. %: СаО = 63…66, SiО2 = 21…24, AL2O3 = 4…8, Fe2O3 = 2…4. Из этого следует, что для получения портландцементного клинкера необходимо сырье, содержащее большое количество оксидов кальция, алюмосиликатов, а также некоторое количество оксидов железа. Этому условию отвечают широко распространенные осадочные горные породы – известняки глины, а также известковые мергели. В результате обжига сырьевой смеси образуются различные искусственные минералы. Основные клинкерные минералы: силикаты 3CaO· SiO2 − C3S (алит) и 2CaOSiO2 − С2S (белит) и плавни (целит) − 3CaO· AL2О3 − С3А и 4CaO· AL2О3 · Fe2О3 − C4АF. Кроме того, в состав клинкера входят клинкерное стекло и инертные минералы CaO· SiO2 − СS, 3CaO· AL2О3·2SiO2 − С3АS2, периклаз MgO, свободная известь СаО св, оксиды щелочных металлов и др. В общем случае количество клинкерных минералов колеблется в достаточно больших пределах: C3S = 40…75 %, C2S = 5…25 %, C3А = 2…15 % и C4АF = 5…20 %. Количество тех или клинкерных минералов определяет и название портландцементов: высокоалитовые цементы имеют C3S > 60 %, алитовые цементы имеют C3S = 50…60 % и C3А не более 8 %, белитовые цементы имеют C2S >35 %, алюминатные цементы имеют C3А > 12 %. Свойства клинкерных минералов представлены в таблице 25. Тонкий порошок портландцемента при затворении водой образует пластичное тесто, которое постепенно густеет, превращаясь в камневидное тело. Твердение портландцемента обусловлено сложными химическими и физико-химическими процессами взаимодействия клинкерных минералов с водой, в результате которых образуются новые гидратные соединения, практически нерастворимые в воде. Таблица 25 – Основные свойства клинкерных минералов портландцемента
Уже в начальный период происходит быстрое взаимодействие алита с водой с образованием гидросиликата кальция и гидроксида кальция 2(3СаО·SiО2) + 6Н2О = 3СаО2·SiО2·3Н2О + 3 Са(ОН)2. Белит гидратируется медленнее алита и при его взаимодействии с водой выделяется меньше гидроксида кальция 2(2СаО·SiО2) + 4Н2О = 3СаО2·SiО2·3Н2О + Са(ОН)2. Взаимодействие C3А с водой приводит к образованию гидроалюмината кальция 3СаО·AL2О3 + 6Н2О = 3СаО·AL2О3·6Н2О. Для замедления сроков схватывания при помоле в состав смеси вводится гипсовый камень, который играет роль химически активной составляющей цемента, реагирующей с C3А и связывающий его в гидросульфоалюминат кальция (эттрингит) в начале гидратации портландцемента 3СаО·AL2О3 + 3(CaSO4·2H2O) + 26Н2О = 3СаО·AL2О3·3CaSO4·32H2O. В насыщенном растворе Са(ОН)2 эттрингит сначала выделяется в коллоидном тонкодисперсном состоянии. Осаждаясь на поверхности частиц 3СаОAL2О3, эттрингит замедляет их гидратацию и затягивает начало схватывания цемента. Заполняя поры цементного камня, эттрингит повышает прочность и стойкость. Структура цементного камня улучшается еще и потому, что предотвращается образование в нем слабых мест в виде рыхлых гидроалюминатов кальция. C4АF при взаимодействии с водой расщепляется на гидроалюминат и гидроферрит 4СаО·AL2О3·Fe2O3 + 10Н2О + 2Са(ОН)2 = 3СаО·AL2О3·6Н2О +3СаО·Fe2O3·6Н2О. Гидроалюминат связывается природным гипсом, а гидроферрит входит в состав цементного геля. В сформировавшемся цементном камне, даже после большого срока твердения, сохраняются не полностью гидратированные частицы клинкера, рассредоточенные среди гидратных новообразований. К основным свойствам портландцемента относят: − тонкость помола, характеризуемая остатком на сите 008 ≤ 15 %, что соответствует Sуд = 2500…3000 см2/г; − водопотребность цементного теста, оцениваемая количеством воды (% от массы цемента), необходимым для получения цементного теста нормальной (стандартной) густоты: обычно бывает в пределах 21…28 %; − сроки схватывания, определяемые на цементном тесте нормальной густоты; Нсхв ≥ 45 мин, Ксхв ≤ 10 час; − прочность, являющаяся главным показателем качества портландцемента и определяемая по показателям пределов прочности при изгибе и при сжатии через 28 суток нормального твердения. По этим показателям устанавливается марка портландцемента (таблица 26); Таблица 26 – Требования к маркам портландцемента
− цвет – серый с зеленоватым оттенком; − плотность 3,0…3,2 г/см3. Регулировать свойства портландцемента можно различными способами, одним из приоритетных направлений является введение добавок. Добавки по степени влияния на свойства портландцемента и по назначению подразделяются на: − компоненты вещественного состава (активные минеральные добавки АМД); − наполнители, улучшающие зерновой состав цемента и структуру затвердевшего камня; − технологические добавки, интенсифицирующие процесс помола цемента; − добавки, регулирующие основные свойства цемента; − добавки, регулирующие специальные свойства цемента; Особая роль среди всего многообразия используемых добавок отводится ПАВ, которые весьма эффективны при регулировании основных и специальных свойств вяжущих веществ. Теоретическое определение оптимального количества вводимых добавок пока еще затруднительно и поэтому в каждом конкретном случае требуется проводить соответствующие экспериментальные исследования для проверки их действия. Цель работы Изучить основные свойства портландцемента и исследовать возможность их регулирования с помощью добавок. Определить марку портландцемента по прочности. Порядок выполнения работы Для решения задач исследования, поставленных в работе, каждое звено студентов проводит следующие испытания: − определяет нормальную густоту НГ цементного теста; − подбирает стандартную консистенцию цементно-песчаной растворной смеси и изготовляет из нее 3 образца-балочки размером 4х4х16 см; − испытывает образцы-балочки в возрасте 28 суток для определения пределов прочности при изгибе и сжатии; − по результатам определения пределов прочности при изгибе и при сжатии определяет марку цемента по прочности. При этом дежурное звено студентов проводит все испытания в стандартных условиях (без применения добавок), определяет тонкость помола и устанавливает марку цемента по прочности, а другие звенья студентов проводят определения, используя добавки. Добавка вводится в виде водного раствора известной концентрации. Методы испытаний 1 Определение тонкости помола цемента Тонкость помола определят ситовым анализом на приборе для механического просеивания цемента (рисунок 26). Для испытания отвешивают 50 г цемента, предварительно высушенного в сушильном шкафу в течение 2 час при температуре 105…110 оС, и высыпают его на сито с размером отверстий 0,08 мм. Процесс просеивания занимает 5…7 минут. Затем проводят контрольное просеивание вручную на лист глянцевой бумаги. Просеивание считается законченным, если в течение 1 минуты контрольного просеивания через сито проходит не более 0,05 г цемента. По окончанию просеивания остаток на сите взвешивают с погрешностью 0,01 г. Тонкость помола определяют как остаток на сите 0,08 в процентах от первоначальной массы просеиваемой пробы, который должен быть ≤ 15 %. 2 Определение нормальной густоты цементного теста Для исследования влияния добавки на пластично-вязкие свойства цементного теста используется стандартный метод определения нормальной густоты цементного теста с применением прибора Вика (рисунок 13).  Рисунок 26 − Прибор для просеивания цемента 1 − станина; 2 − набор сит; 3 − стойки; 4 − упор для вращения сит; 5 − электродвигатель; 6 − шатунно-эксцентриковый механизм Для приготовления цементного теста отвешивают 400 г цемента, который высыпают в сферическую металлическую чашу, предварительно протертую влажной тканью. Делают в цементе углубление, в которое вливают в один прием воду в количестве, необходимом для получения теста нормальной густоты. Углубление засыпают цементом и через 30 с осторожно перемешивают, а затем энергично растирают лопаткой. Общая продолжительность перемешивания и растирания составляет 5 мин с момента добавления воды. После этого кольцо прибора Вика наполняют в один прием цементным тестом и 5-6 раз встряхивают его, постукивания пластинку о край стола. Поверхность теста выравнивают с краями кольца, срезая избыток теста ножом, протертой влажной тканью. Немедленно после этого приводят пестик прибора Вика в соприкосновение с поверхностью цементного теста в центре кольца и закрепляют стержень стопорным устройством. Затем стопорное устройство быстро освобождают, и пестик свободно погружается в тесто. Через 30 с производят отсчет погружения пестика в тесто по шкале. Нормальной густотой цементного теста считают такую его консистенцию, при которой пестик прибора Вика не доходит на 5…7 мм до пластинки, на которой установлено кольцо. При несоответствующей консистенции цементного теста изменяют количество воды и вновь затворяют тесто, добиваясь погружения пестика на нужную глубину. Нормальную густоту характеризуют количеством воды затворения, выраженным в процентах от массы цемента с погрешностью 0,25 %. Нормальную густоту устанавливают для каждой из указанных доз добавок. Для лучшего распределения добавки в объеме цементного теста, ее вводят в виде водного раствора. При определении НГ цементного теста с добавкой следует учитывать то количество воды, которое вносится с раствором добавки. По результатам испытаний строится график зависимости нормальной густоты цементного теста от количества вводимой добавки. 3 Изготовление образцов-балочек из цементно-песчаной растворной смеси стандартной консистенции Для определения стандартной консистенции цементно-песчаной растворной смеси и изготовления 3 образцов-балочек размером 4х4х16 см отвешивают 1500 г песка по ГОСТ 6139, 500 г цемента и высыпают в предварительно протертую влажной тканью сферическую металлическую чашу. Перемешивают смесь сначала всухую до получения однородной массы, затем в ней делают лунку, вливают в нее воду в количестве 200 г (В/Ц = 0,40), дают воде впитаться в течение 0,5 мин и перемешивают смесь в течение 1 мин. Далее растворную смесь переносят в предварительной протертый влажной тканью механический смеситель (рисунок 27), где ее перемешивают в течение 2,5 мин (20 оборотов чаши смесителя).  Рисунок 27 − Смеситель для перемешивания цементного раствора 1 − станина; 2 − смесительная чаша; 3 − откидная траверса; 4 − валик для перемешивания раствора. По окончании перемешивания определяют консистенцию растворной смеси с использованием встряхивающего столика 1 и металлической формы-конуса 7 следующим образом (рисунок 28).  Рисунок 28 − Встряхивающий столик Растворную смесь укладывают в форму-конус 7 двумя слоями равной высоты. Каждый слой уплотняют металлической штыковкой диаметром 20 мм: нижний слой штыкуют 15 раз, верхний – 10 раз. Во время укладки и уплотнения смеси конус прижимают рукой к стеклянному диску столика 6. Предварительно диск и внутренняя поверхность формы-конуса протираются влажной тканью. Излишек смеси срезают ножом и форму-конус медленно поднимают. Затем, вращая рукоятку маховика 8, встряхивают диск столика 30 раз в течение 30 секунд, при этом смесь расплывается, сохраняя сплошность. Встряхивание происходит от кулачка 3 на валу 2 и стойки с роликом 4, на которой закреплен диск 5 со стеклом 6. За стандартную консистенцию принимают ту, при которой расплыв конуса находится в пределах 106…115 мм. При меньшем расплыве смесь готовят заново, увеличивая количество воды затворения до получения расплыва конуса 106…115 мм. При большем расплыве конуса количество воды затворения уменьшают до получения расплыва конуса 113…115 мм. Для получения хорошо сопоставимых результатов рекомендуется сузить пределы допустимых изменений расплыва конуса до 109…112 мм. При использовании пластифицирующей добавки общее количество воды затворения уменьшают, т.е. снижают В/Ц смеси, добиваясь в каждом случае стандартной консистенции. По полученным результатам строится график зависимости В/Ц смеси от количества добавки для получения стандартной консистенции цементно-песчаной растворной смеси. Перед изготовлением образцов внутреннюю поверхность стенок форм и поддона слегка смазывают машинным маслом. На собранную форму устанавливают насадку. Форму жестко закрепляют ее в центре виброплощадки, наполняют растворной смесью приблизительно на 1 см высотой и включают двигатель. В течение первых двух минут вибрации все три гнезда формы равномерно малыми порциями заполняют смесью. По истечении 3 мин от начала вибрации виброплощадку отключают, форму снимают с виброплощадки, срезают ножом, смоченным водой, излишек растворной смеси, заглаживают поверхность образцов вровень с краями формы и маркируют их. 4 Хранение образцов до испытания После изготовления образцы в формах хранят 22…26 часов в ванне с гидравлическим затвором при влажности 100 %, затем образцы осторожно вынимают из формы и укладывают в ванну с водой в горизонтальном положении. Уровень воды над образцами должен находиться в пределах 2…10 см. Воду менять через каждые 14 суток. Температура воды 18…22 оС. 5 Определение прочности образцов Через 28 суток после изготовления образцы вынимают из воды и не позднее чем через 30 мин испытывают по методике, описанной в работе № 5. Однако следует учесть некоторые требования стандартов, касающиеся испытания образцов цемента: − предел прочности цемента при изгибе в серии из 3 образцов-балочек вычисляют как среднее арифметическое двух наибольших результатов испытания; − предел прочности цемента при сжатии серии из 6 образцов-половинок вычисляют как среднее арифметическое четырех наибольших результатов испытания; − при определении предела прочности при сжатии средняя скорость нарастания нагрузки должна быть 1,5…2,5 МПа/с. По результатам испытаний строится график зависимости пределов прочности камня при сжатии и при изгибе от количества вводимой добавки. Выводы по работе По результатам испытаний образцов без добавки дать заключение о марке цемента по прочности. Провести анализ зависимости нормальной густоты цементного теста, В/Ц и механических свойств цемента от количества вводимой добавки. Установить оптимальную дозировку добавки и составить рекомендации по регулированию свойств цемента пластифицирующей добавкой. Контрольные вопросы 1 Какова роль гипсового камня в портландцементе? 1 Ускоряет сроки схватывания. 2 Сохраняет свойства при длительном хранении. 3 Придает белый цвет и повышает декоративность. 4 Повышает долговечность и увеличивает сроки схватывания. 2 Влияет ли увеличение расхода воды затворения на прочность цементного камня? 1 Количество воды затворения не влияет на прочность камня. 2 С увеличением количества воды затворения прочность камня уменьшается. 3 С увеличением количества воды затворения прочность камня увеличивается. 4 С увеличением количества воды затворения прочность камня уменьшается в начальный период твердения, а затем увеличивается. 3 Как влияет длительное хранение цемента на его активность? 1 Длительное хранение цемента понижает активность независимо от времени года. 2 Длительное хранение цемента не влияет на его активность. 3 Длительное хранение цемента повышает его активность в летнее время. 4 Длительное хранение цемента снижает его активность в зимнее время. 4 К какому виду вяжущего вещества относится портландцемент? 1 Воздушные вяжущие вещества 2 Гидравлические вяжущие вещества 3 Кислотоупорные вяжущие вещества 4 Автоклавныевяжущие вещества 5 Как влияет тонкое измельчение вяжущего вещества на его химическую активность? 1 Тонкое измельчение вяжущего вещества понижает активность вяжущего вещества в химических реакциях. 2 Тонкое измельчение вяжущего вещества повышает активность вяжущего вещества в химических реакциях. 3 Тонкое измельчение вяжущего вещества не влияет на его химическую активность. 4 Тонкое измельчение вяжущего вещества может повысить его химическую активность только в присутствии катализатора. 6 Что является сырьем для производства портландцементного клинкера? 1 Известняки и гипсовый камень. 2 Известняки, глины, мергели. 3 Глины, диатомиты, трепелы, опоки. 4 Мергелистые известняки, мел, трепел. 7 Какова цель обжига сырьевых материалов при получении портландцементного клинкера? 1 Плавление сырьевой смеси до получения однородного по химическому составу клинкера. 2 Дегидратация и разложение глинистых минералов. 3 Декарбонизация известняков и выгорание органических примесей. 4 Спекание сырьевой смеси для образования клинкерных минералов. 8 Какие основные минералы входят в состав портландцементного клинкера? 1 3CaO·SiO2, 2CaO·SiO2, 3CaO·AL2О3, 4CaO·AL2О3 ·Fe2О3. 2 CaO·SiO2 , 3CaO·AL2О3·2SiO2 , периклаз MgO, свободная известь СаО св. 3 3СаО·2SiО2·3Н2О, Са(ОН)2, 3СаО·AL2О3. 4 3СаО·AL2О3·6Н2О, 3СаО·AL2О3·3CaSO4·32H2O. 9 За счет чего происходит схватывание цементного теста? 1 За счет испарения воды и загустевания цементного теста. 2 За счет связи извести, образующейся при гидратации силикатов кальция. 3 За счет карбонизации извести, образующейся при гидратации силикатов кальция. 4 За счет коагуляции гидратных новообразований коллоидной дисперсности, связывающих воду химически и физически. 10 Для чего определяется нормальная густота цементного теста? 1 Для сохранения активности цемента при его длительном хранении. 2 Для заме | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||