Загрузка...Что такое удельная поверхность цемента
Физико-химические свойства
Степень дисперсности и удельная поверхность измельченных материалов.
Некоторые строительные материалы — вяжущие вещества, глины, пигменты и др. представляют собой дисперсные (т. е. находящиеся в значительной степени раздробленности) твердые частицы
(например, в цементе содержится 60—80 % частиц, имеющих размер от 1 до 40 мк).
Часто получение строительных материалов и изделий из тонкораздробленных порошков основано на том, что этот материал (например вяжущее вещество) взаимодействует с водой и образует продукты реакций, обусловливающих процесс твердения. В практике обычно требуется, чтобы на определенной стадии технологического процесса реакции вяжущих веществ с водой протекали быстро и, по возможности, полно. Одним из важных условий, обеспечивающих гидравлическую активность вяжущего вещества, т. е. активность по отношению к воде, служит достаточно высокая степень его дисперсности.
Известно, что химические изменения обусловливаются разностью внутренней энергии веществ, вступающих в реакцию, и продуктов реакции.
Внутренняя энергия зависит не только от вида и количества данного вещества, но и от его дисперсности. По мере прогрессирующего дробления значительно увеличивается суммарная поверхность его частиц или, иначе говоря, возрастает удельная поверхность, т. е. поверхность, отнесенная к единице объема или массы вещества. Удельную поверхность выражают, соответственно, в квадратных сантиметрах на кубические сантиметры (см 2 /см 3 , т. е. см -1 ) или см 2 /г. Последней размерностью пользуются чаще.
В табл. 1.1 показано возрастание удельной поверхности при прогрессирующем делении одного кубического сантиметра какого-либо вещества на частицы, имеющие условно кубическую форму.
Из таблицы видно, что по мере прогрессирующего дробления тела, взятого в определенном объеме, удельная поверхность увеличивается обратно пропорционально линейным размерам тела.
Физико-химические свойства поверхностного слоя дисперсных частиц сильно отличаются от свойств этого же вещества «в массе». Прилежащие к поверхности части данной дисперсной системы обладают особым запасом энергии. С увеличением поверхности вещества возрастает его химическая активность.
Так, исследования показывают, что при удельной поверхности 3000—3500 см 2 /г цемент химически связывает за два дня для нормального твердения 10—13 % воды, с возрастанием удельной поверхности до 3700—4000 см 2 /г связывается в тот же срок 14—16 % воды, при удельной поверхности 4500—5000 см 2 /г — 16—18 % воды. Соответственно, возрастает и прочность изделий. Так, при увеличении удельной поверхности цемента с 3000—3500 до 4000—5000 см 2 /г прочность
Таблица 1.1. Увеличение удельной поверхности при прогрессирующем дроблении тела
Длина стороны куба
Удельная поверхность, см -1
суточного бетона при нормальном твердении возрастает почти в два раза, а при пропаривании (т. е. при тепловлажностной обработке, применяемой для ускорения твердения бетонов) — в 2—2,5 раза.
Следовательно, с возрастанием степени дисперсности цемента достигается за определенный срок большая прочность бетона, или, что обычно применяется в практике, сокращаются сроки, необходимые для получения бетонов заданной прочности. Благодаря этому интенсифицируется производственный процесс, особенно при изготовлении бетонных и железобетонных изделий.
Аналогичный эффект, вызываемый повышением степени дисперсности компонентов реагирующей смеси, наблюдается в производстве известково-песчаных автоклавных изделий. Из природного кварцевого песка, извести и воды получают в автоклаве силикатные кирпичи или блоки, показывающие прочность при сжатии до 100— 150 кгс/см 2 . Если применить размолотый или другим способом тонкораздробленный песок, прочность изделий, носящих название си- ликальцитных, может превысить 500—800 кгс/см 2 .
Таким образом, степень дисперсности вещества оказывает большое влияние на технику, а также на экономику производства строительных материалов и изделий. Поэтому в технологии вяжущих веществ обычно стремятся к очень тонкому измельчению сырьевых и получаемых из них вяжущих материалов. Так, при изготовлении цемента, особенно цемента высоких марок и специального быстротвер- деющего, с большой тщательностью диспергируют известняк и глину, из которых готовят цементный клинкер, чтобы тем самым активизировать реакции между ними, протекающие в обжигательной печи; кроме того, в тонкий порошок размалывают продукт обжига — цементный клинкер.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Удельная поверхность цементного порошка , измеренная сорбционным методом, составляет для обычного тампонажного портландцемента 700 — 900 м2 / кг, по методу воздухопроницаемости — 300 — 350 м2 / кг, по методу Вагнера ( по светопроницаемости) — 160 — 200 м2 / кг. [1]
Удельная поверхность цементного порошка может быть определена методом воздухопроницаемости. [2]
Удельную поверхность цементного порошка обычно определяют по методу воздухопроницаемости, так как коэффициент проницаемости порошка — функция его гранулометрического состава и формы зерен. [3]
Величина удельной поверхности цементного порошка указывается приближенно, без учета пористости материала; поэтому значение ее занижено. [4]
Зависимость скорости гидратации от удельной поверхности цементного порошка можно принимать прямо пропорциональной. [5]
Они показывают, что наибольшее увеличение удельной поверхности цементных порошков при одинаковых условиях помола дает полиэтилгидросилоксановая жидкость и фенилтриэтоксисилан. [6]
Тонкость помола портландцемента ( суммарная поверхность частиц, заключенных в 1 г порошка) выражается в см2 / г и определяется с помощью метода воздухопроницаемости прибором ПСХ-2 или другими приборами; для определения удельной поверхности цементного порошка применяют также ситовый анализ, который позволяет сравнительно быстро охарактеризовать гранулометрический ( зерновой) состав порошка. Для этой цели используют сито № 008 с размером стороны ячейки в свету 80 мк или сито с числом отверстий 4900 на площади 1 см2 с размером стороны ячейки в свету 88 мк. [8]
Данные табл. 18 характеризуют зависимость удельной поверхности цемента, полученного при помоле клинкера Николаевского цементного завода ( время помола — 8 ч), и физико-механических свойств цементных растворов ( 1: 3) от кремнеорганических добавок. Наибольший прирост удельной поверхности цементных порошков при одинаковых условиях помола дает полиэтилгидросилоксано-вая жидкость и фенилтриэтоксисилан. Удельная поверхность гидрофобизованного цемента при использовании метилсиликоната натрия и тетраэтоксисилана оказывается выше, чем контрольного, который размалывался без добавки. Однако в случае полидиэтилсилоксановой жидкости наблюдается лишь незначительное повышение удельной поверхности. [9]
Чем выше тонкость помола цемента, тем быстрее при прочих равных условиях наступают сроки схватывания раствора. Однако для сохранения первоначальной подвижности там-понажного раствора с увеличением удельной поверхности цементного порошка необходимо повышать количество воды для затворения, что несколько снижает ускоряющий эффект. При температуре ЮО С тонкость помола портландцемента на сроки схватывания не влияет, так как. [10]
Механическая прочность тампонажного камня быстрее нарастает при использовании высокой удельной поверхности. В этом случае ускоряются реакции гидролиза и гидратации. Однако беспредельно увеличивать удельную поверхность цементного порошка нельзя, так как это требует увеличения количества воды для затворения и повышает стоимость цемента. Для работы при высоких температурах и давлениях предпочтительно иметь портландцементы не высокой удельной поверхности, а определенного гранулометрического ( зернового) состава. [11]
Строительно-технические свойства портландцемента
Плотность портландцемента в насыпном, рыхлом состоянии составляет от 1100 до 1130 кг/м 3 , а в уплотненном состоянии от 1600 до 1700 кг/м 3 .
Истинная плотность, в зависимости от вида и количества добавок колеблется в пределах от 2,9 до 3,2 г/см 3 .
Тонкость помола портландцемента должна быть такой, чтобы при просеивании через сито № 008 (размер отверстий 0,08 лш) остаток на сите составлял не более 15 % от взятой навески. Характеристикой тонкости помола цемента является и удельная поверхность — общая площадь поверхности всех частиц цемента, которая для обычных портландцементов составляет от 2500 до 3500 см 2 /г.
Водопотребность — количество воды для достижения условной стандартной консистенции, нормальной густоты — составляет от 22 % до 30 % от массы цемента. Водопотребность цементов зависит от их минералогического состава, тонкости помола, наличия активных минеральных добавок, наличия пластифицирующих добавок в цементе и ряда других факторов.
Сроки схватывания для портландцемента установлены следующие: по ГОСТ 10178 — 85 начало схватывания для всех марок должно наступать не ранее 45 минут и конец — нс позднее 10 часов от начала затворения водой; по ГОСТ 31108 — 2003 начало схватывания — в зависимости от класса цемента:
- 22,5Н, 32,5Н и 32,5 Б — нс ранее 75 мин;
- 42,5Н и 42,5Б — не ранее 60 мин;
- 52,5Н и 52,5Б нс ранее 45 мин.
Равномерность изменения объёма при твердении по ГОСТ 10178 — 85 определяется на образцах в виде лепешек, приготовленных из теста нормальной густоты.
Равномерность изменения объёма это отсутствие трещин при твердении цемента. Причиной неравномерности изменения объема может явиться присутствие в цементе свободного оксида кальция и свободного оксида магния. После предварительного выдерживания в течение 24 часов в воздушно-влажных условиях и последующего твердения в кипящей воде в течение 3 ч лепешки не должны иметь радиальных трещин, сетки мелких трещин и искривлений. При проведении опыта на равномерность изменения объема следует помнить, что при твердении образцов в сухих условиях (особенно в начальный период твердения) могут появиться усадочные трещины. Их появление должно быть абсолютно исключено обеспечением влажного начального твердения. По ГОСТ 31108 — 2003 равномерность изменения объема определяется на специальном приборе-кольце величиной расширения стандартного образца не более 10 мм.
Усадка цемента (цементного теста, цементного камня) — это уменьшение линейных размеров и объема при твердении. Усадочные деформации — всегда обнаруживаются при твердении цемента, особенно при твердении на воздухе. Причиной усадки является испарение лишней воды, сближение частиц геля.
Количество воды, необходимое для получения теста достаточной пластичности, значительно превосходит количество воды, нужное для реакций гидратации цемента: для химических реакций требуется около 15 % воды. Кроме сближения частиц цементного камня из-за испарения свободной воды в цементном тесте — камне происходит уплотнение новообразований — контракция, что также влечет за собой 131
усадку. Величина усадки зависит от минералогического состава цемента, тонкости помола, начального водоцементного отношения, длительности твердения цемента.
В начальные сроки твердения на усадку прежде всего влияет трсхкальцисвый алюминат ЗСаО АЬОз. Конечная усадка будет тем больше, чем выше содержание в цементе двухкальцисвого силиката 2CaOSiC>2, поскольку при твердении C2S образуются наиболее мелкие, гелевидные частицы, уплотняющиеся и кристаллизующиеся весьма длительное время.
Увеличение тонкости помола цемента, так же как и увеличение водоцементного отношения, приводит к росту усадочных деформаций.
Более длительное водное твердение также приводит к увеличению усадки в поздние сроки твердения: это объясняется тем, что создаются условия для длительного твердения гидратированного двухкальциевого силиката.
Если при твердении бетона не обеспечены условия влажного твердения, вследствие быстрого испарения воды в начальный период твердения, когда цементный камень ещё не обладает достаточной прочностью для сопротивления усадочным напряжениям, могут образоваться трещины, что недопустимо в бетонных конструкциях. Поэтому твердеющий портландцемент (цементный бетон) должен находиться во влажных условиях, особенно в первые сроки твердения, для предотвращения преждевременного испарения воды и образования усадочных трещин. Уменьшают усадку заполнители — песок, щебень, гравий, — как бы создавая остов, скелет раствора или бетона.
При твердении бетона в воде вначале наблюдается некоторое увеличение в объеме — набухание; при последующем водном твердении, особенно длительном, происходят усадочные деформации.
Твердение портландцемента сопровождается выделением тепла, которое зависит от минералогического состава цемента от скорости гидратации, наличия в цементе активных минеральных добавок, которые понижают экзотермию цементов. Наибольшее количество тепла выделяет трехкальциевый алюминат СзА, затем -трсхкальцисвый силикат C3S. Наименее экзотермичный минерал — двухкальцисвый силикат C2S. Выделение тепла связано со скоростью гидратации: быстротвердею-132
щис минералы более экзотермичны.
Когда возводятся сооружения с небольшим поперечным сечением, то выделяющееся при твердении тепло сравнительно быстро отдастся в окружающее пространство и не вызывает значительного повышения температуры конструкции. Выделение тепла при зимнем бетонировании даже желательно, так как это препятствует замораживанию бетона. При возведении же массивных сооружений внутри них могут развиваться значительные температуры (от 80 °С до 90°С). В результате между внутренними и наружными частями сооружения создается разность температур, и возникают внутренние напряжения, которые могут вызвать образование трещин. Поэтому для строительства массивных сооружений нельзя применять высокоэкзо-термичпые цементы.
Прочность портландцемента зависит от минералогического состава, тонкости помола цемента, водоцементного соотношения, наличия или отсутствия добавок. Значение прочности зависит от методик, которые определены ГОСТами.
Прочность портландцемента определяют испытанием образцов — балочек размером 4 х 4 х 16 см, приготовленных строго по стандарту из раствора пластичной консистенции состава 1 : 3 со стандартным песком, через 28 суток нормального водного хранения. Образцы — балочки вначале испытываются на изгиб, а затем половинки балочек — на сжатие. Результат испытания на сжатие является показателем активности цемента.
По ГОСТ 10178 — 85 по прочности на изгиб и сжатие портландцемент подразделяется па марки 300.400. 500, 550 и 600 (таблица 8.1).
Таблица 8.1 — Марки портландцемента (ГОСТ 10178 — 85)
Определение удельной поверхности цемента
Одним из показателей дисперсности цемента является удельная поверхность. Она характеризуется суммарной площадью поверхности зерен в одном грамме цемента. Определяется методом воздухопроницаемости, который основан на сопротивлении слоя цемента воздуху, проходящему через него. С увеличением дисперсности с 3 до 4…4,5 тыс.см 2 /г повышается прочность цемента на 15…20%.
Оборудование и материалы: проба цемента; пневматический поверхностемер; сушильный шкаф; эксикатор; технические весы; фарфоровая чашка, сито № 09; секундомер; фильтровальная бумага.
Удельная поверхность зерен определяется при помощи специального прибора — пневматического поверхностемера (рис. 4), который состоит из гильзы, манометра–аспиратора, крана, резиновой груши и регулятора разрежения.
Гильза представляет собой металлический цилиндр с внутренним диаметром 25,2±0,1 мм, перегороженный диском в виде металлической перфорированной пластинки толщиной 2 мм с 88 отверстиями диаметром 1,2 мм каждое, опирающейся на заплечники гильзы. Цилиндр устанавливается на донышко в виде обоймы. С помощью гильзы через резиновый шланг нижняя часть камеры соединяется с манометром–аспиратором.
Рис. 4. Пневматический поверхностемер:
а – схема прибора, 1 – гильза, 2 – манометр–аспиратор, 3 – кран, 4 – регулятор разрежения, 5 – резиновая груша; 6 – гильза: 6 – камера, 7 – перфорированный диск, 8 – заплечники, 9 – трубка, 10 – донышко с обоймой; в – плунжер: 11 – рукоятка, 12 – канал, 13 – упорное кольцо, 14 – корпус; г – манометр–аспиратор: 15, 16 – уширения на трубке для воды, 17 – трубка, 18 – кран, 19 – открытое колено с уширением; д – гидравлический регулятор разрежения: 20 — трубка для ввода воздуха, 21 — трубка в виде тройника, 22 – сосуд
Для уплотнения цемента в гильзе служит плунжер, изготовленный в виде цилиндра с вертикальным каналом для прохода воздуха, упорным кольцом и рукояткой. Манометр–аспиратор предназначен для создания разрежения, в результате которого происходит просасывание воздуха через слой цемента, и для измерения величины этого разрежения. Он представляет собой стеклянный сосуд с двумя коленами, заполненными водой до нулевой отметки. Одно колено присоединено к гильзе и регулятору разрежения, второе открыто. Первое колено имеет два уширения, из которых верхнее служит для измерения дисперсности цемента с большей удельной поверхностью, нижнее – с малой. Выше и ниже этих уширений имеются метки b, с, d, e, а также нулевая метка на колене, до которой манометр–аспиратор заполняется жидкостью, и верхняя а, до которой должна подняться жидкость до начала измерения. Краном включается и выключается манометр аспиратора.
Гидравлический регулятор разрежения состоит из стеклянного сосуда и трубки для ввода воздуха. Он заполняется насыщенным раствором поваренной соли в количестве, достаточном, чтобы при создании разрежения жидкость в закрытом колене манометра–аспиратора поднималась до уровня, отмеченного буквой а.
Разрежение создается водоструйным насосом или резиновой грушей, имеющей клапаны для создания движения воздуха в одном направлении.
Подготовка к испытанию. Перед испытанием следует проверить герметичность гильзы и всех соединений прибора. Для этого гильзу закрывают сверху резиновой пробкой, гидравлический регулятор заполняют насыщенным раствором поваренной соли, а манометр–аспиратор – водой. Открывают кран и создают разрежение с помощью резиновой груши или водоструйного насоса. Уровень воды в манометре–аспираторе доводят до метки а и закрывают кран. При герметичности соединений прибора уровень воды не должен опускаться. Если же он опускается, следует найти и устранить место подсоса воздуха.
Для проверки правильности измерения применяется эталонный порошок, размолотый до определенной удельной поверхности, и очищенный соляной кислотой кварцевый песок.
В паспорте прибора указывается величина навески, коэффициент пористости, удельная поверхность эталонного порошка.
Подготовка пробы цемента заключается в следующем. Цемент просеивают через сито № 09, отвешивают 25 г, высушивают в сушильном шкафу при температуре 105…110°С в течение 2 ч, охлаждают в эксикаторе. Затем из подготовленной пробы берут навеску цемента, взвешенную с точностью до 0,01 г, которую затем помещают в гильзу прибора. Величину навески подбирают опытным путем. Она зависит от истинной плотности цемента и величины уплотнения.
Цемент помещают в гильзу, сверху устанавливают плунжер, умеренно нажимают на него рукой, чтобы верхний обрез кольца был на верхнем уровне гильзы. В гильзе должен получиться плотный слой цемента с коэффициентом пористости П = 0,48±0,1. Тогда по истинной плотности цемента рц и его объему V в гильзе вычисляют массу навески m, г, по формуле
где m – масса испытываемого цемента, г; rи – истинная плотность цемента, г/см 3 ; V – объем слоя цемента в гильзе, см 3 .
Он равен 7,5 см 3 при площади поперечного сечения гильзы 5 см 3 и высоте слоя цемента 1,5 см.
Проведение испытаний. Из приготовленной пробы цемента берут навеску, подобранную опытным путем, и взвешивают ее с точностью до 0,01 г.
В гильзу прибора помещают перфорированный диск, на него укладывают кружок фильтровальной бумаги, вырезанной по диаметру гильзы, и всыпают цемент. Слегка постукивая по стенке цилиндра, выравнивают поверхность цемента. Затем укладывают второй кружок фильтровальной бумаги, сверху устанавливают плунжер, умеренно нажимают на него рукой, чтобы упорное кольцо плунжера было на уровне верха гильзы.
Гильзу присоединяют к манометру–аспиратору резиновой трубкой. Затем при помощи груши или водоструйного насоса создают разрежение под слоем цемента и открывают кран. Вода должна подняться до уровня а между двумя линиями, после чего кран закрывают. Вода в колене начнет опускаться, просасывая воздух через цемент, находящийся в гильзе. Когда вода достигнет уровня b, включают секундомер и замеряют время Т опускания ее до уровня с. Если вода опускается быстро и затрудняется возможность зафиксировать время опускания, пользуются нижним расширением и замеряют время опускания воды между уровнями d и с. Просасывание воздуха через одну навеску цемента выполняют два или три раза. Разность между наименьшим и наибольшим значениями не должна превышать 10%. Для последующих расчетов принимают среднее арифметическое значение.
Обработка результатов. Удельную поверхность цемента S, см 2 /г, вычисляют по формуле
S – удельная поверхность цемента, см 2 /г;
К – постоянная пневматического поверхностемера, которая указывается в паспорте прибора для верхнего и нижнего расширений манометра–аспиратора;
П – коэффициент пористости цемента в гильзе в долях единицы;
Т – время снижения уровня воды от отметки а до отметки b верхнего расширения или от с до d нижнего расширения манометра–аспиратора, с;
η – βязкость воздуха, пуаз.
Результаты испытания записывают в табл. 4.
