post

Цимент (портландцимент). Бетон

Цимент – вид прахообразен строителен материал със свързващи свойства, който в строителството се използва за направата на бетон.

Видове строителни материали

В строителството се използват два вида материали – инертни материали (тухли, пясък, камъни, дърво, метал и др.) и свързващи вещества (глина, вар, гипс, цимент и др.).

Инертните материали са същността на строителната конструкция и я изграждат изцяло. Те определят тежестта на постройката, специфичните ѝ характеристики и нейната устойчивост на външни въздействия. Инертните материали се спояват от свързващите в едно цяло и по този начин постройките се превръщат в стабилни и безопасни инженерни съоръжения.

Свързващите вещества представляват прахообразни материали, които се смесват с вода и образуват пластична маса, която от своя страна, след определен период от време се втвърдява. Те могат да се смесват с пълнители (агрегат от пясък, чакъл и др.) и вода, като по този начин се получават различни строителни смеси. При втвърдяването на строителната смес, частиците на свързващото вещество и тези на агрегата се спояват и се получава материал с добри якостни качества.

Въздушно свързващи и хидравлично свързващи вещества

Свързващите вещества се делят на две големи групи: въздушно свъзващи и водно свързващи (хидравлично свързващи). Въздушно свързващи вещества са хоросанът (вар), строителният гипс и др.

Хоросанът е смес от гасена вар – калциев хидроксид Ca(OH)2, кварцов пясък (SiO2) и вода. Наличието на пясък в сместа е от изключително значение. Причината е, че якостта на спойката зависи до голяма степен от свързването на пясъчните зърна с кристалите от калциеви карбонати и калциеви силикати, които се образуват при химичните реакции:

Ca(OH)2 + SiO2 → CaSiO3 + H2O

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

Гипсът е кристалохидрат на калциевият сулфат (CaSO4.2H2O) и променя спойващите си качества след нагряване при различни температури. Свързването става благодарение на преплитането на игловидните кристали след взаимодействието с вода.

CaSO4.0,5H2O + 1,5H2O → CaSO4.2H2O

Водното стъкло е добро свързващо вещество, когато става дума за спояване на смеси с различен състав. Получава се при хидролизата на натриев силикат, като продуктът е гел на силициевата киселина. На нея се дължат спойващите му свойства.

Na2SiO3 + (n+2)H2O → H2SiO3.nH2O + 2NaOH

С изключение на хидравличната вар, която почти вече не се използва, всички изброени вещества са такива, които задължително се втвърдяват във въздушна среда.

Хидравлично свързващи вещества са портландциментът и другите видове цимент. Те могат да се втвърдяват както на въздух, така и във водна среда.

Производство на цимент ( портландцимент )

Портландцимент е най-често използваният вид и затова в тази публикация за по-кратко ще го наричаме само цимент. Изходните суровини за неговото производство са калциев карбонат (CaCO3 – варовик) и алуминиеви силикати под формата на глина (Al2O3, SiO2, Fe2O3). Те се смесват в съотношение 3:1 (CaCO3 е приблизително към 78%) и се смилат със специални топкови мелници на прах, за да могат после да бъдат изпечени. Ако в получената смес има недостиг на силициев диоксид, тогава се добавя кварцов пясък в мелницата, а ако недостигът е на дижелезен триоксид, добавката е желязна руда.

„В зависимост от това, по какъв начин става смесването на изходните съставки – в суха или във водна среда, се различават два метода за производство на цимент – мокър и сух. При мокрия метод смесването на суровините става в специални резервоари (шлам басейни), където варовикът, глината и съответното количество вода образуват суспензия (шлам). При сухия метод смесването и хомогенизирането на суровините става обикновено по пневматичен начин – чрез въздух под налягане.

Предимство на мокрия метод за производство на цимент е възможността за по-добро хомогенизиране на суровинната смес. Недостатък е високият разход на енергия за изпичане на цимента, дължащ се на високото съдържание на вода в шлама. При сухия метод за производство основното предимство е по-ниският разход на енергия, което води до намаляване на себестойността на цимента, тъй като по-голямата част от цената му се формира от горивото, необходимо за изпичането. Сухият метод е свързан с голямо прахоотделяне. (източник на цитата: www.wikipedia.org)„.

Въртяща се пещ

Получената суровина (шихта) под формата на прах или каша постъпва в бавновъртяща се дълга цилиндрична пещ – въртяща се пещ. Този вид пещи могат  на дължина да се разпростират почти на две футболни игрища (150-200м), а в диаметър достигат до 5 метра.

цимент, бетон, портландцимент

Въртяща се пещ за изпичане на цимент

Пещта е леко наклонена, като в горния ѝ край постъпва суровината, а в долния се вдухва под налягане запалено гориво. При въртенето материалите бавно се спускат надолу, а горещите изгорели газове се издигат нагоре в пещта, при което се осъществява изпичането.

портландцимент, цимент, бетон

Схема на въртяща се пещ за изпичане на цимент

Етапи на преработка и зони на пещта

Процесът условно може да се раздели на четири стъпки и съответно въртящата се пещ на 4 зони. Първата зона е там където се загряват и изсушават суровините при температури около 250ºС. Във втората зона (зона на подгряване) се отделя кристализационната вода (дехидратация) от минералите при температури между 500 – 800ºC. Едновременно с това започва разлагането на калциевия карбонат:

CaCO3 → CaO + CO2

Полученият калциев оксид (CaO – 65%) реагира с дехидрираните минерали (Al2O3 – 21%, SiO2 – 6,5%, Fe203 – 4,5%) в третата зона (зона на изпичане) на въртящата се пещ, където температурите варират между 1000 и 1450ºC.  След изпичането се наблюдава частично разрушаване на връзките на алуминиевия и силициевия доксид. Подир спичането се образува доминиращото съединение алит (Ca3SiO5), което определя качеството на цимента.

В резултат на химичните реакции се получава клинкер – малки каменоподобни топчета (гранули) съставени от калциеви алуминати, железни съединения и силикати. Клинкерът се придвижва в четвъртата зона, където става неговото бързо охлаждане в специални приемници (охладители), където се вдухва студен въздух.

портландцимент, цимент

Клинкер (гранули цимент) и паралелни приемници за неговото охлаждане свързани за пещта

Охладеният клинкер се смила в топкови мелници и се смесва с 3 – 6% гипс за подобряване на качеството на готовия портландцимент. Като допълнителна опция, към цимента могат да се добавят шлака от чугунопроизводството или стъкловидни вулканични скали. Това му придава повишена корозионна и химическа устойчивост и го прави подходящ за постройки в контакт с вода съдържаща сулфатни йони (морската). Този вид свързващ материал се нарича пуцоланов цимент.

Независимо от своя вид, циментът най-често се използва в състава на строителния бетон.

Бетон

цимент, чакъл, пясък, вода

Бетон – пропорции на съставките – цимент, чакъл, пясък, вода

Бетонът е композиционен (композитен) строителен материал. В най-простата си форма, строителният бетон представлява смес от портландцимент, вода и агрегат (пясък + чакъл). При смесването на цимент с вода започват химически реакции, при които циментовите минерали се хидратират и хидролизират:

(трикалциев силикат) (3CaO).SiO2 + nH2O →  (2CaO).SiO2·(n-1)H2O + Ca(OH)2

 (дикалциев силикат) (2CaO).SiO2 + mH2O →  (2CaO).SiO2·mH2O

(трикалциев алуминат) 4(3CaO).Al2O3 + 15.4H2O →  3(4CaO).Al2O3·19H2O + Al2O3.3H2O

кристали от втвърдена циментова паста, цимент, бетон

кристали от втвърдена циментова паста под микроскоп

Получава се сложна смес от калциеви силикати, калциеви алуминати, калциево-сулфатни алуминати ((CaO)3(Al2O3)(CaSO4)3·32H2O), кристална и гелна силициева киселина, желязно-алуминиев хидроксид, калциев хидроксид и др. Хидратираните от водата вещества обвиват нереагиралите циментови частици с гелна обвивка. Циментът се превръща в пластична паста, която може дори да се маже.

Получените вече продукти на горните реакции заедно с онези вещества, които се хидролизират по-бавно в циментната паста, започват бавно да изкристализират в многобройни продълговати кристали, а те силно се преплитат помежду си. От степентта на преплитането им зависи здравината на втвърденото вещество.

Пропорции

Смесването на всички съставки на бетона става в точно определени пропорции. Обикновено, когато материалът не е предназначен за важна постройка (небостъргач, язовирна стена или атомна централа), компонентите могат да се смесят на око в следните обемни пропорции: 1 част цимент, 2 части пясък, 3 части чакъл и вода на око (приблизително 1 част и половина).

За жилищна сграда трябва да се спазва малко по-точно пропорциониране, което е дадено на горното изображение. За големи и важни съоръжения, смесването трябва да става само по-точно зададени  спецификации и изисквания. Там то се извършва единствено от квалифицирани за целта строителни инженери. Забъркването на бетон с гореща вода намалява значително неговите качества. Това може да доведе до загубване на свойствата на свързващите вещества, т.е. на цимента.

Забъркване на бетон ръчно

Най-често агрегатът, който се използва за непретенциозния бетон е баластра – предварителна смес от пясък и чакъл. Прави се купчина на подходяща за работа площадка и в средата на купчината се дълбае кратер като на вулкан. В него се изсипва цялото количество цимент и с лопата започва да се разбърква. Смесването на агрегата и цимента продължава до тогава, докато цялата купчина стане хомогенна на цвят, т.е. еднакво сива навсякъде. Отново се прави вулканичен кратер в средата и започва да се добавя внимателно вода на порции.

След всяка нова водна порция, образуващият се бетон се разбърква, за да стане хомогенен по състав. Той трябва да е навсякъде еднакво мокър и гъст. Ако добавената вода е прекалено малко, полученият бетон ще е твърде гъст, труден за работа и бързо втвърдяващ се. Ако водата е прекалено много, бетонът ще стане доста течлив и дори е възможно част от цимента да бъде отмит.

Прилагане на бетона в строителството и избор на цимент за него

Втвърденият бетон съдържа в себе си около 6% въздух. Той е изключително издръжлив на натиск, но е крехък и няма същите качества при опън. Този недостатък е отстранен със създаването на стоманобетона (железобетон). Той представлява композиционен материал между стоманата и бетона. Най-често се създава, като сноп арматурни железа – специални стоманени пръчки, се поставят рехаво в кофража и помежду им и около тях се излива бетонът. Така се правят бетонните колони, гредите, арките или плочите.

Кофражът  представлява временна конструкция от метал или дърво, която служи за оформяне на излетия бетон и предпазване от неговото разливане. След втвърдяването на бетона, кофражът най-често се отстранява, защото не е трайна част от постройката.

Реакциите на хидратация и хидролиза започват в момента, в който водата и цимента влязат в досег. Тази е причината, когато бетонът се забърка, да не се изчаква твърде дълго преди да се употреби. Ако се използва за слепване на инертни материали като тухли, не се изисква никаква предварителна подготовка. Но ако трябва да се излее колона, кофражът ѝ заедно с арматурата (армировка) трябва да са предварително готови. Едва след това да се пристъпва към забъркване на бетон. Защото ако стане обратно, има реалната опасност бетонът да се превърне в голяма каменна купчина на работната площадка.

Колкото до това, какъв цимент трябва да се избере, зависи от неговия хидравличен модул. Той е безмерна величина и представлява съотношението между основните и киселинните оксиди в цимента: CaO/(Al2O3, SiO2, Fe2O3).  Добрите цименти имат хидравличен модул в интервала от 1,7 до 2,3.

Сходни Публикации

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *