Состав цемента силикатной серии можно разделить на сырье для производства силикатного цементного клинкера, гипс и смешанные материалы.
(1) Состав материалов для производства цементного клинкера силикатной серии
Цементный клинкер силикатной серии состоит из известкового сырья, глиняного сырья и порошка железной руды.
Известковое сырье — это природный известняк, туф и ракушки, которые в основном обеспечивают CaO в цементе; глиняное сырье — это в основном глина (или сланец, аргиллит, алевролит и речной ил), основным компонентом которой является SiO₂, затем Al₂O₃ и небольшое количество FezO₃; порошок железной руды — гематит, химический состав которого Fe₂O₃, который в основном восполняет недостаток содержания железа в глине. В цементном сырье содержание различных компонентов должно соответствовать следующим требованиям.
CaO 62%～67%
SiO₂ 20%～24%
Al₂O₃ 4%～7%
Fe₂O₃ 2.5%～6.0%
(2) Гипс
При производстве цемента необходимо добавить соответствующее количество гипса, чтобы задержать схватывание цемента. В силикатном цементе и обычном силикатном цементе гипс в основном играет замедляющую роль. В цементе с большим количеством смешанных материалов гипс также играет роль стимулятора активности смешанных материалов. Гипс, добавляемый в цемент, в основном представляет собой природный безводный сульфат кальция.
(3) Смешанные материалы
Для улучшения характеристик цемента, регулирования марки прочности цемента, увеличения выхода цемента и расширения ассортимента цемента, различные минеральные материалы, которые должны быть добавлены в процессе производства цемента, называются смешанными материалами. Смешанные материалы можно разделить на две категории: активные и неактивные.
Активные смешанные материалы относятся к минеральным материалам с потенциальными гидравлическими свойствами, свойствами вулканического пепла или одновременно свойствами вулканического пепла и гидравлическими свойствами. Под свойствами вулканического пепла понимается то, что материал после измельчения в мелкий порошок не обладает гидравлическими свойствами сам по себе, но может образовать гидравлическое соединение после смешивания с известью и водой при комнатной температуре. К распространенным типам активных смешанных материалов относятся гранулированный доменный шлак, смешанные материалы из вулканической золы и летучая зола. Гранулированный доменный шлак представляет собой расплав, основными компонентами которого являются силикат и алюминат кальция. После закалки в воде и гранулирования его химический состав состоит в основном из CaO, Al2O2 и SiO2, составляющих более 90% от общей массы. В нем также содержится небольшое количество MgO, Fe2O2 и некоторые сульфиды. При закалке и гранулировании шлак образует нестабильное стеклянное тело и обладает потенциальными гидравлическими свойствами. Медленно охлажденный шлак не обладает гидравлическими свойствами.
Смешанные материалы с вулканическим пеплом относятся к природным или искусственным минеральным материалам с характеристиками вулканического пепла. Их можно разделить на три категории:
·hydrous силикатные материалы (кизельгур, диатомит)
·burnt глинистые материалы (обожженная глина, угольный шлак, летучая зола)
·volcanic зольные материалы (вулканический пепел, туф).
Летучая зола — это промышленный отход тепловых электростанций. Она представляет собой мелкозернистый остаток, выбрасываемый из угольных котлов. Она состоит в основном из SiO₂ и Al₂O₃, содержит небольшое количество CaO и имеет характеристики вулканического пепла.
Неактивные смешанные материалы — это смешанные материалы, которые не обладают потенциальной гидравлической твердостью или чей индекс активности качества не соответствует установленным требованиям. К ним обычно относятся медленно охлаждаемый шлак, молотый кварцевый песок и известняковый порошок. Этот тип смешанных материалов добавляется в цемент в основном для выполнения роли наполнителя, который может увеличить выход цемента, снизить теплоту гидратации и марку прочности, и не оказывает большого влияния на другие свойства цемента.
(4) Минеральный состав и требования к характеристикам силикатного цементного клинкера
Цементный клинкер силикатной серии — это гидравлический цементный материал, основным минеральным компонентом которого является силикат кальция. Он получается путем измельчения сырья, содержащего в основном CaO, SiO₂, Al₂O₃ и Fe₂O₃ в тонкий порошок в соответствии с соответствующими пропорциями и обжига до частичного расплавления.
По основным характеристикам и применению силикатный цементный клинкер можно разделить на клинкер общего назначения, средней сульфатостойкости, средней теплоты гидратации и высокой сульфатостойкости.
К силикатному цементному клинкеру предъявляются жесткие требования по качеству, что обеспечивает его надежность и эксплуатационные характеристики. Время схватывания должно быть не ранее 45 минут, а окончательное схватывание — не позднее 6,5 часов. Стабильность проверяется и квалифицируется методом кипячения. Прочность на сжатие должна соответствовать или превышать требования табл. 2-11. Важно отметить, что во всех видах силикатного цементного клинкера строго запрещено содержание посторонних примесей, что гарантирует его чистоту и консистенцию.
Коагуляция и твердение силикатного цемента
После добавления соответствующего количества воды в цементную пасту, под воздействием собственных физико-химических изменений, она постепенно становится гуще и теряет пластичность, но еще не обладает прочностью. Этот процесс называется «коагуляцией» цемента. Со временем его прочность продолжает развиваться и увеличиваться, постепенно превращаясь в твердое камнеподобное вещество — цементный камень. Этот процесс называется «затвердеванием» цемента. Коагуляция и твердение цемента — это непрерывные и сложные физико-химические процессы, которые невозможно разделить.
(1) Гидратация силикатного цемента
При добавлении воды в цемент происходит динамическая реакция. Минералы клинкера, входящие в состав цемента, быстро вступают в реакцию с водой, и этот процесс называется гидратацией и гидролизом. Эта реакция не только преобразующая, но и динамичная, в результате которой образуется ряд новых соединений и выделяется значительное количество тепла. Реакция разворачивается следующим образом:
2(3CaO-SiO₂)+6H₂O=-3CaO-2SiO₂-3H₂O+3Ca(OH)₂
2(2CaO-SiO₂)+4H₂O=3CaO-2SiO₂ -3H₂O+Ca(OH)₂
3CaO-Al₂O₃+6H₂O==3CaO-Al₂O₃-6H₂O
4CaO-Al₂O₃-Fe₂O₃+7H₂O
3CaO-Al₂O₃-6H₂O+CaO-Fe₂O₃-H₂O
3CaO-Al₂O₃-6H₂O+3(CaSO₄-2H₂O)+19H₂O
3CaO-Al₂O₃-3CaSO₄-31H₂O
В целом, после реакции силикатного цемента с водой основными гидратами являются гидратированный силикат, гидратированный гель феррита кальция, гидроксид кальция, гидратированный алюминат кальция и гидратированные кристаллы сульфоалюмината кальция. Эти продукты гидратации определяют ряд свойств цементной пасты.
(2) Процесс схватывания и твердения силикатного цемента
Когда цемент смешивается с водой, на поверхности цементных частиц немедленно происходит реакция гидратации. Эта реакция имеет решающее значение, поскольку она инициирует процесс. Продукты гидратации растворяются в воде, которая является ключевой средой для реакции. Затем частицы цемента обнажают новый слой поверхности и продолжают реагировать с водой, так что раствор вокруг частиц цемента быстро становится насыщенным раствором продуктов гидратации. Это насыщение является важным моментом в процессе. После того как раствор достиг насыщения, продукты, образовавшиеся в результате продолжающейся гидратации цемента, больше не могут растворяться, и многие мелкодисперсные частицы выпадают в осадок, образуя гель. Образование геля является критическим этапом. По мере продолжения реакции гидратации новые коллоидные частицы продолжают увеличиваться, а свободная вода — уменьшаться, в результате чего гель постепенно становится гуще, а цементная паста постепенно теряет свою пластичность, то есть происходит коагуляция. Эта коагуляция является основным изменением в процессе. После этого гидроксид кальция и гидратированный алюминат кальция в геле постепенно превращаются в кристаллы, проходят через гель и плотно соединяются, образуя цементную пасту с определенной прочностью. Это образование кристаллов является важным событием. По мере затвердевания негидратированная часть внутри частиц цемента продолжает гидратироваться, поэтому кристаллы постепенно увеличиваются, гель постепенно становится плотным, а цементная паста обладает все более высокой силой сцепления и прочностью. Это увеличение прочности является ключевым результатом. Кроме того, когда цемент застывает и твердеет на воздухе, гидроксид кальция, образовавшийся в результате гидратации его поверхности, вступает в реакцию с углекислым газом в воздухе, образуя тонкий слой карбоната кальция (CaCO₃), который называется карбонизацией.
Из описанного выше процесса видно, что реакция гидратации цемента постепенно проникает с поверхности частиц во внутренний слой. Она начинается быстрее. В дальнейшем, из-за образования гелевой пленки на поверхности частиц цемента, воде становится все труднее проникать внутрь, и гидратация идет все медленнее и медленнее. Практика показала, что весь процесс гидратации и гидролиза цемента занимает несколько лет или даже десятилетий. Это значительный срок. Как правило, цемент быстро гидратируется и гидролизуется в течение первых 3-7 дней, поэтому его прочность растет быстрее. Это начальная быстрая стадия. Основная часть этого процесса может быть завершена в течение 28 дней. Это первый месяц. После этого процесс значительно замедляется, и рост прочности также происходит крайне медленно. Это долгосрочная медленная стадия.