Гидравлические вяжущие вещества

Цемент – это обобщенное название группы гидравлических вяжущих веществ, основной составляющей частью которых являются силикаты и алюминаты кальция, образующиеся при обжиге до частичного плавления сырья. Наиболее важное значение из этой группы имеет портландцемент. Создание современного портландцемента прошло большой исторический путь. Справедливо считать, что оно берет свое начало от известного воздушного вяжущего – извести. В 1756 г. английский инженер Смитон обнаружил, что обжиг известняка с примесью глины позволяет получать известь с гидравлическими свойствами. В отличие от воздушной извести, после выдерживания таких известковых растворов на воздухе в течение 1…3 недель, они продолжают твердеть и сохранять свою прочность во влажных условиях. В 17-м веке в Москве русскими зодчими было построено несколько кирпичных зданий, для кладки стен которых использовали воздушную известь с цемянкой. Цемянка представляет собой молотый керамический кирпич. Растворы на таком вяжущем проявляли повышенную водостойкость. Гидравлическую известь получают обжигом известняков с содержанием глины не менее 6 %.

В 1796 году английский инженер Д. Паркер запатентовал гидравлическое вяжущее - романцемент. Романцемент получают при измельчении в тонкий порошок продукта обжига мергелей при температуре 1000…1100 ºС. Мергели представляют собой природные смеси известняков и глин с содержанием глин около 20 %. Прочностные характеристики цементного камня из романцемента невелики: прочность при сжатии составляет около 10 МПа.

В 1824 г. Джозеф Аспдин, английский каменщик из г. Лидса, получил патент на способ производства портландцемента под названием «Усовершенствованный способ производства искусственного камня». Портландцемент получил свое название из-за внешнего сходства с природным камнем, добываемым в графстве Портленд, хорошо зарекомендовавшего себя у строителей. В соответствии с патентом для производства использовалась искусственная смесь известняков и глин при содержании глины 23…28 %, которая подвергалась сначала обжигу при температуре 900…1000 ºС, а затем помолу. Изучение свойств гидравлических вяжущих в те годы проводилось во многих странах Европы – в Германии, Франции, а также в России. В институте инженеров путей сообщения в Петербурге исследования проводились под руководством профессора строительного дела Шарлевилля в 1821…1822 г.г. В Москве в начале 20-х годов 19 в. инженер Московской военно-рабочей бригады Егор Челиев получал цемент из смеси извести с глиной высокотемпературным обжигом при 1100….1200ºС до «белого каления» с последующим измельчением полученного продукта и с введением при его помоле природного гипсового камня. В работе, опубликованной в 1825 г. «Полное наставление как приготовлять дешевый и лучший мертель, или цемент, весьма прочный для подводных строений, как то: каналов, мостов, бассейнов, плотин, подвалов, погребов и штукатурки каменных и деревянных строений» инженером Е. Челиевым представлен обобщенный опыт и рекомендации к производству и применению качественного портландцемента.

В качестве основного сырья в производстве цемента используют карбонатные породы (известняк, мел) и глину. Состав сырьевой смеси рекомендуется поддерживать в соотношении:

С целью регулирования состава сырьевой смеси вводят корректирующие добавки.

Технология производства портландцемента предусматривает добычу сырья, приготовление сырьевой смеси, получение цементного клинкера обжигом сырьевой смеси, помол клинкера с добавками, складирование.

Различают сухой, мокрый и комбинированный способы производства портландцемента. В России портландцемент производят преимущественно мокрым способом. Он состоит в том, что в сырьевую смесь вводят 32…45 % воды до получения жидкой текучей массы – шлама. Присутствие воды облегчает процесс получения однородной смеси при меньших энергозатратах. Шлам поступает во вращающуюся печь для обжига. Вращающаяся печь имеет цилиндрическую форму длиной, например, 185 м, диаметром 5 м, она расположена под углом 3◦ к горизонту и медленно вращается вокруг своей оси. В качестве топлива используется природный газ. Горячие газы от сжигания топлива движутся навстречу сырьевой смеси. При температуре 200 °С из шлама удаляется физически связанная вода. В интервале температур 500…600 °С удаляется химически связанная вода. При температуре 900 °С происходит диссоциация известняка. В интервале температур 1000…1200°С начинается образование силикатов и алюминатов кальция. Диапазон температур 1400…1500 °С соответствует температуре спекания и частичного плавления сырьевой смеси. При этом образуется высокоосновный силикат кальция, способствующий формированию высокой активности цемента. Завершаются реакции образования силикатов и алюминатов кальция. К концу процесса обжига не должно оставаться свободной извести. Смесь спекается с образованием отдельных гранул диаметром 4…20 мм – портландцементного клинкера. Клинкер подвергают быстрому охлаждению с целью сохранения не закристаллизованной высокоактивной стекловидной фазы. Помол клинкера осуществляют в шаровых мельницах совместно с 5 % природного гипсового камня.

При сухом способе производства сырьевые материалы подсушиваются и размалываются в шаровых мельницах, после чего сырьевая смесь выдерживается в силосах, где происходит интенсивное перемешивание сжатым воздухом. Готовая сырьевая мука в подогретом состоянии поступает во вращающуюся печь. Дальнейший процесс не отличается от производства мокрым способом. Основное преимущество сухого способа – снижение расхода теплоты на обжиг, что обеспечивает снижение себестоимости продукции на 10 %. При наличии сырья влажностью 20…25 % целесообразно осуществлять производство комбинированным способом: сырьевая смесь приготавливается по технологии мокрого способа. Затем шлам обезвоживается на пресс-фильтрах и на обжиг подается сухая гранулированная смесь. Способ производства выбирается с учетом свойств сырья.

Для получения портландцемента высокого качества необходимо, чтобы химический состав клинкера находился в определенных пределах: СаО - 60…67 %, SiO₂- 19…24 %, Аl₂O₃ – 4…8 %, Fe₂O₃ – 2…6 %. Содержание MgO не должно превышать 5 %, R₂O – до 0,5 %. Содержание SO₃ – 1,5…3,5 %.

В процессе обжига образуется портландцементный клинкер. состоящий в основном из следующих минералов:

4CаОAl₂O₃Fe₂O₃ – четырехкальциевый алюмоферрит;

При твердении минералы портландцементного химически взаимодействуют с водой. Теоретически на гидратацию требуется около 20 % воды от массы цемента. Химические процессы, протекающие при твердении портландцемента, описываются в основном следующими реакциями:

4СаО Al₂O₃ Fe₂O₃+ m Н₂О =3CaO Al₂O₃6Н₂О+CaO Fe₂O₃nН₂О.

Для замедления схватывания при помоле клинкера добавляют 3…5 % природного гипсового камня, который способствует образованию гидросульфоалюмината кальция (минерала эттрингита):

3CaO Al₂O₃ + 3(СаSO₄2Н₂О) + 26Н₂О=3CaO Al₂O₃3СаSO₄32Н₂О.

Заполняя поры цементного камня, эттрингит повышает его механическую прочность. При этом в нем значительно снижается доля слабопрочных рыхлых кристаллов гидроалюмината кальция.

По теории академика А.А. Байкова на физико-химическом уровне процесс твердения цемента включает три периода: растворение, коллоидацию и кристаллизацию.

Растворение. На границе цемент - вода происходят реакции гидратации и образуются растворимые продукты, которые переходят в раствор, обнажая следующие слои цементных зерен. Постепенно наступает насыщение жидкой фазы продуктами гидратации. Образующиеся гидраты, обладая низкой растворимостью, быстро насыщают раствор.

Коллоидация. В насыщенном растворе твердые продукты реакции без промежуточного растворения начинают выделяются в твердом виде в тонкодисперсном состоянии, образуя коллоидную систему. Одновременно цементное тесто теряет пластичность что внешне проявляется в схватывании массы.

Кристаллизация. Неустойчивое коллоидное состояние постепенно начинает переходить в более устойчивое кристаллическое состояние. В первую очередь появляются кристаллы гидроалюмината кальция и гидроксида кальция. Кристаллы растут, пронизывая коллоидные массы и постепенно образуют прочный кристаллический каркас. Цементный камень состоит из гелевых и кристаллических продуктов гидратации цемента, а также включений негидратированных зерен клинкера.

Скорость твердения цемента зависит от размеров зерен (тонкости помола), минералогического состава, температуры твердения, наличия химических добавок.

Процесс твердения ускоряется при тепловой обработке. Тонкость помола до определенных пределов ускоряет нарастание прочности и конечную прочность. При понижении температуры и влажности окружающей среды твердение замедляется.

С₃S - прочный, хрупкий минерал, интенсивно набирает прочность в ранние сроки, выделяет большое количество тепла при твердении. Не стоек в проточных пресных и минерализованных водах, плохо относится к пропариванию. Алитовые цементы с высоким содержанием С₃S рекомендуется использовать при пониженных температурах, при необходимости быстрого нарастания прочности, рекомендуется избегать применения в массивных конструкциях.

С₂S – имеет пониженную экзотермию, медленно твердеет и схватывается, но в конечном счете набирает прочность не ниже С₃S. Более пластичен, более стоек к коррозии, положительно относится к пропариванию и автоклавной обработке, отрицательно – к понижению температуры при твердении.

По содержанию минералов С₃S и C₂S клинкер имеет следующие наименования, приведенные в табл 2.3.

С₃А – напоминает С₃S, но, в отличие от него, низкопрочен и не морозостоек. В соединении с гипсом дает более прочные соединения (эттрингит). Для алюминатных цементов опасны сульфатные воды в период эксплуатации.

В зависимости от содержания минерала С₃А выделяют следующие виды портландцементного клинкера:

Ферритовый портландцемент при отсутствии алюминатов содержит более 7 % С₂F.

С₄АF и С₂F – менее прочны чем С₃S, медленнее набирают прочность и выделяют меньше тепла при твердении. Они придают цементу пластичность, положительно относятся к пропариванию и стойки к коррозии.

Минеральные добавки в портландцементе как правило снижают интенсивность нарастания прочности, увеличивают водопотребность, понижают тепловыделение, повышают стойкость к коррозии, лучше служат во влажной среде, снижают стойкость к увлажнению и высушиванию.

Технические требования к портландцементу изложены в ГОСТ 10178-85. - Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия. Портландцемент имеет плотность 3…3,2 г/см³, насыпную плотность 900…1100 кг/м³, а в уплотненном состоянии 1400…1700 кг/м³. Удельная поверхность цемента – 250…300 м²/кг, нормальная густота 24…30 %.

Начало схватывания – не ранее 45 мин, конец – не позднее 10 ч.

Причины вызывающие неравномерность изменения объема при твердении обусловлены наличием свободных СаО и MgО, способных к взаимодействию с водой:

Взаимодействие их с водой в схватившемся цементном камне приводит к увеличению объема и, как следствие, к появлению трещин.

По пределу прочности при сжатии образцов размером 40х40х160 мм изготовленных из цементно-песчаного раствора нормальной густоты состава Ц:П=1:3 портландцемент делят на марки: ПЦ400, ПЦ500, ПЦ550, ПЦ600.

2.3.3. Пуццолановый портландцемент и шлакопортландцемент

Пуццолановый портландцемент получают совместным помолом портландцементного клинкера, гипса и активных минеральных добавок. Активные минеральные добавки придают вяжущему гидравлические свойства. Степень активности добавки определяют по количеству связываемого ими оксида кальция на 1 г добавки.

Активные минеральные добавки делят на естественные (вулканические пеплы, туфы, вмитофиры), состоящие в основном из вулканического стекла, осадочные, а также искусственные (доменные гранулированные шлаки, топливные шлаки, нефелиновый шлам - отход глиноземистого производства, зола-унос, обожженные глинистые материалы).

Добавки осадочного происхождения (диатомиты, трепелы, опоки, глиежи) вводят в количестве 20…30 %, добавки вулканического про-исхождения и искусственные – в количестве 25…40 %.

При твердении пуццоланового портландцемента происходят процессы гидратации минералов портландцементного клинкера, а также взаимодействие активной минеральной добавки с гидроксидом кальция, выделяющемся при твердении клинкера:

Связывание гидроксида кальция в гидросиликат кальция повышает водостойкость.

Средняя плотность пуццоланового портландцемента 2,7…2,9 г/см³, нормальная густота 30…35.

Пуццолановый цемент повышает стойкость бетонов к коррозии первого и второго вида и его применяют для подводного и подземного бетонирования. В сравнении с обычным портландцементом он имеет более низкую воздухостойкость и медленнее твердеет. Его не рекомендуют применять для надземных конструкций, в зоне переменного уровня воды и для зимнего бетонирования.

Шлакопортландцемент – гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным помолом портландцементного клинкера, гипса и доменного (или электротермофосфорного) гранулированного шлака. Содержание шлака должно быть в пределах 21…80 %.

При медленном остывании шлака формируется малоактивная кристаллическая структура. Грануляция – процесс резкого охлаждения шлака водой или воздухом с целью получения активной стекловидной фазы. При грануляции жидкий шлак ковшом сливают в приемную ванну, а далее на наклонный грануляционный желоб, в который через специальные сопла подается вода под давление 0,6 МПа из расчета 0,7…1,5 м³/т. Охлажденный шлак дробится на грануляционном барабане, с которого отбрасывается на площадку склада. Гранулированный шлак – активная минеральная добавка к портландцементу, способная к самостоятельному взаимодействию с водой. В среде твердеющего цемента активность его возрастает. В сравнении с портландцементом шлакопортландцемент медленно твердеет, обладает повышенной стойкостью к коррозии, эффективно твердеет при пропаривании, менее воздухостоек. Истинная плотность составляет 2,8…3,0 г/см³, насыпная плотность 1100…1300 кг/м³, нормальная густота 26…30 %. Рекомендуется применять для подводного и подземного бетонирования, в условиях действия пресных и минерализованных вод, для производства сборного железобетона с применением пропаривания. Быстротвердеющий шлакопортланд-цемент изготавливают на основе алито-алюминатного клинкера, с ограниченным содержанием шлака и при помоле до удельной поверхности 400 м²/кг.

Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) отличается интенсивным нарастанием прочности в начальный период твердения: прочность при сжатии через 3 суток составляет 25,0 МПа, а через 28 суток – 40,0 МПа. Это достигается более тонким помолом клинкера и регулированием его минералогического состава: С₃S больше 50 %, С₃А больше 8 %. Интенсификацию процесса твердения БТЦ обеспечивают помолом клинкера до удельной поверхности частиц 350…450 м²/кг. Помол обычного портландцемента ведут до удельной площади поверхности 250…300 м²/кг. В процессе помола в БТЦ вводят повышенное содержание гипса. Содержание активных минеральных добавок должно составлять не более 10 %. Обжиг клинкера ведут при повышенной температуре, а в сырьевую смесь вводят плавни, обеспечивающие лучшее спекание. Стоимость БТЦ выше, чем обычного портландцемента и его рекомендуют применять для случаев, когда это технически и экономически целесообразно: для зимнего бетонирования, для аварийно-восстановительных работ и т.п.

Пластифицированный портландцемент отличается пониженной водопотребностью в условиях равноподвижности. Изделия из него, вследствие повышения плотности отличаются высокой морозо-стойкостью. Его получают путем введения в обычный портландцемент при помоле клинкера поверхностно-активной пластифицирующей добавки, например 0,15…0,25 % от массы цемента пластифицирующей добавки СДБ. Применяют наряду с обычным портландцементом для получения морозостойких бетонов, повышения прочности, экономии цемента, получения удобоукладываемых бетонных смесей.

Гидрофобный портландцемент отличается пониженной гигроскопичностью при хранении и перевозках, а также способностью придавать растворным и бетонным смесям повышенную подвижность и удобоукладываемость, а завтвердевшим изделиям повышенную морозостойкость. Гидрофобный портландцемент получают введением при помоле клинкера гидрофобной добавки (асидола, мылонафта. олеиновой кислоты, окисленного петролатума). Гидрофобный портландцемент в течение 5 мин не должен впитывать воду. Он применяется наряду с обычным для условий, когда требуется длительное хранение.

Гидрофобные добавки придают бетонным смесям воздухововлекающий эффект, что повышает их удобоукладываемость. В затвердевшем цементном камне формируется особая категория воздушных пор с размером 20…50 мкм, придающих изделиям высокую морозостойкость.

Гидрофобный портландцемент наряду с пластифицированным повышают морозостойкость и плотность цементного камня. Их применяют в дорожном, аэродромном и гидротехническом строительстве.

Сульфатостойкий портландцемент обладает повышенной сульфатостойкостью, пониженной экзотермией, замедленным твердением в начальные сроки. Его получают нормированием минералогического состава портландцементного клинкера: C₃S < 50 %, С₃А< 5 %, С₃А + С₄АF < 22 %. По минералогическому составу – это белитовый цемент. Активных и инертных добавок в состав этого цемента не вводят. Предназначен для подводных и подземных сооружений в условиях сульфатной агрессии.

Портландцемент с умеренной экзотермией изготавливается нормированием минералогического состава портландцементного клинкера: C₃S < 50 %, С₃А < 8 %. применяется для возведения массивных сооружений, хорошо противостоит коррозии в пресных, слабоминерализованных водах, морозо и воздухостоек. При твердении выделяет меньше тепла, чем обычный портландцемент, медленно твердеет в ранние сроки.

Белый и цветной портландцементы применяются в декоративных целях. В качестве сырья используются чистые известняки и белые каолиновые глины с минимальным содержанием окрашивающих оксидов: Fe, Cr, Mn. Топливо не должно загрязнять клинкер. В качестве топлива применяют газ или мазут. Белый цемент делят на 3 сорта по степени белизны: БЦ1, БЦ-2, БЦ-3. По прочности выпускается марок 250, 300, 400.

Цветные цементы получают совместным помолом белого портландцемента со свето-, щелочестойкими пигментами. Возможно использование оксидов цветных металлов: Mn - от голубого до черного, Cr – желтый, зеленый и т.п.

Коррозия цементного камня – это процесс его разрушения под влиянием агрессивных факторов окружающей среды. Принято различать три вида коррозии цементного камня.

Коррозия первого вида – разрушение вследствие растворения и вымывания Са(ОН)₂ в мягких проточных водах.

Коррозия второго вида – разрушение водой, содержащей соединения, способные вступать в обменные реакции с Са(ОН)₂. При этом образуются продукты реакции взаимодействия, либо растворимые в воде, либо выделяющиеся в виде непрочных аморфных масс. Например, магнезиальная коррозия:

Углекислотная коррозия происходит при воздействии воды, содержащей свободный диоксид углерода на карбонатную пленку на поверхности бетона, в результате чего образуется хорошо растворимый бикарбонат кальция:

Общекислотная коррозия развивается при действии растворов кислот с образованием растворимых солей. Например:

Коррозия третьего вида. Сульфоалюминатная коррозия состоит в накоплении в порах цементного камня отложений малорастворимых соединений с последующей кристаллизацией прочных кристаллов, объем которых может превысить объем пор цементного камня. При этом в цементном камне развивается внутреннее напряжение, приводящее к разрушению. Продуктом коррозии является эттрингит (гидросульфоалюминат кальция) – который образуется при взаимодействии сульфатов и гидроалюмината кальция.

Щелочная коррозия проявляется при взаимодействии щелочей цемента и реакционоспособных модификаций кремнезема заполнителей с образованием набухающих студенистых отложений белого цвета - силикатов калия и натрия, что также сопровождается увеличением объема. Поверхность бетона вспучивается и шелушится. Появляется сеть трещин.

Для защиты от коррозии применяют гидроизоляцию конструкций из бетона, водоотвод, интенсивно уплотняют бетонную смесь, используют смеси с низким водоцементным отношением. Производят соответствующий подбор вида цемента.

2.3.6. Технические условия на цементы общестроительные

В настоящее время технические требования к цементам регламенти-руются двумя параллельно действующими стандартами: ГОСТ 10178 и ГОСТ 31108-2003. Основным отличием стандарта 31108, гармонизированным с европейским стандартом ЕN 197-1 в сравнении с ГОСТ 10178 состоит в том, что вместо марок введены классы. Значения классов имеют вероятностный характер (доверительная вероятность 95 %). Дополнительно введены требования по прочности в возрасте 2 суток а для классов 22,5Н и 32,5Н – в возрасте 7 сут. Стандарт допускает испытание цементов с использованием полифракционного песка по ГОСТ 30744. Введено разделение цементов по скорости твердения, которая оценивается про прочности в возрасте 2 (7) сут, на нормальнотвердеющие (Н) и быстротвердеющие (Б).

В табл. 2.4. приведены требования по прочности к цементам по ГОСТ 31108-2003.

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: