Портландцеме́нт (англ. portland cement — від назви острова Портленд у Великій Британії) — гідравлічна в'яжуча суміш, високоякісний цемент, який використовується для цементування свердловин. Одержують подрібненням суміші клінкеру, гіпсу і активних добавок. У складі портландцементу переважають силікати кальцію (70-85 %). Цей вид цементу найбільш широко застосовується у всіх країнах.

Палета з мішками портландцементу

Назву дістав від однойменного острова Портленд в Англії, позаяк за кольором схожий на природний камінь, що там видобувається.

Основою портландцементу є силікати кальцію (аліт та беліт).

СкладРедагувати

Хім. склад портландцементу (без добавок), в % по масі: 62-76 % СаО, 20-23 % SiO2, 4-7 % Al2O3, 2-5 % Fe2O3, 1-5 % MgO; мінералогічний склад, в % по масі: тверді розчини на основі 3CaO×SiO2, або Ca3SiO5 (аліт, 45-65 %), 2CaO×SiO2, або Ca2SiO4 (беліт, 15-30 %), алюмінат кальцію ЗСаО×Аl2О3 (3-14 %), алюмоферат (III) кальцію 4CaO×Al2О3×Fe2O3 (10-18 %). Крім звичайного портландцементу, відомо біля 20 його різновидностей, які відрізняються мінеральним складом цементного клінкеру, домішок до нього і умовами застосування. Відомі різні за складом і призначенням види портландцементу, напр., високоміцний, швидкотверднучий, гідрофобний, тампонажний та ін., його суміші з гранульованим шлаком (шлакопортландцемент) і гірськими породами — пуцоланами — трепелом, туфом, пемзою (пуцолановий портландцемент).


Хімія портландцементуРедагувати

Сировина, яка використовується для отримання портландцементу, містить елементи, здатні до утворення разом із киснем високомолекулярних сполук (перш за все кремній та алюміній) та елемент (кальцій), який виступає в ролі катіону.

Кремній та алюміній вносяться до шихти у вигляді природних (глини, суглинки, глиняні сланці) або штучних (відходи від виробництва алюмінію з нефеліну) високомолекулярних сполук, будова яких здійснює певний вплив на синтез клінкеру. Кальцій до шихти уводиться у вигляді вапняку або вапна.

Синтез цементуРедагувати

У процесі обпалу шихти можна виділити наступні стадії:

  1. висушення та підігрів
  2. деполімеризація
  3. йонний розчин
  4. охолодження

Друга та третя стадії, з точки зору полімерних уявлень, є найбільш складними й найголовнішими. Друга стадія, в результаті якої за термічної деполімеризації початкового полісилоксану (поліалюмосилоксану) у присутності йонів кальцію та кисню утворюється мономерна кремнійкиснева сполука, є необхідним етапом отримання в'яжучого, але цього етапу ще не достатньо для отримання швидкотверднучого в'яжучого. Процес, який здійснюється у твердій фазі на цій стадії приводить от утворення беліту, головною складовою якого є ортосилікат кальцію - мономерна кремнійкиснева сполука

Синтез високоактивного в'яжучого - аліту, основою якого також є мономерна кремнійкиснева сполука   або

здійснюється на третій стадії в результаті рідкофазного процесу. Це стадія йонного розчину.

ГідратаціяРедагувати

Гідравлічна активність портландцементного клінкеру визначається наявністю у ньому мономерних кремнійкисневих сполук, узятих у вигляді солей (стронцію, барію). Збільшення активності структури сприяє підвищенню активності в'яжучого.

Взаємодія цементу із водою (гідратація) визначається правою частиною вищенаведеної схеми. При взаємодії клінкера із водою в результаті гідролізу ортосилікату кальцію утворюється ортокремнева кислота:

 

яка є нестійкою сполукою.

В середовищі води ортокремнева кислота бере участь у реакціях солеутворення


та поліконденсації

Реакції перебігають одночасно, питання спрямованості їх вирішується конкуренцією цих двох типів (йонного та молекулярного) хемічних перетворень. Схильність ортокремневої кислоти до поліконденсації настільки велика, що ця молекулярна реакція є однією з найголовніших, які визначають хімізм процесу водного твердіння портландцементу і особливу поведінку цементного каменя при зберіганні його у воді.

Гранично

де   a  

Рівновага реакції поліконденсації завжди прагне зсунутися у сторону утворення полімерних силікатів, що здійснюється при першій ж можливості, і гранично приводить до утворення кремнезему  . Однак за присутності калцію утворюються як мономерні (кислі солі ортокремневої кислоти) гідросилікати кальцію, наприклад, афвіліт, альфа-гідрат   так і полімерні (солі ди- й полікремневих кислот) гідросилікати кальцію[1].

Процес виробництваРедагувати

Портландцемент одержують тонким подрібненням клінкеру і гіпсу. Клінкер — продукт рівномірного випалу до спікання однорідної сировинної суміші, що складається з вапняку і глини певного складу, що забезпечує переважання силікатів кальцію (3СаО ∙ SiO2 і 2СаО ∙ SiO2 70-80 %).

Найпоширеніші методи виробництва портландцементу так звані «сухий» і «мокрий». Все залежить від того, яким способом змішується сировинна суміш — у вигляді водних розчинів або у вигляді сухих сумішей.

При подрібненні клінкеру вводять добавки: 1,5 … 3,5 % гіпсу CaSO4 ∙ 2H2O (у перерахунку на ангідрид сірчаної кислоти SO3) для регулювання термінів схоплювання, до 15 % активних мінеральних добавок — для поліпшення деяких властивостей і зниження вартості цементу.

Сировиною для виробництва портландцементу служать суміші, що складаються з 75 … 78 % вапняку (крейди, черепашнику, вапнякового туфу, мармуру) і 22 … 25 % глин (глинистих сланців, суглинків), або вапнякові мергелі, використання яких спрощує технологію. Для отримання необхідного хімічного складу сировини використовують коригуючі добавки: піритні недогарки, колошниковий пил, боксити, піски, опоки, трепели.

При мокрому способі виробництва зменшується витрата електроенергії на подрібнення сировинних матеріалів, полегшується транспортування і перемішування сировинної суміші, вище гомогенність шламу і якість цементу, однак витрата палива на випал і сушіння становить на 30-40 % більше ніж при сухому способі.

Випалення сировинної суміші проводиться при температурі 1470 ° C протягом 2 … 4:00 в довгих обертових печах (3,6 х127 м, 4 × 150 м і 4,5 х170 м) з внутрішніми теплообмінними пристроями, для спрощення синтезу необхідних мінералів цементного клінкеру. При обпіканні матеріалу відбуваються складні фізико-хімічні процеси. Обертову піч мокрого способу умовно можна поділити на зони:

  • сушіння (температура матеріалу 100 … 200 ° C — тут відбувається часткове випаровування води);
  • підігріву (200 … 650 ° C — вигорають органічні домішки і починаються процеси дегідратації і розкладання глинистого компонента). Наприклад, розкладання каолініту відбувається за такою формулою: Al2O3 ∙ 2SiO2 ∙ 2H2O → Al2O3 ∙ 2SiO2 + 2H2O; далі при температурах 600 … 1000 ° C відбувається розпад алюмосилікатів на оксиди і метапродукти.
  • декарбонізації (900 … 1200 ° C) відбувається декарбонізація вапнякового компонента: СаСО3 → СаО + СО2, одночасно триває розпад глинистих мінералів на оксиди. В результаті взаємодії основних (СаО, MgO) і кислотних оксидів (Al2O3, SiO2) у цій же зоні починаються процеси твердофазових синтезу нових сполук (СаО ∙ Al2O3 — скорочений запис СА, який при більш високих температурах реагує з СаО і врешті жідкофазового синтезу утворюється С3А), що протікають ступінчасто;
  • екзотермічних реакцій (1200 … 1350 ° C) завершется процес твердофазових спікання матеріалів, тут повністю завершується процес утворення таких мінералів як С3А, С4AF (F — Fe2O3) і C2S (S — SiO2) — 3 з 4 основних мінералів клінкеру;
  • спікання (1300 → 1470 → 1300 ° C) часткове плавлення матеріалу, в розплав переходять клінкерні мінерали крім C2S, який взаємодіючи з рештою в розплаві СаО утворює мінерал Аліт (С3S);
  • охолодження (1300 … 1000 ° C) температура знижується повільно. Частина рідкої фази кристалізується з виділенням кристалів клінкерних мінералів, а частина застигає у вигляді скла.

Дізнатися даний вид цементу можна за зовнішнім виглядом — це зеленувато-сірий порошок. Як і всі цементи, якщо до нього додати воду, він при висиханні приймає камнеподібний стан і не має суттєвих відмінностей за своїм складом та фізико-хімічними властивостями від звичайного цементу.

Різновиди портландцементу:

  • звичайний,
  • швидкотверднучий,
  • гідрофобний,
  • пластифікований,
  • сульфатостійкий,
  • тампонажний (призначений для кріплення нафтових і газових свердловин, для капітального ремонту свердловин; Марки Т.ц. за міцністю на стиск 400 і 500),
  • білий,
  • кольоровий.


Найважливіші властивості: наростання міцності при твердінні, водостійкість і морозостійкість.

Див. такожРедагувати

ЛітератураРедагувати

ПосиланняРедагувати

ПриміткиРедагувати

  1. Ю.С.Черкинский - Полимерные представления в химии цементов.