Книги по строительству

 Свойства бетона

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Прочие портландцементы

Среди многих специальных цементов представляет интерес цемент для защиты от бактериологических воздействий — противобактериальныи цемент, получаемый совместным тонким измельчением портландцементного клинкера с противобактериальной добавкой, которая препятствует микробиологической ферментации. Бактериологическому воздействию подвергаются бетонные полы фабрик пищевой промышленности, где выщелачивание цемента кислотами сопровождается ферментацией, вызываемой бактериями в присутствии влаги. Противобактериальныи цемент может быть также успешно использован в плавательных бассейнах, o6j-щественных банях и других местах, где возможно присутствие бактерий или плесени.

Еще одним типом специального цемента является так называемый гидрофобный цемент, который сохраняет свои свойства при длительном хранении в неблагоприятных условиях. Гидрофобный цемент получают совместным тонким измельчением портландцементного клинкера и олеиновой кислоты в количестве 0,1—0,4*. В качестве гидрофобизующей добавки могут быть также использованы стеариновая кислота или пен-тахлорфенол. Эти добавки создают лучшие условия для помола клинкера, чему, возможно, способствуют электростатические силы, возникающие в результате полярной ориентации молекул кислоты на поверхности цементных частиц.

Олеиновая кислота взаимодействует с щелочами цемента с образованием вспенивающих продуктов — олеатов кальция и натрия, что создает воздухововлечение. При помоле клинкера целесообразно добавлять трибутилфосфат, если воздухововлечение нежелательно.

Гидрофобные свойства цемента объясняются образованием водоотталкивающих пленок на поверхности цементных зерен. При перемешивании бетонной смеси эти пленки снимаются и происходит нормальная гидратация цемента. Однако прочность этого цемента в раннем возрасте понижена.

Гидрофобный цемент аналогичен по внешнему виду обычному портландцементу, он имеет характерный запах плесени. При транспортировании этот цемент кажется более подвижным, чем портландцемент.

Гидрофобные цементы не следует отождествлять с гидроизоляционными цементами, назначение которых — придать бетону водонепроницаемость. Имеются различные мнения об эффективности применения водонепроницаемых цементов.

Кладочные цементы, применяемые для приготовления строительных растворов для каменной кладки, получают совместным тонким измельчением портландцементного клинкера, известняка и воздухововлекаю-щей добавки или портландцементного клинкера, гашеной извести, гранулированного доменного шлака или инертного заполнителя и воздухо-вовлекающей добавки. Строительные растворы на кладочных цементах характеризуются большей пластичностью, водоудерживающей способностью и меньшей усадкой, чем на портландцементе. Прочность кладочного цемента ниже, чем у обычного портландцемента, но это не является недостатком при применении цемента для каменной кладки.

Романцемент

Так называют природные цементы, получаемые тонким измельчением обожженных известняковых мергелей, содержащих около 25% глинистых примесей. Этот цемент занимает промежуточное положение между портландцементом и гидравлической известью.

Так как температура обжига значительно ниже температуры спекания, романцемент не содержит практически C3S и, следовательно, характеризуется замедленным твердением. Различные романцементы в значительной мере отличаются друг от друга по своим свойствам, так как корректировка их состава путем добавки тех или иных недостающих компонентов не производится. По этой причине, а также по ряду экономических причин романцементы в настоящее время производятся в незначительных количествах. В США производство романцемента составляет не более 1% общего производства портландцементов.

Расширяющиеся цементы

Во многих случаях является желательным применение цемента, который не уменьшал бы свой объем в результате усадочных деформаций или даже в особых случаях расширялся при твердении.

Во Франции цементы этого типа разработаны Лосье, который использовал смесь портландцемента, расширяющегося компонента и стабилизатора 1.

Расширяющийся компонент получают обжигом смеси гипса, бокситов и мела, в результате образуются сульфат кальция и алюминат кальция (в основном С5А3). В присутствии воды эти компоненты взаимодействуют друг с другом с образованием гидросульфоалюмината кальция, что сопровождается расширением цементного камня. Стабилизатор, в качестве которого применяют доменный гранулированный шлак, медленно нейтрализует избыток сульфата кальция и способствует постепенному прекращению расширения. Для получения требуемой величины расширения необходимо очень тщательно выдерживать соотношение между отдельными составляющими цемента. Обычно примерно 8—20% весовых частей сульфоалюминатного клинкера перемешивают со 100 весовыми частями портландцемента и 15 частями стабилизатора.

Так как расширение цемента происходит только во влажных условиях, уход за бетоном в период твердения должен тщательно контролироваться, а использование расширяющегося цемента требует мастерства и опыта.

Строго говоря, использование расширяющегося цемента в бетоне не делает бетон безусадочным, так как усадка имеет место после того, как влажностное твердение уже прекратилось, но величина расширения может быть установлена такой, чтобы расширение и последующая усадка были одинаковыми.

Другой тип расширяющегося цемента, так называемый высокоактивный расширяющийся цемент, получают совместным помолом порт-ландцементного клинкера, клинкера глиноземистого цемента и гипса в соотношении 65:20: 15. Расширение происходит благодаря образованию гидросульфоалюмината кальция, как в цементе Лосье, и развивается в течение 2—3 суток после затворения цемента водой.

Высокоактивный расширяющийся цемент является быстросхватыва-ющимся и быстротвердеющим вяжущим, достигающим прочности свыше 70 кгс/см2 через бчи 490 кгс/см2 через 28 суток. Цемент характеризуется высокой стойкостью к сульфатной коррозии.

Расширяющиеся цементы применяют в довольно ограниченном масштабе, и прежде, чем они найдут более широкое распространение, необходимо дальнейшее усовершенствование этих цементов.

Глиноземистый цемент

В начале этого столетия исследование способов защиты бетонных конструкций на портландцементах от действия вод, содержащих гипс, привело Жюля Бида во Франции к открытию глиноземистого цемента. По своему составу и некоторым свойствам этот цемент значительно отличается от портландцемента, но техника бетонирования такая же.

В состав цемента входит примерно 40% окиси алюминия (глинозема), 40% окиси кальция, до 5% двуокиси кремния (кремнезема), а также некоторое количество окислов железа.

Следует отметить, что производство глиноземистого цемента отличается от получения портландцемента тем, что сырьевая шихта в первом случае полностью расплавляется в печи. Поэтому во Франции один из видов глиноземистого цемента получил название «плавленый цемент». Это же торговое название цемента распространено теперь и в Англии. Глиноземистый цемент выпускается также под другими фирменными' названиями, например, «Лайтнинг-цемент» (Англия) и «люмнит» (США).

Химико-минералогический состав

Химический состав глиноземистого цемента, выпускаемого в Англии, характеризуется содержанием следующих окислов (в %): SiO2— 3,5—5,5; А12О3—37—41; СаО—35—39; Fe2O3—9—10; FeO—5—6; ТЮ2— 1,5—2; MgO — 1; нерастворимый остаток—1. В соответствии с BS 915: 1947 минимальное содержание глинозема должно составлять 32%, а отношение глинозем : известь—0,85—1,3. Минералогический состав глиноземистого цемента изучен значительно меньше, чем состав портландцемента. Основными минералами глиноземистого цемента являются низкоосновные алюминаты кальция: СА и С5А3. В настоящее время считают, что состав последнего точнее характеризуется формулой С12А7. В цементе также содержатся следующие соединения: C6A4-FeO-S и изоморфический C6-A4-Mg0-S. Количество C2S или C2AS в глиноземистом цементе составляет несколько процентов. В небольшом количестве присутствуют и некоторые другие компоненты. В глиноземистом цементе свободная известь отсутствует, поэтому определение равномерности изменения объема цемента при твердении не является важным, для глиноземистых цементов, хотя BS 915: 1947 предусмотрено проведение стандартных испытаний по методу Ле Шателье.

Гидратация

Однокальциевый алюминат характеризуется повышенной интенсивностью роста прочности. Его гидратация происходит с образованием САН10, небольшого количества С2АН8 и глиноземистого геля (А12О3 aq).

Со временем эти гексагональные гидраты, неустойчивые как при нормальных, так и при повышенных температурах, переходят в кубические кристаллы С3АН6 и гель гидрата окиси алюминия. Процесс перекристаллизации ускоряется при повышении температуры и концентрации извести или возрастании щелочности в растворе.

Полагают, что продуктом гидратации С5А3 является С2АН8, а продуктом гидратации C2S будет CSH. Известь, образованная при гидролизе, взаимодействует с избытком глинозема, поэтому Са(ОН)2 отсутствует среди продуктов гидратации. Реакции гидратации прочих составляющих, в частности железосодержащих соединений, пока еще недостаточно изучены, однако известно, что железо в составе стекла является инертным компонентом.

Для полной гидратации глиноземистого цемента необходимо 50% воды от веса сухого цемента, что примерно в два раза превышает количество воды, требуемой для гидратации портландцемента. Поэтому смеси с водоцементным отношением менее 0,5 еще в недавнем прошлом не рекомендовались для применения. Однако в последнее время применение высоких водоцементных отношений признано нецелесообразным и наиболее предпочтительными считают смеси состава 1 : 7 или даже 1: 9 с водоцементным отношением 0,35. Уплотнение бетонной смеси путем вибрации является необходимым. Поскольку глиноземистый цемент при гидратации химически связывает большее количество воды, чем портландцемент, то при одинаковых составах бетон на глиноземистом цементе характеризуется более низкой пористостью и, следовательно, более высокой непроницаемостью.

Химическая стойкость

Как отмечалось ранее, глиноземистый цемент был впервые разработан как сульфатостойкий цемент, и он действительно является таковым. Повышенная стойкость к сульфатной агрессии объясняется отсутствием Са(ОН)2 в гидратированном глиноземистом цементе, а также защитным влиянием сравнительно инертного геля и гидрата окиси алюминия, образованного в процессе гидратации. Следует отметить, что смеси более тощего состава, чем 1 : 8, характеризуются значительно меньшей сульфатостойкостью.

Глиноземистый цемент не подвергается воздействию растворенного в воде углекислого газа, и, следовательно, его применение целесообразно в производстве труб. Этот цемент не является кислостойким, однако он может довольно хорошо противостоять действию слабых растворов ряда кислот (рН более 3,5—4), содержащихся в промышленных сточных водах, за исключением хлорноватой, фтористой и азотной кислот. С другой стороны, едкие щелочи, даже в слабых растворах, оказывают сильное агрессивное действие на глиноземистый цемент, растворяя гелеобразный глинозем. Химическая стойкость этого цемента к воздействию различных химических соединений изучена Хасси и Робсоном. Следует отметить, что, хотя глиноземистый цемент очень хорошо противостоит действию морской воды, ее не следует применять в качестве воды затворения. Морская вода отрицательно влияет на схватывание и твердение цемента, по-видимому, вследствие образования хлоралюминатов. По этой же причине хлористый кальций ни при каких условиях не следует добавлять к глиноземистому цементу.

Еще одним важным достоинством глиноземистого цемента является высокая скорость нарастания его прочности. Около 80% конечной прочности цемента достигается в возрасте 24 ч. Уже в возрасте 6—8 ч бетон на глиноземистом цементе достаточно прочен для того, чтобы произвести распалубку и проводить подготовку к следующему этапу бетонирования. На рис. 2.6 приведены кривые роста прочности во времени опытных образцов-цилиндров, изготовленных из бетона с различными водоцементными отношениями и твердевших при комнатной температуре.

Бетон на глиноземистом цементе с заполнителем — глиноземистым клинкером при водоцементном отношении 0,5 — может достичь прочности 980 кгс/см2 за 24 ч и 1260 кгс/см2 за 28 суток. Такая чрезвычайно высокая прочность достигается благодаря вяжущим свойствам заполнителя, однако стоимость этого заполнителя очень высокая.

Следует подчеркнуть, что ускоренное твердение не вызывает ускоренного схватывания. В действительности, глиноземистый цемент — это медленно схватывающееся вяжущее, хотя интервал между концом и началом схватывания у глиноземистого цемента меньше, чем у портландцемента. Например, средние значения сроков начала и конца схватывания у глиноземистых цементов соответственно составляют: у цемента А — 4 ч 40 мин и 5 ч 30 мин, у цемента В — 5 ч 20 мин и 5 ч 35 мин. BS 915: 1947 предусматривает, чтобы срок начала схватывания находился в пределах 2—6 ч, а срок конца схватывания наступал не позднее чем через два часа после начала схватывания. Из минералов клинкера глиноземистого цемента С5А3 схватывается в течение нескольких минут, в то время как СА схватывается значительно медленнее. Поэтому чем выше для цемента отношение С/А, тем быстрее происходит схватывание. С другой стороны, чем выше содержание стеклообразных фаз в цементе, тем медленнее он схватывается.

На сроки схватывания глиноземистого цемента существенно влияют добавки гипса, извести, портландцемента и органических веществ, поэтому их не следует использовать в качестве добавок.

Вероятно, быстрое схватывание С5А3 является в некоторых случаях причиной потери удобоукладываемости бетонными смесями на глиноземистом цементе, которая наступает в пределах 15—20 мин после начала перемешивания смеси. На рис. 2.7 показано изменение коэффициента уплотнения во времени для бетона состава 1:2:4 с водоцементным отношением 0,5. Измерение подвижности бетонной смеси по осадке конуса не рекомендуется, поскольку в отличие от портландцемента глиноземистый цемент не дает эффекта «жирной» смазки.

Можно отметить, что при одинаковых составах бетона бетонные смеси на глиноземистом цементе обладают лучшей удобоукладываемостью, чем смеси на портландцементе. Это объясняется, по-видимому, меньшей суммарной поверхностью зерен глиноземистого цемента, который в результате полного расплавления сырьевой шихты при его производстве приобретает более гладкую (остеклованную) поверхность зерен, чем портландцемент.

Ползучесть бетона на глиноземистом цементе мало отличается от ползучести бетона на портландцементе, если ее сравнивать при одинаковой степени напряженности.

Влияние температуры

Высокая интенсивность нарастания прочности глиноземистого цемента является следствием его быстрой гидратации, которая в свою очередь вызывает интенсивное тепловыделение. Оно может составить 9 кал/г на 1 ч твердения, в то время как у быстротвердеющего портландцемента тепловыделение за тот же период не превышает 3,5 кал/г. Однако общее тепловыделение находится в одних и тех же пределах у обоих типов цемента.

Высокая скорость тепловыделения бетона на глиноземистом цементе обусловливает необходимость укладки бетона лишь малыми объемами и не позволяет бетонировать на этом цементе массивные конструкции. Это требование является особенно важным, так как, во-первых, температурные деформации вызывают трещинообразование, что характерно также для бетонов на портландцементе, и, во-вторых, повышенная температура сама по себе отрицательно влияет на прочность глиноземистого цемента. Влияние температуры очевидно из данных табл. 2.3, где приведены значения прочности бетонов, твердевших в течение первых 24 ч при температуре 21,1 и 37,8° С и твердевших в дальнейшем при температуре 21,1° С. Эти данные подтверждают значительное снижение прочности при повышенных температурах.

Твердение во влажных условиях в течение первых 24 ч может способствовать снижению роста температуры, хотя сами по себе влажные условия не являются необходимыми. Тем не менее интенсивный рост прочности в интервале б—14 ч после приготовления смеси означает, что скорость гидратации в этот период очень велика и значительное количество воды затворения вступает в химическое взаимодействие. Удовлетворительная гидратация не может быть достигнута, если вода испаряется из бетона в течение первых 18 ч, даже если бетон в дальнейшем хранится в воде. Поэтому следует предохранять бетон от испарения воды с момента его укладки. После наступления конца схватывания влаж-ностные условия твердения должны поддерживаться до возраста бетона 18—24 ч.

На прочность бетона на глиноземистом цементе отрицательно влияет повышенная температура также и в позднем возрасте, если бетон хранится во влажных условиях. Это означает, что бетон, должным образом уложенный и твердевший и обладающий достаточно высокой прочностью, будет терять значительную часть своей прочности вследствие нахождения в условиях повышенной температуры и влажности.

Кубический гидрат содержит меньше кристаллизационной воды, чем гексагональный. Однако возможно, что образуется С4АН19-гидрат с большим количеством кристаллизационной воды.

Изменение прочности можно проследить по кривым на рис. 2.8, которые характеризуют потерю прочности цементно-песчаного раствора состава 1: 5,6 с В/Ц=0,65 в результате длительного твердения в воде при температуре 40°С. Прочность этого же раствора, твердевшего в воде при комнатной температуре, составила 520 KZCJCM2 В возрасте 3 суток и 577 кгс/см2 в возрасте 14 суток. Тот же рисунок показывает, что падение прочности происходит также при умеренно повышенных температурах, а именно 25 и 30°С. В этих испытаниях образцы помещали в условия повышенной температуры в возрасте 6 ч. Подобное воздействие было обнаружено и при хранении образцов над водой. Повышение температуры твердения в течение первых двух суток ускоряет химические реакции, повышая таким образом прочность, однако это не имеет практического значения, так как в дальнейшем прочность падает и скорость падения прочности тем больше, чем выше температура. Падение прочности может происходить в любом возрасте при повышении температуры (рис. 2.9), хотя, если температура повышается спустя 24 ч, после бетонирования, скорость снижения прочности уменьшается.

Вне зависимости от скорости падения прочности бетон данного состава достигает со временем определенной остаточной прочности, т. е. прочности бетона, в цементном камне которого весь гексагональный гидроалюминат кальция уже превратился в устойчивый кубический С3АН6. Бетоны из тощих смесей характеризуются большей потерей прочности.

Кратковременное нахождение бетона в условиях повышенных тем-ператур и влажности вызывает лишь небольшую потерю прочности, но это воздействие носит кумулятивный характер — если превращения уже произошли, восстановление прочности невозможно.

Исследования, проведенные недавно, показали, что превращения происходят не только при температурах, превышающих определенные критические значения, но и при обычных характерных для Англии. Скорость превращений тем меньше, чем ниже температура. При обычных температурах эти превращения очень медленные. Поэтому снижение прочности обычно наблюдается только примерно через 5 лет. В длительные сроки потеря прочности, тем не менее, довольно значительна

Как упоминалось ранее, высохший бетон не подвергается деструкции, однако если повышенная температура воздействует на образец, еще содержащий воду затворения в свободном состоянии, то скорость испарения недостаточно велика для того, чтобы предотвратить процесс перекристаллизации (деструкции) цементного камня. Это справедливо даже для образцов малого размера, так как бетон высокого качества на глиноземистом цементе недостаточно проницаем, чтобы обеспечить быстрое испарение воды.

В Италии было обнаружено, что плиты аэродромных покрытий быстро разрушались под действием выхлопных самолетных газов. Известно, что сбросы прочности бетона на глиноземистом цементе наблюдаются и тогда, когда радиационное или инфракрасное излучение воздействует на влажный бетон, например сразу после его укладки.

Из сказанного следует, что за исключением бетонов с повышенным расходом цемента и высокой прочностью бетоны на глиноземистом цементе, как правило, не следует применять в конструктивных элементах. Европейский комитет по бетону рекомендует, чтобы применение глиноземистого цемента было предметом специального рассмотрения.

Перекристаллизация гидроалюминатов увеличивает пористость цементного камня, поэтому сбросы прочности сопровождаются заметным уменьшением стойкости бетона к сульфатной агрессии, но, по-видимому, на стойкости к кислотной агрессии это не сказывается. Учитывая сравнительно небольшое снижение прочности бетона, приготовленного из жирных смесей, применение растворов на глиноземистом цементе для омоноличивания стыков сборных предварительно напряженных конструкций не является опасным, однако все же во многих странах использование бетона на глиноземистом цементе запрещено в целом ряде конструкций.

Интересный способ предупреждения отрицательного влияния превращений гидроалюминатов предложен Будниковым. Гипс или ангидрит (CaSO4) добавляют к глиноземистому цементу в количестве 25% веса цемента. Алюминаты (СА и С5А3) взаимодействуют с гипсом с образованием C3A-3CaSO4-H3i, но так как реакция происходит до окончания схватывания смеси и стабилизации объема, образование гидросульфо-алюмината кальция не вызывает разрушительных действий (см. раздел, посвященный сульфатной агрессии). Затвердевший цемент быстро набирает прочность и достигает высокой прочности, величина которой возрастает с ростом температуры. Цемент характеризуется также высокой стойкостью к химическому воздействию сульфатов и хлоридов. Добавка гипса способствует преодолению отрицательного влияния перекристаллизации, она в действительности изменяет природу цемента: получается новый вид цемента — ангидрито-глиноземистый цемент.

Жаростойкие свойства

Затвердевший бетон на глиноземистом цементе, нагретый до высокой температуры, обладает удовлетворительной прочностью. Сопротивление глиноземистого цемента нагреванию в сухих условиях в действительности настолько велико, что этот цемент является одним из отличных жаростойких материалов. Это в значительной степени обусловлено образованием керамического сцепления вместо цементного гидравлического. Во избежание перекристаллизации, вызываемой повышением температуры в раннем возрасте, необходимо, чтобы бетон твердел во влажных условиях при комнатной температуре в течение первых 24 ч после приготовления.

Бетон, приготовленный на глиноземистом цементе с огнеупорным заполнителем, таким как щебень из огнеупорного кирпича, является стойким к температурам до 1300° С. Для температур до 1600° С необходимо использовать специальные заполнители, например, плавленый глинозем или карборунд. Температуру порядка 1800° С выдерживают бетоны, приготовленные из специального белого кальциево-глиноземистого цемента с плавленым глиноземистым заполнителем. Этот цемент содержит примерно 72% глинозема, 26% окиси кальция, по 1% окислов железа и кремния. Его минералогический состав приближается к С3А5. Для сравнения можно отметить, что бетон на портландцементе не может длительно выдерживать воздействие температуры свыше 500° С.

Жаростойкий бетон на глиноземистом цементе характеризуется хорошей стойкостью к кислотной агрессии, и нагревание до 900—1000° С заметно увеличивает кислотостойкость этого бетона.

Применение жаростойкого бетона более предпочтительно по сравнению с огнеупорной кирпичной кладкой, так как последняя расширяется при нагревании, что требует устройства температурных швов. Бетон на глиноземистом цементе может быть применен в монолитном или сборном исполнении (со стыками впритык) точно по требуемым форме и размеру. Потеря воды при первом нагревании вызывает усадку, примерно равную по значению термическому расширению. При охлаждении, вызванном, например, остановкой работ, стыки могут несколько приоткрываться в результате термического сжатия, однако при повторном нагревании они будут снова закрываться. При температурах до 950° С для теплоизоляции может быть использован легкий бетон на глиноземистом цементе и легком заполнителе. Такой бетон характеризуется плотностью 480—960 кгс/м2

Схватывание смеси из портландцемента и глиноземистого цемента

Как уже отмечалось, схватывание смесей из портландцемента и глиноземистого цемента происходит ускоренно, а при содержании одного из этих цементов в пределах 20—80% веса смеси может произойти мгновенное схватывание. Общий вид кривых, подтверждающих эту закономерность, приведен на рис. 2.11, однако для конкретных цементов необходимо проводить пробные испытания. Ускоренное схватывание происходит в результате образования гидрата С4А при взаимодействии извести из портландцемента и алюмината кальция из глиноземистого цемента. Кроме того, гипс, содержащийся в портландцементе, может взаимодействовать с гидроалюминатом кальция, и в результате может произойти схватывание портландцемента.

Смеси этих цементов в надлежащих пропорциях применяют тогда, когда необходимо быстрое схватывание, например для заделки течей, или в конструкциях, возводимых в зоне прилива-отлива, однако конечная прочность бетона из таких смесей весьма низкая.

Принимая во внимание только что описанное быстрое схватывание смесей из портландцемента и глиноземистого цемента, важно при изготовлении обычных бетонных конструкций быть уверенным, что эти цементы не будут смешаны друг с другом. Укладка портландцементного бетона на отвердевший бетон из глиноземистого цемента может быть произведена не ранее чем через 24 ч, а укладывать бетон из глиноземистого цемента на отвердевший портландцементный бетон следует не менее чем через 3—7 суток.