Вся електронна бібліотека >>>

Зміст книги >>>

 

Книги з будівництва та ремонту

Будівельні матеріали


Побут. Господарство. Будівництво. Техніка

 

Б. ГІДРАВЛІЧНІ В'ЯЖУЧІ РЕЧОВИНИ

 

 

1. ГІДРАВЛІЧНА ВАПНО

Гідравлічна вапно - продукт помірного випалу при температури 900-1100° С мергелистих вапняків, що містять 6-20% глинистих домішок. При випалюванні мергелистих вапняків при розкладанні вуглекислого кальцію частина утворюється СаО з'єднується в твердому состоянии.с оксидами SiCb, АЬО.з, Fe2O3, що містяться у мінералах глин, утворюючи силікати 2СаО • БЮг, алюмінати СаО • А12О3 і ферити кальцію 2СаО • F-егОз, які мають здатністю тверднути не тільки на повітрі, але й у воді

Так як в гідравлічного вапна міститься в значній кількість вільний оксид кальцію СаО, то вона, так само як і повітряна вапно, гаситься при дії води, причому чим більше вміст вільного СаО, тим менше здатність до гідравлічного твердінню. Будівельну гідравлічну вапно випускають у вигляді тонкоподрібненого порошку, при просеиваний якого залишок частинок на ситі № 009 не повинен перевищувати 10%.

Крім глинистих і піщаних домішок мергелістих вапняки зазвичай містять до 2-5% вуглекислого магнію і деякі інші домішки. Для виробництва гідравлічного вапна необхідно застосовувати мергелістих вапняки з можливо більш рівномірним розподілом глинистих та інших включень, так як від цього значною мірою-.пени залежить якість одержуваного продукту

Для гідравлічних відомий цей модуль коливається в межах 1,7-9.

Розрізняють гідравлічну вапно двох видів: слабогйдравличе-ську з модулем 4,5-9 і сйльногидравлическую з модулем 1,7-4,5. Якщо продукт випалу має гідравлічний модуль менше 1,7, то його відносять до-романцементу (т=1-,1-1,7), якщо ж більше 9, то до повітряної вапна. Гідравлічна вапно, затворене водою, після попереднього твердіння на повітрі продовжує тверднути у воді, при цьому фізико-хімічні процеси повітряного твердіння поєднуються з гідравлічними. Гідрат окису кальцію при випаровуванні вологи поступово кристалізується, а під дією вуглекислого газу піддається-карбонізації.

 

2. РОМАНЦЕМЕНТ

Романцемент - продукт тонкого помелу обпалених не до.спекания чистих і доломитйзированных мергелів, що містять не менше 25% глинистих домішок. Для регулювання властивостей романцемент вводять до 15% активних мінеральних добавок і до 5% природного двуводно-го гіпсу.

Сировиною для виробництва романцемент служать мергелі - природна суміш вуглекислого кальцію і глшу Найбільш бажані мергелі з таким поєднанням вапняків і глин, при якому в процесі випалу не до спікання виходить продукт, не містить вільної окису кальцію. Це мергелі з невисоким вмістом вуглекислого кальцію і гідравлічним модулем, рівним 1,1 -1,7 .1 Виробництво романцемент полягає у видобутку мергелю, його дробленні на шматки потрібного розміру, випалюванні і подальшому помелі обпаленого матеріалу. Випал сировини ведуть в основному в шахтних, а іноді і під обертових печах при температурі 1000-1100° С. Помел обпаленої матеріалу в кульових млинах краще проводити спільно з гіпсом і активними' мінеральними добавками, так як при цьому виходить більш однорідний продукт.

Схоплювання і твердіння романцемент засноване на гідратації силікатів та алюмінатів кальцію, аналогічних наявними у гідравлічного вапна і ст. основному складових романцемент. Початок схоплювання романцемент повинно наступати через 15 хв, а кінець схоплювання - не пізніше 24 год з моменту замішування водою.

Романцемент - медлеинотвердеющее в'яжуча речовина порівняно низькою марочну міцність. Розрізняють марки 25, 50 в. 100. Марку визначають за значенням межі міцності при стисканні зразків, виготовлених з твердого розчину складу 1 : 3 (по вазі) і випробуваних через. 28 сут.-комбінованого зберігання (7 діб. у вологому середовищі і 21 добу. в воді). Тонкість помелу романцемент характеризується залишком на ситі № 02 не більше 5%, а на ситі № 008 не більше 25%.'

^Застосовують романцемент для штукатурних і кладочних будівельних розчинів, а також для бетонів низьких марок; може бути використаний у виробництві стінових каменів і дрібних блоків, особливо із застосуванням термообробки пором.

 

3. ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ

Портландцемент є основним матеріалом у сучасному промисловому, цивільному, житловому, сільськогосподарському, гідротехнічному та дорожньому будівництві. Бурхливе зростання будівництва в нашій країні зумовив небачені темпи виробництва цементу - з 15 млн. т у 1953 р. до 95 млн. т в 1970 р. Безперервно поліпшується якість цементу .і,-в. зокрема, підвищуються його міцнісні показники - середня марка портландцементу перевищила 500.

Складу портландцементу

Портландцементом називається гідравлічне йяжуЩее речовина, що твердне у воді і на повітрі, що отримується тонким подрібненням обпаленої до спікання сировинної суміші вапняку і глини, що забезпечує переважання в клінкері силікатів кальцію. Спекшаяся сировинна суміш у вигляді зерен розміром до 40 мм називається клінкером; .от якості його залежать найважливіші властивості цементу: міцність і швидкість її наростання, довговічність, стійкість до різних експлуатаційних умовах

Для регулювання термінів схоплювання цементу до клінкеру при помелі додають гіпс у кількості не менше 1,5 і не більше 3,5% ваги цементу в перерахунку на ангідрид сірчаної кислоти SO3. Портландцемент можна випускати без добавок або с.активными мінеральними добавками в кількості до 15% від ваги цементу.

Якість клінкеру залежить від його хімічного і мінералогічного складів.

Вапняк, що використовується для виробництва портландцементу, в основному складається з двох оксидів - СаО і СОг, а глина - з різних мінералів, що містять в основному оксиди S1O2, А1гО3, РегОз - В процесі випалу сировинної суміші СО2 видаляється, а решта оксиди СаО, SiO2, А12О3 і Fe2O3 утворюють клінкерні мінерали. Хімічний склад портландцементного клінкеру характеризується наступним відсотковим вмістом основних оксидів

Підвищений вміст окису кальцію (за умови обов'язкового зв'язування його в хімічне з'єднання з кислотними оксидами) свідчить про підвищеної швидкості твердіння портландцементу, його високою міцності і кілька зниженою водостійкості. Підвищений вміст кремнезему уповільнює терміни твердіння цементу в початковий період при досить інтенсивному наростанні міцності на тривалі строки; такі цементи відрізняються підвищеною водостійкістю. Підвищений вміст АЬОз сприяє прискореного твердіння цементу в перші строки, але цемент характеризується зниженою водостійкістю, сульфатостійкого і морозостійкістю. Окис заліза сприяє зниженню температури спікання клінкеру і підвищення стійкості цементу до дії сульфатних вод.

Крім основних оксидів у портландцементном клінкері можуть бути присутніми і інші оксиди: оксид магнію MgO, лужні оксиди Кдо і Na2O, знижують якість цементу. Окис магнію, обпалена при температурі близько 1500° С, при взаємодії з водою, дуже повільно гаситься і викликає поява тріщин у вже затверділому розчині або бетоні. Наявність в цементі понад 1% лужних оксидів може викликати руйнування бетону на отверділого такому цементі.

Перераховані оксиди не перебувають у клінкері у вільному, вигляді, а утворюють силікати, алюмінати і алюмоферриты кальцію у вигляді мінералів кристалічної структури і частина їх входить у з'єднання склоподібної фази.

Сумарний вміст аліта і беліта звичайно дорівнює 70-80%, тобто в портландцементном клінкері кількісно переважають силікати кальцію. Але крім основних в ньому також містяться в невеликих;кількостях інші ~ мінерали - алюмінати і алюмоферриты кальцію 5СаО • АЬО.з, 8СаО • ЗАЬОз • РеоОз, а також ферит кальцію 2СаО • FeoO3. Поряд з кристалічними фазами в клінкері присутній аморфна речовина у вигляді н.езакристаллизованного скла (6-10%), в невеликих кількостях (не більше 5%) окис магнію, а іноді зустрічається і-окис кальцію (до 1%У~як результат неповного випалу клінкеру.

При правильно розрахованої й ретельно підготовленої та обпаленої сировинної суміші клінкер не повинен містити вільної окису кальцію СаО, так як пережженная (при температурі близько 1500° С) вапно, так само як і магнезія MgO, дуже повільно гаситься, збільшуючись в обсязі, що може призвести до розтріскування вже затверділого бетону.

Мінералогічний склад клінкеру - одна з найбільш повних і надійних його характеристик. Дослідженнями радянських і зарубіжних вчених встановлено, що майже всі будівельні властивості портландцементу залежать від мінералогічного складу клінкеру. Так, цементи з підвищеним вмістом у клінкері C3S і СзА твердіють особливо швидко і в перші строки набирають високу міцність; вони використовуються для виготовлення швидкотверднучих портландцементів. Цементи з високим вмістом СгБ та C4AF повільно тверднуть і виділяють при твердінні мало тепла; їх використовують для виготовлення цементу з помірною екзотермії. Цементи з великою кількістю С3А швидко схоплюють-ся і тверднуть в ранні терміни, але володіють зниженою морозостійкістю і стійкість до мінералізованих, зокрема сульфатних, водах і т. д.

Виробництво портландцементу

Сировина для виробництва портландцементу повинно містити 75-78% СаСОз і 22-25% глинистого речовини. Це карбонатні породи з високим вмістом вуглекислого кальцію і глинисті породи, що містять кремнезем, глинозем і окис заліза. Дуже широко використовуються вапняки і крейда. Цінних сировиною є мергелі, так як за вмістом СаО, SiO2, R2O3 в розрахунку на прожарену речовину вони близькі до клінкеру.

Гірські породи, що задовольняють зазначеним вимогам, природі зустрічаються рідко. Тому поряд з вапняком і глиною застосовують так звані коригувальні добавки, що містять значну кількість одного і навіть двох оксидів, відсутніх в сировинній суміші. Так, недостатня кількість SiO2 компенсується введенням бысококремнеземистых речовин (опоки, діатомітів, трепелов). Збільшити вміст оксидів заліза можна шляхом введення колчеданних огарков або руди. Підвищення вмісту глинозему А12О3 досягається додаванням високоглиноземистих глин.

Крім того, цементна промисловість все ширше починає використовувати побічні продукти (відходи різних галузей промисловості, наприклад доменні шлаки, нефеліновий шлам та ін). Нефеліновий шлам отримують у вигляді відходу при виробництві глинозему, в ньому міститься 25-30% SiO2, 50-58% СаО, 2-5% А12О3, 3-5% Fe2O3 та 3-8% інших окислів. Якщо до сировини такого складу додати 15-20% вапняку, то склад суміші виходить аналогічний використовується для отримання портландцементу.

Ст. як паливо застосовують подрібнений кам'яне вугілля (або антрацит), мазут і природний газ. В даний час вітчизняна цементна промисловість значною мірою працює на газооб - різному, паливі як найбільш ефективний.

а Технологічний процес виробництва портландцементу складається з наступних основних операцій; видобування вапняку і глини і підготов- ки сировинних матеріалів та коригуючих добавок і приготування з них однорідної суміші заданого складу, випалу суміші, подрібнення клінкеру в тонкий порошок спільно з гіпсом, а іноді з добавками^ '.У залежності від способи приготування сировинної суміші розрізняють два основних способи виробництва портландцементу: мокрий і сухий. При мокрому способі подрібнюють і змішують сировинні матеріали у присутності води, і суміш обпалюють у вигляді рідкого шламу під вра - щающихся печах; при сухому способі матеріали подрібнюють, змішують і обпалюють в-сухому вигляді. Поряд з цими основними способами всі ширше починають застосовувати комбінований: сировинну суміш готують за мокрому способі, потім шлам зневоднюють, з нього готують гранули і обпалюють їх за схемою сухого способу. \

Кожен із способів має свої позитивні 1* негативні сторони. У водному середовищі полегшується подрібнення матеріалів і швидко досягається однорідність суміші, але витрата палива на випал суміші в 1,5-2 рази більше, ніж при сухому способі. Розвиток сухого способу тривалий час обмежувалося внаслідок зниженого якості одержуваного клінкеру. Однак успіхи в техніці помелу і гомогенізації сухих сумішей забезпечили висока якість портландцементу, і в останнє десятиліття цей спосіб отримує все більший розвиток. При комбінованому способі майже на 20-30% знижується витрата палива порівняно з мокрим, однак зростає витрата електроенергії і трудомісткість виробництва. В СРСР до 85% цементу випускається по мокрому способі, у США - до 60%, він є переважаючим в Англії і Франції. В Японії, ФРН, Італії і . Швеції переважає сухий спосіб.

Виробництво цементу мокрим способом здійснюється за наступною технологічною схемою (38). Сировинні матеріали, що доставляються з кар'єру на завод в кусках, попередньо подрібнюють (до крупності не більше 5 мм). Тверді породи дроблять, в дробарках, а більш м'які (глина, крейда) подрібнюють перемішуванням з водою в глиноболтушках. Болтушка являє собою круглий залізобетонний резервуар діаметром і висотою 5-10 2,5-3,5 м, футерованих чавунними плитами. У говорунці навколо вертикальної осі обертається хрестовина з підвішеними до неї на ланцюгах сталевими граблями для подрібнення шматків глини. Отриманий в глиноболтушке шлам з вологістю близько 50% випускається через отвір з сіткою і перекачується в трубну млин, куди безперервно подається подрібнений вапняк.

Трубна млин {39) -це сталевий циліндр довжиною до 15 і діаметром до 3,2 м, що обертається на порожнистих цапфах, через які млин з одного боку завантажують, а з іншого розвантажують. Всередині млин розділена перегородками з отворами на три камери: у першій та другій поміщені сталеві або чавунні кулі, а в третій - невеликі циліндрики. Через порожнисту цапфу шлам надходить у першу камеру трубної млини. При обертанні млини кулі під дією відцентрової сили і сили тертя притискаються до стінок, піднімаються на деяку висоту і падають, розбиваючи і розтираючи зерна матеріалу. Трубні млини є безперервно діючими установками. Тонкоподрібнений матеріал у вигляді сметаноподібної маси (шламу) подається насосом у корекційні шлам-басейни, що представляють собою залізобетонні або сталеві резервуари циліндричної форми. В них остаточно коригується хімічний склад шламу і створюється певний запас для безперебійної роботи печей. Щоб шлам в басейні не відстоювався, його періодично перемішують струменем стисненого повітря або механічними мішалками. З басейнів шлам поступає в баки, а потім рівномірно подається у обертову піч для випалу.

Обертова піч (40) являє собою довгий циліндр із листової сталі, всередині облицьований вогнетривким матеріалом. Довжина печі 185, діаметр 5 м. Барабан печі встановлено з нахилом 3-4° і обертається навколо своєї осі зі швидкістю 0,5-1,4 об/хв. Шлам завантажується в верхній стороні печі і пересувається до нижнього її кінця. Паливо у вигляді газу, мазуту або пилу кам'яного вугілля вдувається разом з повітрям з протилежного нижнього кінця печі і згорає, створюючи всередині печі температуру близько 1500° С. Димові гази видаляються з боку піднятого кінця печі.

Переміщаючись уздовж барабана, (шлам стикається зі зустрічними гарячими газами, поступово нагрівається і в ньому починаються фізико-хімічні процеси. Спочатку випаровується механічно зв'язана вода, маса висихає і утворюються грудки. Потім вигорають органічні речовини і починається дегідратація - видалення хімічно зв'язаної гід-ратної води. При температурі 800-900° С розкладається карбонат кальцію за реакцією

СаСОз ^ СаО + СО2.

Утворився вуглекислий газ видаляється разом з продуктами горіння, а СаО при температурі близько 1000° С вступає в хімічну реакцію з оксидами глини, утворюючи двухкальціевий силікат, трехкаль-циевый алюмінат і чотирьохкальцієвого алюмоферріт. При температурі 1300° С трехкальциевого алюмінат і чотирьохкальцієвого алюмоферріт розплавляються і утворюють рідина, в якої частково розчиняється СаО і 2CaO-SiO2 до насичення розчину; розчиненому стані вони реагують між собою, утворюючи-трехкальциевого силікат ЗСаО • • SiO2 - найважливіший мінерал портландцементу.'

Одержаний гарячий клінкер надходить у холодильник, де різко охолоджується рухається назустріч холодним повітрям. Клінкер, виходить з холодильників обертових печей з температурою близько 100° С і більш, надходить на склад для остаточного охолодження і вилежування (магазинирования) протягом 15-20 діб. Протягом вилежування вологою повітря гаситься СаО, якщо вапно міститься в клінкері у вільному вигляді. Це призводить до зменшення твердості клінкеру, наслідком чого є зменшення витрат енергії при його помелі, і скорочення часу помелу. На високомеханізованих заводах з чітко організованим технологічним процесом якість клінкеру виявляється настільки високим, що необхідність вилежування відпадає.

Наступна за випалом технологічна операція - помел. Клінкер розмелюють спільно з гіпсом і активними мінеральними добавками в трубних багатокамерних млинах. З млинів готовий портландцемент,(стемпературой 100°С і більше) пневматичним транспортом подається в силоси для охолодження. Через 7-14 діб. цемент упаковують в багатошарові паперові мішки вагою 50 кг або завантажують у спеціально обладнаний автомобільний, залізничний або водний транспорт і направляють споживачеві.

Сухий спосіб виробництва портландцементу застосовується в тому випадку, коли сировиною є мергелі або суміші твердих вапняків і глин невеликій вологості. Тонкоизмельчениая суха сировинна суміш перед випаленням гранулюється у вигляді зерен розміром 20-40 мм і обпалюється в обертових або шахтних печах. При випалюванні в шахтних печах гранули запресовується тонкоизмельченныи вугілля, що готується в помольних установках.

При комбінованому способі сировинні матеріали, підготовлені по мокрому способі, і шлам, що має вологість близько 40%, зневоднюються на фільтрах до вологості 16-18%. З отриманого «сухаря» готують гранули і обпалюють їх за схемою сухого способу.

Твердіння портландцементу

При замішуванні портландцементу водою утворюється пластичне клейка цементне тісто, поступово густеющее і переходить у камені-подібне стан.

При твердінні портландцементу відбувається ряд досить складних хімічних і фізичних явищ. Кожен з мінералів клінкеру при заутворі водою реагує з нею і дає різні новоутворення. Всі процеси взаємодії окремих клінкерних мінералів з водою протікають одночасно, накладаються один на одного і впливають один на одного. Отримувані новоутворення можуть у свою чергу взаємодіяти як між собою, так і з вихідними клінкерними мінералами і давати нові сполуки. Все це створює труднощі при вивченні твердіння портландцементу. Типовими реакціями, характерними для твердіння портландцементу та інших в'яжучих речовин, є реакції гідратації, що протікають з приєднанням води; вони можуть йти без розпаду основної речовини або супроводжуватися його розпадом (реакції гідролізу). Процес тверднення портландцементу в основному визначається гідратацією силікатів, алюмінатів і алюмоферритов кальцію.

Трехкальциевого силікат піддається гідролізу і гідратації з кінцевим освітою

Двухкальціевий силікат і трехкальцйевый алюмінат тільки гід-ратируются, утворюючи відповідно гйдросиликаты і гидроалюмйнаты кальцію:

2СаО • SiO2 + пН2О = 2СаО • SiO2 • «Н2О.

ЗСаО • А12О3 + 6н 2 о = ЗСаО • А12О3 • 6н 2 о.

Чотирьохкальцієвого алюмоферріт при дії на нього води піддається гідролізу з утворенням в умовах середовища, насиченого вапном, трехкальциевых гідроалюмінатов і гидроферритов по реакції:

4СаО А12Оз • Fe2O3 + mH2O = ЗСаО • А12О3 • 6н 2 о +. + СаО • Fe2O3 • «Н2О.

Крім описаних хімічних перетворень, що протікають при твердінні цементу, велике значення мають фізичні і фізико-хімічні процеси, які супроводжують хімічні реакції і приводять у своїй сукупності до перетворення цементу при заутворі водою спочатку в пластичне тісто, а потім в міцний затверділий камінь.

Вивчення хімічних і фізичних перетворень тверднучого цементного тесту було присвячено багато робіт. В цьому відношенні найбільший інтерес становлять погляди Ле Шательє, Ст. Міхаеліса і А. А. Байкова.

Ле Шательє запропонував у 1882 р. так звану кристаллизационную теорію твердіння, згідно з якою вихідні безводні цементні мінерали, володіючи більш високою розчинністю у воді порівняно з продуктами їх гідратації, утворюють розчини, пересичені по відношенню до гидратным новоутворенням. Останні виділяються з пересиченого розчину у вигляді кристаликів, що утворюють принаймні один раз-' розвитку цього процесу кристалічний зросток, що володіє достатньою міцністю.

Ст. Міхаеліс, висунув у 1893 р. колоїдну теорію, не заперечував освіти при твердінні портландцементу кристалічних продуктів, не вважав, що важливим для цементів є не міцність, а «гидравлічні». Основне значення у формуванні міцності, водонепроникності та інших властивостей цементного каменю він приписував виникають при твердінні гидрогелям силікатів, алюмінатів і феритів кальцію. За Михаэлису, гидросиликаты не кристалізуються при заутворі цементу; процес твердіння зводиться до утворення холодців (гелів) в результаті набухання зерен цементу під впливом води і подальшого твердіння та проростання цих холодців кристалічними утвореннями.

Як вже зазначалося, А. А. Банків у 1923 р. висунув теорію твердіння в'яжучих речовин, великою мірою узагальнюючу погляди Ле Шательє і Ст. Міхаеліса. Твердіння цементу А. А. Байків пояснює сукупністю кристалізаційних та колоїдних процесів. Їм було висловлено положення про те, що всяке гидратационно твердне речовина обов'язково проходить стадію колоїдного стану, навіть якщо воно в кінцевому результаті дає явно кристалічний зросток (наприклад, двуводний гіпс). Нагадаємо, що, за А. А. Байкову, твердіння портландцементу включає три періоду. У перший період в'яжучий розчиняється у воді до утворення насиченого розчину; другий період - коллоидации або схоплювання - характеризується прямим приєднанням води до твердої фазі в'яжучого і виникненням гідратних сполук високої колоїдної дисперсності без- проміжного розчинення вихідного матеріалу; одночасно відбувається схоплювання маси; третій період - період кристалізації і твердіння, коли ге-леобразные новоутворення перекристаллнзовываются і перетворюються в кристалічний зросток, що супроводжується твердненням системи і наростанням її міцності.

В подальшому теорія твердіння портландцементу при взаємодії його з водою зазнала подальшого розвитку; напрямку працювали В. О. Ки-нд, Ст. Н. Юнг, В. Ф. Журавльов, П. П. Будніков, П. А, Ребиндер, З. Д. Окостів, Н. А. Торопов, Ю. М. Бутт і ін.

РР. А. Ребиндер з учнями провели ґрунтовні дослідження, які дозволили значно розвинути і розширити наші уявлення про твердінні в'яжучих речовин. Вони вважають, що при твердінні розчиняються нестійкі вихідні речовини та викристалізовуються термодинамічно стійкі гідратні новоутворення з пересичених по відношенню до них розчинів. Спочатку з цих новоутворень і непрогидратированных частинок виникає коагуляционная структура, для якої характерна невелика міцність і тиксотропність, тобто здатність до оборотного відновлення структури після її руйнування. Потім поступово з'являється більш міцна кристалізаційна структура. Розвивається вона в два етапи:

1) формується каркас структури, з'являються контакти між

кристаликами новоутворень;

2) виник каркас обростає. Це проявляється в зростання кристал

ликів, що підвищує міцність структури, але при відомих умовах

може бути причиною появи небажаних внутрішніх напря

жень.

Виникнення кристалів новоутворень достатньою величини при мінімальних напругах обумовлює найбільшу ін-. ність твердіючих систем.

Таким чином, так само як і для будівельного гіпсу, існують дві основні точки зору на механізм гідратації портландцементу:

1) гідратація йде через розчин, з якого випадають новооб

освіти, менш розчинні, ніж вихідні речовини;

2) гідратація відбувається в твердій фазі.

Поряд з цим ряд дослідників вважає, що гідратація може йти в. через розчин і топохимически - шляхом приєднання води до твердому речовині і що в залежності від складу і властивостей в'яжучого, а також умов його твердіння той чи інший процес може преоб-ладать.

При гідратації цементних зерен реакції йдуть спочатку на їх поверхні, причому утворюється навколо зерен гелеподібна оболонка новоутворень ускладнює подальше проникнення в них води. З плином часу і внутрішня частина зерен поступово гідратіруется, що веде до зменшення вмісту води в гелі, а отже до його ущільненню. По мірі поширення реакції гідратації на внутрішню частину зерен гель все більше ущільнюється, а міцність портландцементу зростає.

В процесі твердіння портландцементу основне значення має швидкість схоплювання і швидкість твердіння. Швидкість взаємодії клінкерних мінералів з водою різна. Найбільш швидко взаємодіє з водою С3А, за ним слід C4AF, далі C3S і найбільш повільно гідратіруется C2S. Швидкість гідратації клінкерних мінералів визначає і швидкість їх твердіння: чим швидше гідратіруется мінерал, тим швидше наростає його міцність. Таким чином, дані про швидкості гідратації клінкерних мінералів можуть бути використані для проек

тування мінералогічного складу клінкеру портландцементу, до ко

торому пред'являються особливі вимоги щодо швидкості тверд

дення.

Наявність в портландцементі поряд з клінкером гіпсу і гідравлічних добавок істотно змінює хід твердіння цементного тіста і склад кінцевого продукту - цементного каменю.

Тонкоподрібнений клінкер характеризується досить короткими термінами схоплювання (3-5 хв), в результаті чого в «чистому» вигляді він непридатний для практичних цілей. Головна роль у цьому належить трехкальциевому алюминату, який швидко гідратіруется, а гідрати його швидко ущільнюються і кристалізуються. Отже, при уповільнення схоплювання цементу завдання зводиться до того, щоб зв'язати гидроалюминаты кальцію в інші з'єднання. Це завдання успішно виконує гіпс, який енергійно реагує з трьохкальцієвим гідроалюмінатом і утворює нерозчинну сіль - гідросульфоалюмінат кальцію ЗСаО • А!2 О 3 • 3CaSO4-31H2O. Кількість введеного гіпсу повинна знаходиться в згідно з вмістом в клінкері С3А. При недостатньому вмісті гіпс не зможе зв'язати утворюється гидроалюминат і відбудеться передчасна коагуляція (схоплювання) цементного тіста. Зайве-вміст гіпсу також шкідливо, так як гіпс у розчині здатний дисоціювати і утворювати двовалентні іони кальцію, які також викликають коагуляції колоїдів. Крім того, надлишок гіпсу може викликати корозію цементного сульфатну каменю. Тому вміст гіпсу в портландцементі не повинно бути менше 1,5 і більше 3,5% в перерахунку на SO3. При такому вмісті гіпсу паралізується дія гідроалюмінатов кальцію в початковий момент і виключається можливість сульфатної корозії цементного каменю, що можливо при високому вмісті гіпсу. Портландцемент з таким вмістом гіпсу задовольняє вимогам стандарту, а саме початок схоплювання його настає не раніше 45 хв і закінчується не пізніше 12 год від моменту замішування зодой.

Роль гідравлічних добавок полягає в наступному. За своїм складом вони представлені аморфним кремнеземом, активно реагуючим з Са(ОН)2. В результаті розчинний гідрат окису кальцію, що утворюється при гідратації C3S, хімічно зв'язується практично нерозчинний гідросилікат кальцію СаО • SiO2 • «Н2О. Водостійкість цементу при цьому підвищується.

Твердіння портландцементу супроводжується зміною його обсягу. Якщо процес протікає на повітрі, то за рахунок випаровування вологи можливе зменшення обсягу, а при твердінні у воді йде зворотний процес набухання. Особливо небезпечна усадка, в результаті якої у затверділому бетоні можуть з'являтися тріщини. Для попередження усадочних деформацій твердіння бетону, особливо в перший час, має проходити у вологому середовищі. Якщо вода випарується, то твердіння практично припиняється.

При взаємодії цементу з водою виділяється тепло,

внаслідок чого всередині масивних споруд можуть розвиватися зна

чительные температури (до 50-60°С), що нерідко викликає освіти

вання тріщин. Тому для виготовлення масивних споруд високо

екзотермічні цементи застосовувати не можна. Однак при зимових роботи

тах підвищене виділення тепла з цементу позитивно позначається

на виробництві будівельних робіт, перешкоджаючи заморожування

бетону.

Структура цементного каменю

Отверділий цементний камінь являє собою мікроскопічно неоднорідну систему, яка складається з кристалічних і зростків гелеобразних мас, представлених частками колоїдних розмірів. Неоднорідність структури цементного каменю посилюється і тим, що в ньому є непрореагировавшая частина клінкерних зерен, вміст яких з плином часу зменшується. За аналогією зі звичайним бетоном таку неоднорідну систему цементного каменю. В. Н. Юнг назвав «микробетоном».

Суттєво впливають на структуру цементного каменю і гіпс гідравлічні добавки, так як їх зерновий склад різноманітний, і утворюються нові продукти в результаті їх реакції з клінкерними компонентами цементного каменю. Раціонально підбираючи мінералогічний склад клінкеру і склад цементу з необхідним вмістом окремих клінкерних мінералів, що дають при твердінні цементного каменю те кристалічні зростки, то гелеву структурну складову, можна впливати на структуру та фізико-механічні властивості цементного каменю та бетону в потрібному напрямі.

Відмінність фізико-механічних властивостях кристалічного і колоїдного гелеобразного речовини є однією з причин впливу мінералогічного складу клінкеру на деякі основні будівельні властивості цементу: деформативність, стійкість при змінному заморожуванні і відтаванні, зволоженні і висушуванні. Це дозволяє шляхом раціонального підбору мінералогічного складу клінкеру регулювати властивості портландцементу і отримувати цемент, якістю, що задовольняє конкретним експлуатаційним умовам.

На структуру бетону чинить значний вплив пористість цементного каменю, пов'язана з початковим вмістом води в бетонної суміші і воздухововлечением при її приготуванні. Для отримання удобоукладываемой бетонної суміші в неї вводять в 2-3 рази більше води, ніж хімічно зв'язується цементом в процесі твердіння. Кількість води, вступає в хімічну реакцію з цементом, при сприятливих умовах твердіння становить 15-20% ваги цементу, а для отримання удобоукладываемой суміші потрібно 40-60% води. Таким чином, більша частина води замішування виявляється у вільному стані і утворює в затверділому бетоні безліч дрібних пор. Тому завжди прагнуть застосовувати бетонні суміші з мінімальним вмістом води з метою отримання найбільш щільної структури цементного каменю, що також підвищує його міцність і морозостійкість.

Структура цементного каменю, а саме наявність пор і гелеобразного речовини, обумовлює схильність його до вологісним деформацій: при зволоженні він розбухає, а при висушуванні дає усадку. Знакозмінні стискаючі і розтягуючі напруги, що викликаються зміною вологості навколишнього середовища, розхитують структуру цементного каменю і знижують міцність бетону. Ступінь вологісних деформацій залежить від співвідношення гелеобразних і кристалічних фаз в цементному камені: зі збільшенням останній стійкість каменю в таких умовах (звана воздухостойкостью) підвищується. В відміну від розглянутих далі пуцоланових портландцементів звичайний портландцемент відрізняється високою воздухостойкостью.

Розширення і розтріскування цементного каменю можуть викликати також вільні оксиди кальцію і магнію, присутні в цементі при низькому як випалу. Гасіння їх-супроводжується значним збільшенням обсягу і продукти гасіння розривають цементний камінь.

Про таке цементі кажуть, що він не відповідає вимогам стандарту щодо рівномірності зміни об'єму при твердінні.

Міцність портландцементу

1рочнбсть портландцементу характеризується межами міцності при стисненні і вигині. Марка цементу встановлюється за межі міцності при вигині зразків балок 40x40x180 мм і при стисненні їх половинок, виготовлених з пластичного розчину складу 1 : 3 (по вазі) і випробуваних через 28 діб.: зразки протягом цього строку зберігають у вологих умовах температурі 20±3°Пн. Межа міцності при стисканні у віці 28 діб. називається активність цементу; Для приготування зразків застосовують чистий кварцовий пісок пастоянного зернового і хімічного складу, що дозволяє виключити вплив його якості на міцність цементу і отримувати порівнянні результати. При віднесенні портландцементу до тієї або іншої марки межа міцності зразків при стиску і вигині у віці 28 діб. повинен бути не нижче значень, наведених ст. табл. 21.

Міцність наростає нерівномірно: на треті

добу вона досягає приблизно 40-50% марки це

мента, а на сьому добу - 60-70%. В після

дме період зростання міцності ще більш замед

ся і на 28-е добу цемент набирає марочну

міцність. Однак при сприятливих умовах

твердіння портландцементу може продовжуватися

місяці і навіть роки, в 2-3 рази перевищивши мароч

ву (28-добовий) міцність

Час 6суток Міцність цементного каменю і швидкість його

твердіння залежать від мінералогічного складу клінкеру, тонкості помелу цементу, вмісту води, вологості і температури середовища і тривалості зберігання.

Мінералогічний склад. Процес наростання міцності клінкерних мінералів портландцементу різний (42). Найбільш швидко набирає

міцність трехкальцйевый силікат: через 7 діб. близько 70% від 28-добової

міцності; подальше наростання його міцності значно замед

ся.

Картина твердіння двухкальциевого. силікату абсолютно інша.

У початковий період C2S набирає незначну міцність, складову приблизно 15% міцності трьохкальцієвого силікату, але в наступний період його твердіння міцність швидко підвищується і в якийсь період досягає і навіть може перевищити міцність C3S. Це пояснюється тим, що CsS гідратіруется швидше, ніж C2S. До 28-добового віку гідратація C3S майже закінчується, а гідратація C2S тільки починає інтенсивно розвиватися. Тому при необхідності отримати бетон достатньої міцності в короткі терміни застосовують цемент з великим вмістом трьохкальцієвого силікату, так званий алитовый цемент, і навпаки, якщо потрібна висока міцність в більш пізній час, наприклад, для гідротехнічних споруд, слід застосовувати белитовый цемент.

Найбільш швидко гідратіруется трехкальциевого алюмінат, і здавалося б, що його міцність у початковий період повинна бути найбільш високою. Однак у зв'язку з тим, що продукти гідратації трьохкальцієвого алюмінату утворюють пористу структуру, на відміну від щільної структури новоутворень при гідратації C3S і C2S, міцність його виявляється нікчемною порівняно з міцністю силікатів. Утворення пористої структури цементного каменю негативно впливає також і на морозостійкість.

Низька міцність трьохкальцієвого алюмінату характерна для мономинеральной.смеси, тобто складається з одного мінералу С3А. У полиминеральных-ж сумішах, яким є цемент, трехкальциевого алюмінат сприяє ущільненню колоїдних силікатних мас, а отже, підвищенню міцності цементного каменю і швидкості його твердіння.

 


Швидкотвердіючий цемент, забезпечує в короткі терміни високу міцність, містить у своєму складі значну кількість ,G3S і С3А (близько 60-70%, в тому числі до 10% С3А).

Тонкість помелу. Із збільшенням тонкості помелу до певної межі міцність цементу зростає. Середній розмір зерен портландцементу, що випускається вітчизняними заводами, становить приблизно 40 мк. Глибина гідратації зерен через 6-12 міс. твердіння зазвичай не перевищує 10-15 мк. Таким чином, при звичайному помелі портландцементу 30-40% клінкерної частини його не бере участь у твердінні і формувань структури каменю. З збільшенням тонкості помелу збільшується ступінь гідратації цементу, зростає вміст склеювальних речовин (гідратів мінералів) і підвищується міцність цементного каменю. Заводські цементи повинні мати тонкість помелу, характеризується залишком на ситі № 008 (розмір чарунки у світлі 0,08 мм) не більш'15%, зазвичай вона дорівнює 8-12%.

Тонкість помелу цементу оцінюється також питомою поверхнею {см2!г)-сумарною поверхнею в си2 зерен в 1 г цементу. Для заводських цементів вона становить 2500-3000 см2/р.

У ряді випадків з метою підвищення активності заводського цементу, а головне для отримання цементу тонкість помелу цементу підвищують до 3500-4000 см2/р. Умовно вважають, що приріст кожної 1000 см2!р питомої поверхні цементу підвищує його активність на 20-25%.

Вологість і температура середовища. Твердіння цементного каменю і підвищення його міцності може тривати лише при наявності в ньому води, так як тверднення в першу чергу є процес гідратації. Вологі умови при твердінні цементного каменю в практиці забезпечуються різними способами: бетон поливають водою, бетонні конструкції покривають мокрими тирсою, піском, рогожею і періодично поливають, а також покривають бітумними емульсіями та іншими матеріалами, які ооразуют паронепроникну плівку і попереджають випаровування води з бетону.

Великий вплив на зростання міцності цементного каменю має температура води. Швидкість хімічних реакцій між клінкерними мінералами і водою збільшується з підвищенням температури, а також значно зростає швидкість ущільнення продуктів гідратації цементу.

Твердіння цементного каменю на практиці може відбуватися в широкому діапазоні температур: нормальне твердіння при температурі 15-20° С, пропарювання при температурі 70-100° С і атмосферному тиску, автоклавна обробка під тиском насиченої пари в 9 - 16 атм і більше при температурах від 174,5-200° С і вище і, нарешті, тверднення при негативній температурі. Найбільш швидко міцність цементного каменю зростає при пропарюванні під тиском в автоклавах, - бетон через 4-6 год набуває марочну міцність. В умовах пропарювання при нормальному тиску твердіння бетону відбувається приблизно в 2 рази повільніше, ніж в автоклавах. Бетони, піддані тепловологісної обробці при температурі до 100°С, у більшості випадків набувають тільки 70% марочної міцності і лише в окремих випадках досягають її. Подальшого зростання їх міцності, як правило, не відбувається.

По-різному веде себе цемент при тепловологісному режимі твердіння залежно від мінералогічного складу клінкеру. Белито-ші цементи при автоклавної обробці твердіють найбільш швидко. Для алитовых цементів вона не дає ефекту порівняно з твердінням при пропарюванні. Однак ефект використання алитовых цементів при автоклавної обробки бетону зростає, якщо добавкою є мелений кварцовий пісок. При високій температурі активність кварцового піску по відношенню до вапна збільшується. Утворилася при гідролізі трьохкальцієвого силікату Са (ВІН) 2 зв'язується з SiO2 міцне хімічна сполука - гидросиликаты кальцію.

Твердіння портландцементного каменю при.температурах від 0 до 5-8° С відбувається в 2-3 рази повільніше, ніж при звичайних температурах, а при негативних температурах майже повністю припиняється, так як вода перетворюється в лід. Однак воно все ж можливо за рахунок добавки електролітів СаС12, NaCl або їх суміші в кількості 5% і більше ваги цементу. Дія електролітів засноване на тому, що з підвищенням концентрації розчинених речовин у воді знижується температура її замерзання. Крім того, хлористі солі є прискорювачами твердіння цементу. Однак добавка їх більше 2% для залізобетонних конструкцій не рекомендується внаслідок можливої корозії арматури.

Тривалість зберігання. Тривале зберігання цементу навіть у найбільш сприятливих умовах тягне за собою деяку втрату його міцності: після 3 міс. зберігання вона може досягати 20%, а через рік до 40%. Цементи більш тонкого помелу втрачають більший відсоток міцності, так як волога повітря, стикаючись з частками, взаємодіє з ними, викликаючи передчасну гідратацію цементу. Крім того, виділяється при гідролізі вапно реагує з вуглекислотою повітря, утворюючи на цементних зернах плівки важкорозчинного вуглекислого кальцію, що перешкоджає проникненню води до зернам цементу при його твердінні. Відновлювати активність цементу можна повторним помелом. Найбільш ефективний вибропомол, в процесі якого підвищується тонкість помелу цементу, а також з цементних зерен здираються гідратні і інертні оболонки.

 

Стійкість цементного каменю

Бетон в інженерних спорудах в процесі експлуатації може бути схильний до агресивного впливу зовнішнього середовища: прісних і мінералізованих вод, спільному дії води й морозу, поперемінному зволоження і висушування. Серед компонентів бетону цементний камінь найбільш схильний розвитку корозійних процесів. Отже, для того щоб бетон стійко опирався агресивного впливу зовнішнього середовища, цементний камінь повинен бути водостійким, морозостійким і атмосферостійким.

Водостійкість цементного каменю. Корозія цементного каменю у водних умовах може бути підрозділена на три види.

вид корозії - руйнування цементного каменю внаслідок рас

творіння і вимивання деяких його складових частин. Найбільш рас

створеній є гідроокис кальцію, що утворюється при гідролізі

трьохкальцієвого силікату. Хоча розчинність Са(ВІН)2 невелика (1,3 г

СаО на 1 л при 15°С), але в цементному камені бетону під впливом

проточних м'яких вод кількість розчиненого і вимитого Са(ВІН)2

безперервно зростає, цементний камінь стає пористим і втрачає

міцність. Слід зазначити, що Са(ВІН)2 добре розчиняється у водах,

які містять в незначній кількості катіони кальцію і маг

ня у вигляді бікарбонатів Са(НСО3Ь і Mg(HCO3)2, надають воді

тимчасову твердість.

В той же час всі мінерали цементного клінкеру можуть тривалий час перебувати у водних умовах, але тільки при певній концентрації вапна у воді - не нижче так званої рівноважної концентрації. При зниженні її мінерали розчиняються з розкладанням і виділенням в розчин вапна. Рівноважна концентрація тим вище, чим більше основність мінералу. Так. для ЗСаО - SiO2-nH<)O вона дорівнює 1,3 г/л СаО; для ЗСаО • А12О3-6н 2 о - 1,1 г/л СаО; для CaO"-SiO2-• лН2О - 0,05 г/л СаО. При зниження концентрації СаО менше ніж на 0,05 г/л відбувається повне розчинення гідросилікатів з розпадом їх на Са(ОН)2 і SiO2-nH2O, що супроводжується руйнуванням цементного каменю.

Кілька оберігає від даного виду корозії захисна кірка з вуглекислого кальцію, що утворюється на поверхні бетону в результаті реакції між гідроокисом кальцію і вуглекислотою повітря

Са(ОН)2 + СО2 = СаСОз + Н2О.

Розчинність СаСОз у воді майже в 100 разів менше розчинності Са(ОН)2. Істотне підвищення стійкості цементного каменю прісних водах досягається введенням в цемент гідравлічних добавок, зв'язують Са(ОН)2 в малорозчинна сполука-гідросилікат кальцію:

Са(ВІН)2 + SiO2 + in - 1)H2O = CaO-SiO2-«H2O.

Наступним заходом захисту бетону від корозії цього виду є застосування цементу, виділяє при твердінні мінімальне кількість вільної Са(ОН)2. Це белитовый цемент, що містить невелику кількість трьохкальцієвого силікату.

II вид корозії - руйнування цементного каменю водою, містячи

щей солі, здатні вступати в обмінні реакції з його составляющи

мі. При цьому утворюються продукти, які або легко розчинні

і несуться фільтрується через бетон водою, або виділяються у вигляді

аморфної маси, що не володіє сполучними властивостями. В результаті

таких перетворень збільшується пористість цементного каменю і. отже, знижується його міцність.

Найбільш характерними серед цих обмінних реакцій ті, які протікають під дією хлористих і сірчанокислих солей. Сірчанокислий магній, взаємодіючи з Са(ОН)2 цементного каменю, утворює гіпс і гідрат окису магнію - важкорозчинні аморфне речовина, що не володіє зв'язністю і легко вымывающееся з бетону. Гіпс має порівняно високу розчинність (до 2 г/л) і також вимивається. Схема цієї реакції наступна:

Між хлористим магнієм і Са(ОН)2 протікає реакція Са(ВІН)2 4 - MgCl2 = СаС12 + Mg(GH)2.

Корозія цементного каменю водами, що містять вільні вуглекислоту і її сіль Са(НСОз)2, відбувається в наступній послідовності. Спочатку розчинна вуглекислота взаємодіє з Са(ОН)2 з реакції Са(ОН)24-СО2 = = СаСОз + Н2О і утворюється труднорастворімий вуглекислий кальцій, що позитивно позначається на збереженні бетону. Однак при високому вмісті у воді вуглекислота діє руйнівно на цементний камінь, утворюючи легко розчинний бікарбонат кальцію:

СаСОз + СО2 4 - Н2О = Са (НСО3)2.

Наведені реакції, схематично характеризують руйнування цементного каменю під дією води, що містить розчинені солі, показують, що основною причиною цього руйнування є зміст в цементному камені (бетоні) вільної гідроксиду кальцію Са(ОН)2. Якщо ж її зв'язати в інше, важкорозчинні з'єднання, опір корозії бетону цього виду має зрости, що спостерігається при використанні активних мінеральних добавок.

До Ш увазі корозії відносяться процеси, що виникають під дією сульфатів. В порах цементного каменю відбувається відкладення малорозчинних речовин, що містяться у воді, або продуктів їх взаємодії з складовими цементного каменю. Їх накопичення і кристалізація в порах викликають значні розтягуючі напруження в стінках пір і призводять до руйнування цементного каменю.

Характерним видом сульфатної корозії цементного каменю є взаємодія розчиненого у воді гіпсу з трьохкальцієвим гідроалюмінатом. При цьому утворюється труднорастворімий гидросуль-фоалюминат кальцію, який, крісталлізуясь, поглинає велику кількість води і значно збільшується в об'ємі (приблизно в 2,5 рази), що надає руйнівну дію на цементний камінь. Реакція протікає за наступною схемою:

ЗСаО • АЬОз • 6н 2 о + 3CaSO4 4 - пН2О -= ЗС ат • АЬРз З.С a S р4 • 31Н2О.

В результаті утворюються кристали у вигляді довгих тонких голок, за зовнішнім виглядом нагадують бацили. Це зовнішня подібність, а також руйнівна дія кристалів на цементний камінь дали підставу назвати гідросульфоалюмінат кальцію «цементній бацилою». Спочатку він ущільнює цементний камінь, а подальше дію сульфатних вод призводить до його руйнації і тим швидше, чим більша концентрація сульфатів у воді. Зміст трьохкальцієвого алюмінату знижує стійкість цементу проти сульфатної корозії. Залежність сульфатостойкости цементу від концентрації сульфатів у воді, а також зміст С3А в клінкері представлені на 43.

Міра захисту бетону від сульфатної корозії логічно випливає із суті цього процесу, а саме, цемент з низьким вмістом трьохкальцієвого алюмінату повинен володіти підвищеною сульфато-стійкістю.

Захист цементного каменю від корозії у водних умовах

Виключити чи послабити вплив корозійних процесів при дії різних вод можна конструктивними заходами, поліпшенням технології приготування бетону, а також застосуванням певного цементів мінералогічного складу клінкеру і складу за вмістом активних мінеральних добавок.

Конструктивними заходами запобігти дія води на бетонну конструкцію можна шляхом влаштування гідроізоляції, водовідводів і дренажів. Підвищення водостійкості бетону технологічними засобами досягається інтенсивним ущільненням бетону при укладанні формуванні, використанням бетонних сумішей з мінімальним водоце-ментным ставленням і ретельно підібраним зерновим складом заповнювачів.

Збільшується і водостійкість виробів, підданих автоклавної обробці. Такі бетони і розчини майже повністю стійкі в водних розчинах Na2SO4 і CaSO4 і кілька більш стійкі в розчинах MgSCU. Гидросиликаты кальцію, що утворюються в портландцемент-них бетонах автоклавного твердіння, по відношенню до сульфатів менш реакционноспособны, ніж гидросиликаты, утворюються при нормальному твердінні.

Ефективним заходом є застосування цементів певного складу і якості. Отримувати корозійностійкі цементи можна шляхом відповідного підбору мінералогічного складу клінкеру. Так, наприклад, цемент, що містить С3А не більше 5%, виявляється стійким в сульфатних водах. Сульфатостойкость цементу, приготованого на клінкері з низьким вмістом C3S, збільшується, так як в бетоні менше міститься найбільш розчинної компонента - Са(ОН)2.

Збільшити стійкість бетону в агресивному середовищі можна карбонізацією. При тривалому витримуванні виробів з бетону на повітрі атмосферний вуглекислота вступає у взаємодію з гидратом окису кальцію, утворюючи на поверхні виробу кірку з вуглекислого кальцію, який не вилуговується прісною водою і не взаємодіє з сульфатами. Однак цей спосіб не досить досконалий, так як кірка з вуглекислого кальцію під впливом різних механічних вооз- • дій (ударів хвиль або предметів, плаваючих у воді) може зруйнуватися, а крім того, вона не є абсолютно водонепроникною, здатної надійно захистити цементний камінь.

Більш досконалою, ніж карбонізація, є пуццоланизация - зв'язування гідрату окису кальцію активним кремнеземом кислих гідравлічних добавок. Утворюються гидросиликаты кальцію практично не вступають у обмінні реакції з сульфатами, і тому значно підвищується водостійкість цементного каменю щодо прісних і сульфатних вод. Стосовно ж кислих, вуглекислих і магнезіальних вод пуццоланизация не дає ефекту, оскільки ці води руйнують не тільки гідрат окису кальцію, але і водяні силікати і алюмінати кальцію.

Роль активних мінеральних добавок (трепелу, опоки, діатоміту, доменних, гранульованих шлаків) підвищення водостійкості портландцементу буде розглянута нижче.

Морозостійкість цементного каменю

Спільне поперемінна дія води й морозу тягне за руйнування бетонних споруд. При мінусових температурах вода, знаходиться в порах цементного каменю, що перетворюється на лід, який збільшується в об'ємі приблизно на 10%, тисне на стінки пор і руйнує їх.

Л1орозостойкость цементного каменю залежить від мінералогічного складу клінкеру, тонкості помелу цементу і водоцементного відносини. До певної тонкості помелу (5000-6000 см2/г) морозостійкість цементу збільшується, але потім помітно падає. Це пояснюється пористою структурою новоутворень цементу надтонкого подрібнення. Присутність з цементі у значній кількості активних мінеральних добавок негативно впливає на морозостійкість цементного каменю внаслідок високої пористості їх і низькою морозостійкості продуктів взаємодії добавок з компонентами цементного каменю. Серед мінералів клінкеру найменш морозостійким є С3А, тому його вміст в цементі для морозостійких бетонів не повинно перевищувати 10%. Збільшення водоцементного відносини знижує морозостійкість цементного каменю внаслідок підвищення його: ристости.

Таким чином, для збільшення морозостійкості бетону необхідно застосовувати цементи з низьким вмістом СзА і мінімальним вмістом активних мінеральних добавок, а також використати бетонні суміші з можливо меншим водоцементным ставленням, ретельно ущільнюючи суміш при укладання.

Значно підвищують морозостійкість бетону поверхнево-активні добавки (сульфітно-спиртова барда, мылонафт). Пластифікуючі добавки (сульфітно-спиртова барда) істотно знижують колір бетонних сумішей при збереженні заданої рухливості, тобто зменшують пористість цементного каменю. Гидрофобизующие добавки (мылонафт) мають повітровтягучої здатністю: вони втягують повітря в бетонну суміш у вигляді дрібних бульбашок, які в бетоні амортизують тиск льоду. Крім того, вони підвищують однорідність структури цементного каменю (надають водовідштовхувальні властивості) і гидрофобизуют стінки пор і капілярів, збільшуючи опірність цементного каменю дії води.

Слід мати на увазі, що заморожування цементного каменю початковий період твердіння є найбільш небезпечним, так як він ще не має достатню міцність і не може енергійно пручатися тиску льоду.

 

РІЗНОВИДИ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

Пластифікований портландцемент

Пластифікований портландцемент відрізняється від звичайного вмістом поверхнево-активної пластифікуючої добавки, підвищує рухливість і легкоукладальність бетонної суміші та надає затверділим бетонів високу морозостійкість. В якості пластифікуючих добавок застосовують сульфітно-спиртову барду, яку можна вводити як при помелі цементу, так і безпосередньо в бетонну суміш під час її приготування.

Активною частиною сульфітно-спиртової барди та її похідних є лигносульфоновые кислоти та їх солі - сульфолигнаты. Ці добавки утворюють на поверхні цементних зерен адсорбційні плівки, які, будучи гідрофільними, утримують близько поверхні цементних зерен велике кількість молекул води; частина їх пов'язана з поверхнею молекулярними силами, а частина укладена в адсорбційному шарі між молекулами сульфолигнатов. Утворюються адсорбційно-гідратні шари води забезпечують гідродинамічну мастило зерен, перешкоджаючи їх злипання, зменшують тертя між ними, завдяки чого підвищується пластичність цементного тіста. Вони підвищують стійкість цементно-водних сумішей - сповільнюється процес осадження цементних зерен і в результаті зменшується води.

За рахунок пластифікуючого дії добавки з'являється можливість зниження водоцементного відношення В/Ц При оптимальному дозуванні гіпсу і с.с.б. зменшення витрати води для більшості цементів становить середньому близько 10-15%. Пластифікуючі дію добавки с. с. б. зростає з тонкістю помелу цементу.

Вплив сульфітно-спиртової барди на окремі мінерали різне: найбільше пластифікуючі дію вона надає на C3S, найменше - на C2S. Тому неоднаковий характер впливу с.с.б. проявляється по-різному і в цементах різного мінералогічного складу; найбільш пластифіковані бетонні суміші виходять з алитовых цементів.

'Пластифікуючі добавки підвищують міцність бетону, так як вони, знижуючи водопотребность бетонної суміші, зберігають її рухливість, а в результаті зростає щільність і відповідно зростає міцність бетону. При збереження заданої міцності бетону пластифікуюча добавка дозволяє знизити витрату цементу. Оптимальною величиною добавки с.с.б. можна вважати ту, за якої міцність пластифікованого цементу буде не нижче міцності звичайного портландцементу.

Сульфітно-спиртова барда є ефективною добавкою для підвищення морозостійкості бетонів, що пояснюється головним чином отриманням цементного каменю більшої щільності. Разом з тим слід мати на увазі, що введення в цемент органічних пластифікуючих добавок негативно відбивається на швидкості гідратації і твердінні цементу, особливо у перші терміни, хоча до 28 діб. міцність бетонів на цементах з добавками і без них стає однаковою. Це перешкоджає застосуванню пластифікованого портландцементу в заводському виробництві бетонних і залізобетонних виробів.

Оптимальна кількість добавки с.с.б. для збільшення морозостійкості зазвичай становить від 0,15 до 0,25% ваги цементу (в розрахунку на суху речовина), але в кожному окремому випадку має встановлюватися лабораторією.

Ефект від введення с.с.б. значно підвищується, якщо цементи мають оптимальне кількість гіпсу. Це пояснюється більш сприятливими умовами для освіти в твердеющем цементному камені сульфоалюминатов кальцію, ущільнюючих бетон і більш морозостійкі, ніж гидроалюминаты; морозостійкість бетону підвищується також за рахунок деякого повітровтягування.

^.Введение пластифікуючих добавок не призводить до створення нових видів цементу, а лише надає вихідного цементу додаткові властивості (більш високу пластичність). Тому пластифіковані портландцементи можуть застосовуватися поряд зі звичайними, забезпечуючи отримання більш удобоукладываемых бетонних сумішей та морозостійких бетонів. Особливо широко їх використовують в дорожньому, аеродромному і гідротехнічному будівництві.

Гідрофобний портландцемент

Гідрофобний портландцемент відрізняється від звичайного вмістом поверхнево-активної гидрофобизующей добавки - милонафта, асидолу, асидол-милонафта, олеїнової кислоти,'або окисленого петролатуму - в кількості 0,06-43,3 % ваги цементу в розрахунку на суху речовину добавки. Гидрофобизующие добавки утворюють на. зернах цементу тонкі (мономолекуляриые) плівки, зменшують здатність цементу змочуватися водою: перебуваючи у вологих умовах, цемент зберігає активність і не комкується. У процесі перемішування бетонної суміші адсорбційні плівки здираються з поверхні цементних зерен я не перешкоджають нормальному перебігу процесів твердіння цементу.

При приготуванні бетонів гидрофобизующие добавки залучають . в бетонну суміш велика кількість дрібних бульбашок повітря - до 30-50 л на 1 м3 суміші (3-5% за обсягом). Залучений повітря покращує .подвижность і легкоукладальність суміші, а наявність у затверділому бетоні найдрібніших замкнутих порожнин сприяє підвищенню його морозостійкості. Гідрофобний цемент характеризується більш високими, ніж звичайний цемент, водостійкістю і водонепроникністю.

До недоліків гідрофобного портландцементу слід віднести уповільнений зростання міцності в початковий період, так як гідрофобні плівки на зернах цементу перешкоджають його взаємодії з водою. Але марочна 28-добова міцність дорівнює міцності звичайного портландцементу.

(Гідрофобний портландцемент рекомендується застосовувати замість обьйного в тих випадках, коли необхідні його тривале зберігання і перевезення на далекі відстані./Цей цемент можна застосовувати для тих же цілей, що і пластифікований портландцемент.

Швидкотвердіючий портландцемент

- Швидкотверднучий портландцемент (БТЦ) має більш інтенсивним, ніж звичайний, наростанням міцності в початковий період твердіння. Це досягається шляхом більш тонкого помелу цементу і регулювання його мінералогічного складу. При помелі быстротвер-деющего портландцементу допускається введення, активних мінеральних 1,5 і не більше 3,5% в залежності від мінералогічного складу клінкеру (змісту С3А) і від тонкості помелу.

Швидкотвердіючий цемент розмелюють до питомої поверхні 3500-40Q0 см2/г (замість 2800-3000 см 2/г для звичайного портландцементу). Зразки, виготовлені з пластичного цементного розчину складу 1 : 3, через 3 доби. твердіння повинні показати міцність не менше 40 кГ/см2 на вигин і не менше 250 кГ/см2 на стиск. В іншому властивості БТЦ не відрізняються від властивостей звичайного портландцементу. ^Зыстротвердеющие портландцементи доцільно застосовувати при виготовленні високоміцних, звичайних і попередньо напружених залізобетонних виробів і конструкцій, а також при зведенні споруд з монолітного бетону^

Різновидом цементу цементу є особобыст-ротвердеющий цемент (ОБТЦ), відрізняється не тільки великою швидкістю тверднення в початковий період, але і високою активністю '(600 кГ/см2 і більше). Міцність при стисненні зразків з пластичного розчину в добовому віці не менше 250, а в трехсуточном - не менше 350 кГ/см2.

Шляхи отримання ОБТЦ і БТЦ аналогічні - висока тонкість помелу, оптимальний мінералогічний склад. Крім цього, додають більше кількість гіпсу, сприяє ущільненню цементного каменю спочатку і швидкому зростанню його міцності.

Сульфатостійкий портландцемент

Сульфатостійкий портландцемент застосовують для отримання бетонів, що працюють у мінералізованих і прісних водазу Виготовляють його з клінкеру нормованого мінералогічного складу. Зміст у цьому цементі повинно бути не більше (%) : C3S - 50, С3А - 5,. C3A + C4AF - 22. Введення інертних та активних мінеральних домішок не допускається. У зв'язку з помірним вміст у клінкері C3S і малим С3А сульфатостійкий цемент є, по суті, белитовым і має кілька уповільненим твердненням в початкові терміни та низьким тепловиділенням. Цемент випускають марок 300 і 400, інші вимоги до неї такі ж, як і до портландцементу.

Сульфатостійкий пуцолановий портландцемент отримують спільно

вим помелом клінкеру, що містить не більше 8% С3А, з кислими ак

перспективними мінеральними добавками. Кількість їх від ваги цементу слід

ший: добавки вулканічного походження або глиеж не менше 25

і не більше 40%; добавки осадового походження не менш 20 і не бо

далі, 30%.

Цемент ділиться на марки - 200, 300 і 400, характеризується зниженою морозостійкістю і тому призначається для конструкцій, працюють у підводних і підземних спорудах в умовах сульфатної агресії,_

Портландцемент з помірною екзотермії

Портландцемент з помірною екзотермії відрізняється від звичайного тим, що його отримують з клінкеру з низьким вмістом высокоэкзо-терыичных мінералів C3S і С3А і відповідно підвищеним вмістом ннзкрэкзотермичных мінералів C2S. У цьому цементі зміст C3S не повинна перевищувати 50, а С3А 8%. Активні мінеральні, добавки не допускаються. Цемент випускають двох марок - 300 і 400

По складу і міцності цемент аналогічний сульфатостойкому і застосовується для зведення бетонних та залізобетонних конструкцій зовнішніх стін гідротехнічних та інших споруд, що працюють в прісній або слабомінералізованій воді і піддаються систематичному заморожування і відтавання, зволоженню і висиханню.

Дорожній портландцемент

Портландцемент, який застосовується для бетонних покриттів автомобільних доріг, повинен володіти рядом специфічних властивостей: високими міцність, опір зносу, морозостійкістю, деформативних здатністю та стійкістю при дії агресивних середовищ. В найбільшій мірі задовольняє зазначеним вимогам портландцемент з високим вмістом аліта і алюмоферритной фази, тоді як вміст С3А в клінкері не повинно бути більше 10%.. При помелі клінкеру допускається введення до якості гідравлічної добавк-і - тільки гранульованого доменного шлаку в кількості не більше 15%; інші мінеральні добазки неприпустимі, оскільки знижують морозостійкість.

Для дорожнього бетону застосовують портландцемент марки не нижче 300 при випробуванні у пластичних розчинах. Для підвищення морозостійкості дорожнього бетону корисно введення воздухововлекающих добавок.

Білий і кольорові портландцементи

Білий портландцемент отримують з сировинних матеріалів, мають мінімальний вміст забарвлюючих оксидів (заліза, марганцю, хрому). В якості сировинних матеріалів використовують «чисті» вапняки або мармури і білі каолінові глини, а, якості палива - газ або мазут, не забруднюючі клінкер золоцЛ Помел цементу більш тонкий: залишок на ситі № 008 повинен бути не більше 10%.

Основною властивістю білого цементу, визначальним його якість як декоративного матеріалу, є ступінь білизни, і з цього показником цемент підрозділяється на три сорти - БЦ-1, БЦ-2 і БЦ-3. За міцності білий цемент випускають трьох марок - 250, 300 і 400 (випробування розчинах жорсткої консистенції). Початок схоплювання має наступати не раніше 30 хв. Транспортують і зберігають його тільки в закритій тарі. Внаслідок особливих вимог до сировини і технологічного процесу вартість білого портландцементу виявляється вище вартості звичайного цементу.

Кольорові портландцементи отримують шляхом спільного помелу клінкеру білого цементу з світло - і лугостійкими мінеральними барвниками: охрою, залізним суриком, ультрамарином, окисом хрому, сажею.

П. І. Боженов запропонував для отримання кольорових цементів в процесі приготування сировинної суміші вводити оксиди деяких металів (0,05-1%). Ефективне фарбування дають оксиди хрому (жовто-зелений колір), марганцю (блакитний і оксамитово-чорний), кобальту (коричневий). При цьому отримують пофарбовані клінкери рідкісних квітів, важко досягаються при виготовленні кольорових цементів змішуванням з пігментами. На різні колірні відтінки робить також вплив мінералогічний склад клінкеру.

Білі і кольорові цементи застосовують для опоряджувальних робіт, виробництва облицювальних плиток, сходових ступенів, підвіконних плит, фактурного шару панелей, штучного мармуру і т.д.

 

5. ЦЕМЕНТИ З АКТИВНИМИ МІНЕРАЛЬНИМИ ДОБАВКАМИ

До цієї групи гідравлічних в'яжучих речовин належать цементи, одержувані спільним помелом портландцементного клінкеру або вапна та активної мінеральної добавки або ретельним змішуванням зазначених компонентів після роздільного подрібнення кожного з них. В залежності від виду вихідного в'яжучого компонента і добавки цементи з активними мінеральними добавками поділяються на пуццолановые або шлакопортландцементи і вапняно-пуццолановые і вапняно-шлакові в'яжучі.]

 

Активні мінеральні добавки

Активними мінеральними (гідравлічними) добавками називають природні чи штучні речовини, які при змішуванні в тон-коизмельченном вигляді з вапном і заутворі водою надають їй здатність до гідравлічному твердіння, а при змішуванні з портландцементом підвищують його стійкість у прісних і сульфатних водах.: Гідравлічні добавки в порошкоподібному стані будучи змішані з водою самостійно не тверднуть. Активні мінеральні добавки за походженням поділяються на природні та штучні (табл. 22). Вони містять у значній кількості речовина, здатне при звичайних умовах вступати в хімічну взаємодію з гидратом окису кальцію і давати труднсрастворимые продукти реакції. У диатомитах, трепелах та інших добавках осадового походження цією речовиною є активний водний кремнезем, у вулканічних і штучних - переважно алюмосилікати, а добавки, що містять обпечене глиниста речовина

Мінеральна добавка вважається активною, якщо вона забезпечує кінець схоплювання тіста, приготовленого на основі добавки і вапна, не пізніше 7 діб. після замішування і забезпечує водостійкість не пізніше 3 діб. після кінця його схоплювання. Якість гідравлічних добавок характеризують також кількістю мг СаО, поглиненої з розчину 1 г добавки протягом 30 діб.

Добавки з меншою активністю відносяться до інертним. Крім активності якість добавки оцінюють також за величиною набухання і за водопотребности.

Пуцолановий портландцемент

Пуцолановий портландцемент - гідравлічний в'яжучий речовина, що твердне у воді і у вологих умовах, що отримується шляхом сумісного тонкого подрібнення клінкеру, гіпсу (до 3,5%) і активної мінеральної добавки або ретельним змішуванням роздільно подрібнених тих же матеріалів. Добавок вулканічного походження, обпаленої глини, глиежа або паливної золи вводять не менше 25 і не більше 40% ваги цементу, а добавок осадового походження (діатомітів, трепелов) -20-30%. В залежності від активності гідравлічної добавки і мінерального складу клінкеру встановлюються їх кількості. Чим активніше добавка, тим більше вона здатна зв'язати гідрату окису кальцію і тим менша її кількість необхідно, і навпаки.

Колір пуццолаковых портландцементів з щільними і твердими домішками (траси, туфи) майже така ж, як і портландцементу, а при використанні м'яких пористих добавок (діатоміти і трепели) значно збільшується. Тому необхідна рухливість бетонної суміші забезпечується більшою добавкою води, а це викликає збільшення витрати цементу, так як міцність бетону не повинна знижуватися.

Терміни схоплювання і тонкість помелу цементу пуццоланового такі ж, як і звичайного портландцементу; однак пуццолановые портландцементи характеризуються уповільненим наростанням міцності в початковий період твердіння порівняно з портландцемент без добавок, виготовленим з того ж клінкеру. Пуццолановые портландцементи характеризуються зазвичай рівномірним зміною обсягу і за значенням міцності діляться на марки 200, 300, 400 і 500.

При твердінні пуццоланового портландцементу відбуваються два процесу: гідратація мінералів портландцементного клінкеру і взаємодія активної мінеральної добавки з гидратом окису кальцію, що виділяється при твердінні клінкеру. Са(ОН)2 при цьому зв'язується в нерозчинний у воді гідросилікат кальцію по реакції:

Са (ВІН)2 + SiO2 + (п - 1) Н2О = СаО • SiO2 • «И2О.

В результаті пуцолановий портландцемент виявляється більш водостійким, ніж звичайний портландцемент.

Пуцолановий портландцемент більш стійкий в сульфатних водах, так як в цементному камені майже відсутні окис кальцію і високоосновні чотирьох - і трехкальциевые гидроалюминаты.

Бетони та розчини на пуццолановом портландцементі внаслідок підвищеної водопотребности менш морозостійкі, ніж бетони на портландцементі. Воздухостойкость його задовільна. Цемент має меншу, ніж портландцемент, водопроникність. Пояснюється це набуханням гелеобразних складових цементного каменю і гідравлічної добавки в присутності водного розчину гідрату окису кальцію, що ущільнює бетон.

Бетони на пуццслановых цементах, особливо на цементах з гідравлічними добавками осадового походження, що характеризуються підвищеними деформаціями усадки і набухання. При твердінні на повітрі для цементного каменю характерні інтенсивна усадка гелеобразних мас і розвиток стягуючих напружень в капілярах внаслідок неминучого випаровування води. Навпаки, при твердінні у воді об'єм значно збільшується внаслідок адсорбції води і набухання колоїдних новоутворень. Вологісні деформації особливо значні в початковий період твердіння.

Пуццолановые портландцементи вельми чутливі до температурних умов твердіння. Так, при 10-12° С процеси схоплювання і твердіння значно сповільнюються, а при 5° С до менш майже повністю припиняються. При підвищених температурах пуццолановые портландцементи схоплюються і твердіють більш інтенсивно, ніж портландцемент, тому вироби і конструкції з бетонів на цьому цементі доцільно піддавати термообробці. При схоплюванні і твердінні пуццолаиового цементу виділяється менше тепла, що дозволяє використовувати цей цемент для масивних бетонних конструкцій. Не придатний пуцолановий портландцемент для виготовлення елементів, що експлуатуються в умовах систематичного поперемінного зволоження і заморожування, або висушування. Пуццолановые цементи доцільно застосовувати для підводних і підземних бетонних і залізобетонних конструкцій, особливо тоді, коли від бетонів потрібні велика водонепроникність і висока водостійкість.

При використанні портландцементного клінкеру, що містить не більше 8% трьохкальцієвого алюмінату, можна отримати сульфато-стойкмй пуцолановий портландцемент. Він застосовується для підводних конструкцій поряд з сульфатостійким портландцементом, але відрізняється від нього більш високою водостійкістю й дещо меншою вартістю. Отримують такий цемент з технології пуццоланового портландцементу марок 200, 300 і 400 з введенням добавок вулканічного (25-40%) або осадового (20-30%) походження.

Не рекомендується застосовувати сульфатостійкий пуцолановий портландцемент в тих випадках, коли крім сульфатостойкости споруди необхідно забезпечити його високу стійкість проти поперемінного заморожування і відтавання, зволоження і висихання.

Вапняно-пуцолановий цемент

Вапняно-пуцолановий (в'яжучим) цементом називається гідравліч

лическое терпка речовина, що отримується спільним тонким помелом

ксмовой вапна і висушеної гідравлічної добавки або тщатель

вим змішуванням тих же матеріалів, подрібнених роздільно...! Для

регулювання термінів схоплювання при помелі або змішуванні додати

ся до 5% гіпсу. Вміст вапна в цих в'яжучих становить

15-35%; для підвищення воздухостойкости його збільшують до 50%

і більше, але при цьому спостерігається зниження водостійкості. В окре

мих випадках, зокрема, для підвищення морозостійкості вапняно-

пуцоланових цементів додається також до 15-25% портландце

мента (від загальної ваги суміші).

Для виготовлення вапняно-пуццоланового в'яжучого застосовують всі види перерахованих вище добавок. В залежності від виду добавки це в'язка набуває відповідну назву - вапняно-тре-пельное, вапняно-туфовое і т. д.

Тонкість помелу цементу повинна бути такою, щоб через сито № 008 пройшло не менше 75% ваги просеиваемой проби; густина його в 2-3 рази більше водопотребностн портландцементу; початок схоплювання настає через 3-6 год, а кінець - через 8-12 год; при твердінні на повітрі цементи дають велику усадку. Вапняно-пуццолановые цементи випускають трьох марок-50, 100 і 150. Інтенсивне наростання міцності спостерігається тільки при зберіганні в середовищі високої вологості або у воді. При знижених температурах цементи твердіють дуже повільно, а при температурі +10°С твердіння практично припиняється.

Вапняно-пуцолановий цемент має низьку воздухостойкость, що обмежує його застосування при зведенні наземних конструкцій, працюють в повітряно-сухому середовищі. Водостійкість вапняно-пуццо-лановых цементів висока. У вологому і водної середовищі цемент відносно швидко твердне і набирає міцність, а завдяки набухання гелів мас зростають щільність і водонепроникність бетонів на цьому цементі. Вапняно-пуццолановые цементи мають дуже малу морозостійкість, тому їх не можна застосовувати в конструкціях, що піддаються систематичному заморожування і відтавання в насиченому водою стані.

Застосовують вапняно-пуццолановые цементи для бетонів під

земних або підводних конструкцій, а не у надземних спорудах, для

приготування кладок і штукатурних розчинів, а також для вироб

ництва легкобетонних каменів. Внаслідок низької міцності їх не можна

використовувати для отримання залізобетону.

 

6. ШЛАКОВІ ЦЕМЕНТИ

Шлакові цементи є різновидом цементів з активними мінеральними добавками, в яких останні представлені доменними гранульованими шлаками. Здатність шлаків до самостійного водного твердіння дозволяє отримувати шлакові цементи за якістю вище, ніж пуццолановые цементи (з іншими видами активних мінеральних добавок).J

Ця група в'яжучих є досить ефективною у економічному відношенні. Витрати виробництва шлакопортландцементу нижче, ніж звичайного портландцементу, на 15-20%, а вапняно-шлакового в'яжучого ще нижче. Досить економічним є виробництво висо-комарочного (марка 500) шлакопортландцементу, повноцінно замінює кращі види портландцементу, особливо в масивних конструкціях. Слід особливо підкреслити високу економічну ефективність шлакових бесклинкерных в'яжучих, собівартість яких навіть при невеликих потужностях установок з виробництва в'яжучих не перевищує 4,5-5 руб/т,

Шлаки та їх властивості

Шлаками називають побічні продукти, одержувані при плав-кечерных і кольорових металів, спалювання твердих видів палива, а також при електротермічної сублімації фосфору/ До останнього часу для виробництва в'яжучих речовин застосовувалися лише гранульовані доменні шлаки, в останні роки почали використовувати передельные шлаки чорної металургії, деякі шлаки кольорової металургії, а також паливні гранульовані шлаки.

Гідравлічна активність зростає з доменних шлаків збільшенням значень обох модулів, пої цьому чим вище модуль активності, тим швидше шлак твердне в подрібненому стані.

Треба мати на увазі, що шлаки одного і того ж хімічного складу можуть бути активними або майже зовсім не володіти здатністю утворювати гідравлічне в'язка речовина, так як це залежить від того, яка структура отримана при охолодженні шлаку. При повільному охолодженні шлаку значна частина його встигає викристалізуватися у вигляді різних стійких мінералів, які не володіють терпкими сврйствами. При швидкому охолодженні шлаків кристалізація утруднена і вони набувають переважно склоподібну (аморфну) структуру, коли складові знаходяться в шлаку нестійкому стані рівноваги і активність їх значно вище, ніж у закристаллизованных шлаків. Тому для підвищення активності шлаків, застосовуються для виготовлення цементу, всі вогненно-рідкі шлаки піддають різкого охолодження. При цьому їх гранулюють, тобто створюють умови, коли утворюються у вигляді дрібних зерен гранули дуже пористої структури.

«---- Гранульовані доменні шлаки отримують на установках мокрій, напівсухий та сухий грануляції. При мокрому способі грануляції кількість склоподібної фази виявляється найбільшим - 40-95%, але шлак має високу вологість (до 40%). Тому використання таких шлаков'кілька здорожує цемент за рахунок великої витрати палива на сушку шлаку (до 80 кг умовного палива на 1 т сухого грануляту). Однак якість шлаку мокрій грануляції поки вище, ніж шлаку, отриманого іншими способами.

Кращі техніко-економічні показники дає напівсуха грануляція шлаків, яка полягає в первинному охолодженні рідкого шлаку водою і остаточному охолодженні його повітрям. Вологість шлаку складає 5-10%. Для напівсухий грануляції використовуються барабанні гранулятори, гідроударні установки і грануляционные млини. При грануляції на установці з барабаном (44) рідкий шлак з шлакового ковша зливається в приймальну ванну і далі надходить на похилий грануляционный жолоб, в який через спеціальні сопла подається вода під тиском до 6 атм з розрахунку 0,7-1,5 л3 па 1 т палива. Сильно охолоджений шлак разом з водою потрапляє на грануляционный барабан, де дробиться і відкидається на майданчик складу. При цьому частинки шлаку інтенсивно охолоджуються повітрям.

При сухої грануляції потік шлакового розплаву розбивається сильним струменем повітря або пари на дрібні краплі, охолоджуючі далі повітрям. Вологість гранульованого таким чином шлаку дорівнює 0-5%.

Гранульовані доменні шлаки навіть при найбільш сприятливому хімічному складі і майже повному остекловании при грануляції, подрібнені в тонкий порошок, що не володіють достатніми гідравлічними властивостями, тобто при заутворі водою твердіють дуже повільно. Для отримання шлакових цементів з високими гідравлічними властивостями необхідно застосовувати спеціальні добавки - збудники гід-равличности гранульованих шлаків. Ними є деякі лугу і сульфати. На основі цих збудників отримують шлакопортландцемент, вапняно-шлаковий і сульфатно-шлаковий цементи.

Шлакопортландцемент

Шлакопортландцементом називається гідравлічне в'яжуче речовина, що отримується спільним подрібненням портландцементного клінкеру, доменного гранульованого шлаку і невеликої кількості гіпсу (до 3,5% сірчаного ангідриду від ваги всієї суміші) або шляхом ретельного змішування роздільно подрібнених тих же компонентів. \ При спільному подрібнення клінкеру шлаку і гіпсу якість шлакопорт-ландцемента виявляється дещо вище, так як при роздільному подрібненні і наступному змішуванні вихідних матеріалів не вдається отримати продукт такої ж однорідності, як у першому випадку. Зміст доменного гранульованого шлаку в шлакопортландцементе має становити не менше 30 і не більше 60% ваги готового продукту, причому допускається частину шлаку в кількості не більше 15% -замінювати природними гідравлічними добавками (трепелом, діятимуть і ін).

Поряд з шлакопортландцементом промисловість випускає

також швидкотвердіючий шлакопортландцемент, відрізняється більш

інтенсивним наростанням міцності в початковий період (до 7 доб.);

марочна 28-добова міцність його дорівнює марці звичайного шлако-

портландцементу. Для отримання цементу шлакопортландце-

мента застосовують клінкер цементу цементу, доменні шлаки

високої активності, зменшуючи їх граничний вміст до 50% ваги

цементу.

Твердіння шлакопортландцементу може бути розділене на два періоду: первинний - гідратація і твердіння клінкерної частини цементу - і вторинний - хімічна взаємодія продуктів гідратації клінкерної частини з доменними гранульованими шлаками. При гідратації трьохкальцієвого силікату клінкеру виділяється гідрат окису кальцію, який взаємодіє з глиноземом і кремнеземом шлаку з об* разованием гідросилікатів і гідроалюмінатов кальцію.

Порівняно з портландцементом шлакопортландцемент характеризується уповільненим наростанням міцності в початкові терміни твердіння, але марочна і подальша міцності їх приблизно однакові. З пониженням температури приріст міцності сильно знижується. Підвищена температура при достатній вологості середовища має на тверднення шлакопортлаидцемента більш сприятливий вплив, ніж на тверднення портландцементу.

По межі міцності при стисненні і вигині шлакопортландцемент поділяється на марки 200, 300, 400 і 500. Швидкотвердіючий шлакопортландцемент повинен мати в трехсуточном віці межа міцності при стисненні не менше 200 і при вигині не менше 35 кГ/сбг^ Водостійкість бетонів на шлакопортландцементе вище, ніж на портландцементі, з-за відсутності в них вільного гідрату окису кальцію: в шлако-портландцементном бетоні вона пов'язана шлаком у важкорозчинні гидроалюминаты і низкоосновные гидросиликаты кальцію, тоді як в портландцементном бетоні гідрат окису кальцію в значній кількості міститься у вільному вигляді і може вимиватися, послаблюючи бетон.Шлакопортландцементный бетон володіє задовільною морозостійкістю і воздухостойкостью. Проте він все ж менш стійкий, ніж бетон на портландцементі. Це пояснюється тим, що низкоосновные гидрссиликаты більш схильні до деформацій при зміну стану середовища і менше здатні протистояти спільному дії води; морозу.

Застосовують шлакопортландцемент для тих же цілей, що і портландцемент, однак враховуючи його підвищену водостійкість, найбільш доцільно його використовувати в гідротехнічних спорудах, а також для конструкцій, що знаходяться в умовах вологого середовища. Не слід застосовувати його в конструкціях, що піддаються частому заморожування та відтавання, зволоження та висихання.

 

Вапняно-шлаковий цемент

Вапняно-шлакове в'яжучий отримують спільним помелом су-хйгр гранульованого доменного шлаку і вапна з добавкою невеликої кількості гіпсу чи ретельним змішуванням тих же матеріалів, роздільно подрібнених в тонкий порошок. Вміст окису кальцію в в'яжучому змінюється в залежності від виду шлаку (основний або кислий) і коливається в межах від 10 до 30% ваги суміші.

Вапняно-шлакове в'яжучий повільно схоплюється і повільно твердне: початок схоплювання настає через 1,5-4 год, а кінець - через 4-8 год. Для регулювання термінів схоплювання і твердіння в нього вводять до 5% гіпсу. Це в'язка Еыпускают трьох марок - 50, 100 і 150; при високоякісних шлаки і вапна-кипелке марка може бути підвищена до 300.

Воздухостойкость вапняно-шлакового в'яжучого низька^ При тйердении на повітрі міцність знижується в результаті руйнівної дії СО2 повітря на окремі кристалогідрати, а також внаслідок великих усадочних деформацій. Морозостійкість цього в'яжучого нижче, ніж шлакового портландцементу: вона досягає зазвичай 25-50 циклів заморожування і відтавання. Тому на відміну від нз вестково-пуцоланових нзвестково-шлаковий цемент можна застосовувати для зовнішніх стін та інших огороджувальних конструкцій, а також тих частин гідротехнічних споруд, які піддаються нечастим періодичним впливів заморожування і відтавання. Для підвищення морозостійкості іноді вводять до 20% портландцементу (від ваги суміші). Бетони на цьому в'язкому необхідно оберігати від передчасного висихання.

Застосовують вапняно-шлакове в'яжуче конструкціях, не піддаються систематичному поперемінному заморожуванню і відтаванню, зволоженню і висиханню

 

Сульфатно-шлакові цементи

Є кілька видів сульфатно-шлакових цементів, але найбільш широке поширення одержали гіпсо-шлаковий і шлаковий бесклинкерный цемент.

Гіпсо-шлаковий цемент--гідравлічне в'язка речовина, отримується шляхом сумісного помелу гранульованого доменного шлаку, гіпсу та портландцементного клінкеру. Склад цементу наступний (у %): шлаку 75-85, двоводяного гіпсу або ангідриту 15-20 і до 5 портландцементного клінкеру або до 2 вапна. Для цього цементу використовують шлаки з підвищеним вмістом глинозему, тобто з високим модулем активності. {

Сульфатно-шлаковий цемент є медленнотвердеющим в'язкою речовиною. Він випускається двох марок - 300 до 400 при випробуванні зразків з розчину жорсткої консистенції (1:3) через 28 діб. Початок схоплювання його має наступати не раніше 30 хв, а кінець - не пізніше 12 год після замішування водою. При гідратації цементу виділяється мало тепла (40-45 ккал/кг протягом 7 діб.), тому його можна застосовувати в масивних конструкціях. Підігрів до 40° С прискорює твердіння, але при більш високих температурах міцність падає внаслідок дегідратації сульфату кальцію. Вироби з гіпсо-шлакозого цементу мають невисокі морозостійкість і воздухостойкость, але підвищену стійкість в прісній і деяких мінералізованих водах.

Застосовують гипсошлаковый цемент для бетонних і залізобетонних підземних і підводних конструкцій і споруд. Найбільш доцільно його використовувати в умовах вилуговування і сульфатної агресії. Не рекомендується застосовувати сульфатно-шлаковий цемент конструкціях, що піддаються поперемінному заморожуванню і відтаванню або зволоженню і висиханню.

: Шлаковим бесклинкерным цементом називають гідравлічне терпка речовина, що отримується спільним помелом гранульованого доменного шлаку (85-90%), сульфату кальцію (5-8%) і обпаленого доломіту (5-8%). Для основних шлаків доломіт обпалюють при 800-900° С, що супроводжується повним розкладанням MgCO3 і частковим СаСОз, а для кислих шлаків - при 1000-1100° С з повним розкладанням також і СаСОз. Властивості та умови застосування, шлакового бесклинкерного цементу такі ж, як і гіпсо-шлакового.

 

7. ГЛИНОЗЕМИСТИЙ ЦЕМЕНТ

Глиноземистий цемент являє собою швидкотверднучі гідравлічна терпка речовина, що отримується тонким подрібненням до обпаленої плавлення (або спікання) сырьезой суміші, складеної з бокситів і вапна (вапняку) з переважанням в готовому продукті низькоосновних алюмінатів кальцію. Глиноземистые цементи випускаються без добавок чи з добавками різних мінеральних речовин (до 2%), поліпшують деякі властивості цементу і що знижують його вартість

[^Виробництво глиноземистого цементу. Цей цемент отримують у багатьох країнах різними методами з різного сировини, чому хімічний склад його коливається в широких межах. Найголовнішими окислами є А12О3 (30-50%), СаО (35-45%), SiO2 (5-15%) і Fe2O3 (5-15%). Найбільш важливими сполуками є алюмінати кальцію СаО-А12О3(СА), 5СаО-ЗА12Оз(С5Аз) і СаО • 2А12О3(СА2), причому головна складова частина - однокальціевий алюмінат СаО • • А12О3.

Існують два способи виробництва глиноземистого цементу: перший заснований на спіканні сировинної суміші, а другий - на її плавленні. За першим способом тонкоизмельченная і ретельно перемішана суміш бокситу і вапняку обпалюють до спікання при температурі 1150-1250° З в обертових, шахтних, кільцевих, камерних і тунельних печах або на спекательной решітці. При випалі не в обертових печах сировинну шихту необхідно брикетувати, в обертових печах випалення можна вести по сухому і мокрому способів виробництва. Отриманий продукт випалу розмелюється в тонкий порошок.

Глиноземистий цемент можна отримувати плавленням сировинної суміші при температурі 1500-1700° С у вагранках, електричних або доменних печах, а також в конвертерах. Розплавлена маса охолоджується і піддається дробленню, а потім подрібненню в тонкий порошок. При отриманні глиноземистого цементу спіканням потрібні більш чисті боксити з невеликим вмістом кремнезему (до 8%) і окису заліза (до 10%). При отриманні його плавленням можна використовувати сировину з великою кількістю домішок, що перешкоджає поширенню методу спікання, незважаючи на меншу витрату палива.

/Твердіння глиноземистого цементу. При замішуванні порошку глиноземистого цементу водою освіта пластичного тіста, подальше його ущільнення і твердіння протікають так само, як і для звичайного портландцементу. Однокальціевий алюмінат при взаємодії з водою гідратіруется, утворюючи, в кінцевому підсумку, двухкальціевий восьми-водний гидроалюминат і гідрат окису алюмінію:

2(.СаО-А12Оз) + ПН2О = 2СаО • А12Оз • 8HSO + 2А1(ВІН)з.

Восьмиводный гидроалюминат кальцію виділяється у вигляді пластинчастих кристалів гексагональної системи, а гідроксид алюмінію - в вигляді гелевидной маси.

Інші алюмінати кальцію - С2А, С5А3, а також алюмоферриты і ферити кальцію, що входять до складу цементу, взаємодіючи з водою, дають відповідні гідрати. Відбувається ущільнення гелю двох-кальцієвого гидроалюмината і кристалізація продуктів гідратації, що протікають дуже інтенсивно, що забезпечує швидке наростання міцності. Приблизно через 5-6 год міцність глиноземистого цементу може досягти 30% і більше марочної, через 1 добу. твердіння - понад 90%, а в трехсуточном віці - марочну міцність. jtS~-i Властивості глиноземистого цементу. Глиноземистий цемент є (швидкотверднучим, але не бистросхвативающійся в'яжучою речовиною: початок схоплювання має наступати не раніше 30 хв, а кінець - не пізніше 12 год. За величини межі міцності при стисненні цемент ділиться на три марки 400, 500 і 600. Марка цементу позначається за межі міцності при стисканні зразків, виготовлених у вигляді кубів розміром 7,07X7,07X7,07 см з твердого розчину складу 1 : 3 (по вазі) і випробуваних у віці 3 діб. після твердіння в нормальних умовах, j

Найбільш сприятливими для твердіння глиноземистого цементу є вологі умови і нормальна температура (20±5° С), наростання міцності при більш високій температурі зменшується. Можливо навіть падіння досягнутої міцності та руйнування бетону в результаті перекристалізації двухкальциевого гидроалюминат'а в трьох-кальцієвий гидроалюминат. Це називають хворобою глиноземистого цементу, і тому пропарювання виробів на глиноземистом цементі не допускається. При температурі нижче нормальної близькою нулю цемент твердіє задовільно, що пояснюється його високою екзотермії. Протягом 1-3 діб. глиноземистий цемент виділяє в 1,5-2 рази більше тепла, ніж портландцемент. Це обмежує застосування глиноземистого цементу в масивних конструкціях, так як розігрів бетону всередині масиву і охолодження його зовні викликають напруження розтягу в зовнішніх шарах і освіта тріщин.

Бетони на глиноземистом цементі характеризуються високою водостійкістю, воздухостойкостью, морозостійкістю і жаростійкістю; вони стійки в умовах прісних і сульфатних вод, однак руйнуються лужними водамид Висока воздухостойкость глиноземистого цементу пояснюється ущільненням і кристалізацією продуктів гідратації цементу та їх незначною деформативних здатність при зміні вологості повітря. Бетони на глиноземистом цементі володіють значною щільністю, приблизно в 1,5 рази меншою пористістю, ніж на портландцементі, що і визначає їх високу морозостійкість. Підвищення щільності цементного каменю сприяє гель гідрату окису алюмінію, що утворюється при гідратації однокальциевого алюмінату, який має щільну будову.

Застосування глиноземистого цементу істотно обмежується його вартістю (у 3-4 рази вище, ніж портландцементу), хоча за своїм фізико-механічним властивостям (швидкості твердіння, стійкості в різних середовищах) він перевершує всі інші в'яжучі речовини, в тому числі і портландцемент.-(Застосовують глиноземистий цемент в тих випадках, коли найбільш раціонально використовуються його специфічні властивості, наприклад, при термінових відновлювальних роботах (ремонт гребель, труб, доріг, мостів, при терміновому зведенні фундаментів). Хімічна стійкість глиноземистого цементу робить доцільним його використання для тампонування нафтових і газових свердловин, на підприємствах харчової промисловості, на травильних та фарбувальних підприємствах, для футеровки шахтних колодязів і тунелів.

Глиноземистий цемент володіє більшою, ніж інші в'яжучі, стійкістю до дії високої температури-1200-1400° С і вище, що дозволяє використовувати його для виготовлення жаростійких бетонів, що застосовуються в якості футерування теплових апаратів}) не Можна використовувати глиноземистий цемент в тих випадках, коли температура бетону під час його тверднення може піднятися вище 25-30° С, а також у бетонних конструкціях, що піддаються дії вод, містять луги

 

8. РОЗШИРЮЄТЬСЯ ЦЕМЕНТ

Цементний камінь, отриманий на основі всіх гідравлічних в'яжучих речовин, відчуває усадочні деформації. Це гризе призвести до появі тріщин в місцях з'єднання бетонних і залізобетонних елементів споруди, що порушує монолітність конструкції. У ряді випадків, коли усадочні деформації неприпустимі, наприклад для закарбування і гідроізоляції швів тюбінгів тунелів, розтрубних труб, закладення фундаментних болтів, отримання щільних стиків бетонних і залізобетонних конструкцій, закладення тріщин і ін., необхідно застосовувати безусадочний або розширюється цемент.

) К. цієї групи в'яжучих належать цементи, кілька збільшуються в обсязі при твердінні у вологісних умовах або не дають усадки при твердінні на повітрі. Всі розширюються цементи є змішаними і складаються з основного в'яжучого речовини і розширюється добавки, яку, в свою чергу, може входити декілька компонентів.

Відомо кілька видів розширюються цементов: на основі глиноземистого цементу - водонепроникний розширюється цемент і гіпсо-глиноземистий; на основі портландцементу - розширюється портландцемент, напружує цемент, гіпсо-цементно-пуццолановые в'яжучі і т. д. „.

Водонепроникний розширюється цемент являє собою быстросхватывающееся і швидкотверднучі гідравлічне в'язка речовина, одержуване помелом або змішанням в кульової млині тон-коизмельченных глиноземистого цементу, гіпсу і высокоосновного алюмінату кальцію 4СаО • АЬОз • 12Н2О. Останній отримують гідротермальної обробкою протягом 5-6 год при температурі 120-150° С суміші глиноземистого цементу з вапном (1 : 1), затворенной 30% води. Отриманий продукт висушують і подрібнюють. Початок схоплювання цементу не раніше 4, а кінець не пізніше 10 хв. Схоплювання можна уповільнити добавкою с.с.б., оцтової кислоти і бури. Межа міцності при стисканні зразків із цементного тіста має бути не нижче: через 6 ч - 75, 3 сут. - 300 і 28 діб. - 500 кГ/см2. Через 1 добу. твердіння зразки повинні бути повністю водонепроникні при тиску 6 атм, а їх лінійне розширення - не менше 0,2 і не більше 1%.

L-Застосовують водонепроникний розширюється цемент при відновлення зруйнованих бетонних і залізобетонних конструкцій, для гідроізоляції тунелів, стволів шахт, в підземному і підводному будівництві, при створенні водонепроникних швів. Не можна застосовувати водонепроникний цемент при роботах, виконуваних при температурі нижче 0°С, а .також конструкціях, що експлуатуються при температурах вище 80° СЛ

Гіпсо-що розширюється, глиноземистий цемент є быстротвер-деющим гідравлічним в'яжучим, одержуваним шляхом спільного тонкого помелу або змішування высокоглиноземистого шлаку і природного гіпсу в двоводяного співвідношення 0,7 : 0,3 по вазі. Це в'язка характеризується інтенсивним твердненням у водному і повітряному середовищі.

Цемент буває трьох марок - 300, 400 і 500, встановлюваних випробуванням на стиск зразків розміром 7,07X7,07X7,07 см, виготовлених трамбуванням з жорстких розчинів 1 : 3 і випробуваних через 3 доби. твердіння. Початок схоплювання цементу не раніше 20 хв, а кінець не пізніше 4 год після замішування водою.

Зразки з тіста гіпсо-глиноземистого цементу через 1 добу, повинні бути водонепроникні при гідростатичному тиску 10 атм з лінійним розширенням не менш 0,15%; через 28 діб. лінійне розширення має значення не менше 0,3 і не більше 1%. При твердінні зразків на повітрі (після тридобового твердіння у воді) розширення повинно бути не менше 0,1%. Зразки з тіста через 1 добу, а з розчину складу 1 : 3 через 3 доби. після виготовлення повинні пропускати воду під тиском 10 атм.

Для бетонів на гіпсо-глияоземистом цементі характерна висока міцність зчеплення нового бетону зі старим - в 20-25 разів вище, ніж бетонів на портландцементі. Бетони володіють високою морозостійкістю і сульфатостойкостыо.

I Гіпсо-глшюземистый розширюється цемент застосовують для виготовлення безусадочних і розширюються водонепроникних розчинів і бетонів, закладення стиків бетонних і залізобетонних конструкцій, закарбування швів і розтрубів і т. п. не Можна використовувати в конструкціях, що працюють при температурі вище 80° С. t

Розширюється портландцемент (РПЦ) - гідравлічне терпка речовина, що отримується спільним помелом портландцементного клінкеру, высокоглиноземистого шлаку, гіпсу та активної гідравлічної добавки. Склад цього цементу наступний (у %): портландцемент 60-65, глиноземистий шлак 5-7, двуводний гіпс 7-10, гідравлічна добавка 20-25. Портландцемент повинен містити більш .45% C3S і не менше 7% СзА. В якості добавки застосовують трепел, бентоніт, опоку і ін.

Розширюється портландцемент випускають марок 400, 500 і 600, встановлюваних за показниками міцності при стиску зразків розміром 7,07X7,07X7,07 см, виготовлених з твердих розчинів (1:3) і випробуваних через 28 діб. твердіння у воді.

Зразки з тіста розширюється портландцементу при твердінні . у воді протягом 1 добу. розширюються не менш ніж на 0,15% і через 28 сут. на 0,3 - 1%. Для цього цементу характерний інтенсивний ріст міцності в процесі пропарювання при температурі 70-80° С. Це дозволяє при виробництві бетонних і залізобетонних виробів на цьому цементі обмежуватися термообробленням протягом 4-6 ч. Для цементу характерна висока водонепроникність - немає фільтрації води при тиску 11 атм і вище.

Застосовують розширюється портландцемент для тих же цілей, що розширюються цементи та інші, а також для виробництва бетонних і залізобетонних виробів, якщо необхідно скоротити час термообробки.?

Напрягаемый портландцемент (НЦ) являє собою швидко-схватывающееся і швидкотверднучі терпка речовина, що отримується тонким помелом портландцементного клінкеру (65%), высокоглинозе-мнстого цементу або шлаку (20%) і двоводяного гіпсу (15%). Початок схоплювання цементу через 2-5 і кінець через 7 хв. Сповільнюють схоплювання добавки сульфітно-спиртової барди. Межа міцності при стисненні через 1 добу. становить 200-300 кГ/см2. Фільтрації для зразків з затверділого цементу товщиною 20 мм при тиску до 20 атм не спостерігається. Для цього в'яжучого найбільш характерна енергія розширення, досягає 30-40 кГ/см9- при твердінні зразків з розчину 1:1. Ця властивість дозволяє використовувати напрягаемый цемент для виготовлення залізобетонних виробів, арматура яких повинна бути напружена в декількох напрямках (двохосьовий і тривісне напружене армування). Таке напруження арматури механічним шляхом пов'язане з великими труднощами.

Напрягаемый цемент доцільно застосовувати для виробництва напірних залізобетонних труб і деяких тонкостінних залізобетонних виробів

 

 «Будівельні матеріали» Наступна сторінка >>>

 

Дивіться також:

 

Довідник домашнього майстра Будинок своїми руками Будівництво будинку Гідроізоляція