Строительство. Стройматериалы

Строительные материалы и изделия

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Глиноземистый цемент - быстротвердеющее гидравлическое вяжущее, состоящее преимущественно из моноалюмината кальция (СаО • А1203).

Свое название этот цемент получил от технического названия оксида алюминия А1203 - глинозем.

Однако для его получения требуется иной клинкер (не портландцементный).

Этот цемент является быстротвердеющим вяжущим веществом, набирающим через сутки твердения прочность, которая составляет свыше 85 % марочной.

Получение. Сырьем для глиноземистого цемента служат бокситы и известняки.

Бокситы - горная порода, состоящая из гидратов глинозема (А1203 • пИ20) и примесей (в основном Fe203, Si02, СаО и др.).

Бокситы широко используются в различных отраслях промышленности: для получения алюминия, абразивов, огнеупоров, адсорбентов и т. п., а месторождений с высоким содержанием А1203 очень немного.

Производство глиноземистого цемента более энергоемко, чем производство портландцемента.

Клинкер глиноземистого цемента получают либо обжигом до плавления брикетов в электрических или доменных печах при температуре 1400...1500 °С, либо обжигом шихты до спекания во вращающихся печах при температуре 1200... 1300 °С. Затем следует тонкий размол продукта, который сильно затруднен из-за его высокой твердости.

Состав. Химический состав глиноземистого цемента, получаемого разными методами, следующий: СаО - 35...45 %; А1203- 30...50; Fe203 - 0...15; Si02 - 5... 15 %. В минеральном составе клинкера глиноземистых цементов преобладает одно-кальциевый алюминат СаО • А1203 (СА), определяющий основные свойства этого вяжущего. Кроме того, в нем присутствуют: СА2, С12А7; двухкальциевый силикат C2S, отличающийся, как известно, медленным твердением; в качестве неизбежной балластной примеси - геленит 2СаО ■ А1203 - 2Si02.

Твердение. Процесс твердения глиноземистого цемента и прочность образующегося цементного камня существенно зависят от температуры твердения. При нормальной температуре (до +25 °С) основной минерал цемента СА взаимодействует с водой с образованием кристаллического гидроалюмината кальция и гидроксида алюминия в виде гелевидной массы

2(СаО • А12Оэ) + 11Н20 = 2СаО ■ А1203 • 8Н20 + 2А1(ОН)3 + Q.

Суммарное тепловыделение Q у глиноземистого цемента немного ниже, чем у портландцемента (около 300...400 кДж/кг), но протекает оно в очень короткие сроки (в первые сутки выделяется 70...80 % от общего количества теплоты). Поэтому возможен перегрев бетонов на глиноземистом цементе в случае больших объемов бетонирования.

Если же температура твердеющего глиноземистого цемента превысит 25...30 °С, то процесс твердения изменяется, и вместо С2АН8 образуется С3АН6; при этом прочность цементного камня будет ниже в 2...2,5 раза. Поэтому глиноземистый цемент не рекомендуется использовать для бетонирования массивных конструкций, где возможен саморазогрев бетона, а также в условиях жаркого климата. Изделия на глиноземистом цементе нельзя подвергать тепловой обработке. При работах в зимних условиях, напротив, саморазогрев и быстрое твердение делают глиноземистый цемент очень перспективным.

Свойства. Сроки схватывания глиноземистого цемента почти такие же, как у портландцемента: начало - не ранее 30 мин, конец - не позднее 12 ч (реально 4.. .5 ч). После окончания схватывания прочность нарастает очень быстро (лавинообразно).

Глиноземистый цемент выпускают марок 400, 500 и 600, определенных в трехсуточном возрасте, но уже через одни сутки образцы набирают прочность при сжатии соответственно не менее 23, 28 и 33 МПа.

Усадка глиноземистого цемента при твердении на воздухе ниже, чем у портландцемента в 3...5 раз; пористость цементного камня ниже примерно в 1,5 раза. Это связано с тем, что при одинаковой с портландцементом водопотребности глиноземистый цемент при твердении химически связывает 30...45 % воды от массы цемента (портландцемент - около 20 %).

Среда в процессе твердения и в затвердевшем цементном камне у глиноземистого цемента слабощелочная. Свободного Са(ОН)2 цементный камень не содержит. Это обстоятельство в сочетании с пониженной пористостью делает бетоны на глиноземистом цементе более устойчивыми к коррозии в пресной и минерализованной воде.

Применение. Глиноземистый цемент целесообразно использовать при аварийных и срочных работах, при зимнем бетонировании и в тех случаях, когда от бетона требуется высокая водостойкость и водонепроницаемость.

Специальная область применения глиноземистых цементов -жаростойкие бетоны. Объясняется это тем, что, во-первЫх, в продуктах твердения этого цемента отсутствует Са(ОН)2 (при нагреве переходит в СаО, который при контакте с водой гасится с увеличением объема) и, во-вторых, при высокой температуре (700...800 °С) между продуктами твердения цемента и заполнителями бетона начинаются реакции в твердой фазе, по мере протекания которых прочность бетона не падает, а повышается, так как бетон превращается в керамический материал.

Кроме того, глиноземистый цемент является компонентом многих расширяющихся цементов, которые даже при твердении на воздухе имеют небольшое увеличение в объеме. Безусадочные цементы - это расширяющиеся цементы, у которых расширение только компенсирует усадку. Поэтому такие цементы как бы сами уплотняют себя, делая бетон водонепроницаемым. Если расширяющиеся цементы используются в железобетонных конструкциях, то эффект расширения вяжущего может вызывать натяжение арматуры и сжатие самого бетона, что дополнительно защитит его от образования трещин (параграф 13.1). Такие цементы называют напрягающими.

Эффект расширения вяжущего может быть достигнут различными методами, например путем гашения свободного СаО, добавляемого в твердеющее вяжущее, либо с помощью образования эттрингита - гидросульфоалюмината кальция ЗСаО • • А1203 * 3CaS04 • (31...32)Н20. Последнее возможно при взаимодействии алюминатов и сульфатов кальция в водной среде.

В твердеющем материале протекают два процесса - расширение, обусловленное процессом кристаллизации эттрингита (или гашения СаО) с увеличением объема новообразований и ростом внутренних растягивающих напряжений, и препятствующий расширению процесс - рост прочности самого цементного камня. Если рост расширяющихся новообразований будет протекать при недостаточной прочности цементного камня, то податливая гелеобразная масса будет сжиматься и заметного расширения не произойдет. И наоборот, если рост расширяющихся новообразований будет продолжаться, когда цементный камень набрал достаточно высокую прочность, то напряжения, обусловленные ростом кристаллов в ограниченном объеме, могут вызвать падение прочности и даже разрушение цементного камня.

В свою очередь деформации расширения могут быть свободными и связанными, т. е. когда расширение цементного камня ограничено арматурой или кондуктором (формой). Деформации бетона при свободном расширении выше, чем при связанном, что обусловлено низкой прочностью цементного камня в раннем возрасте и его неспособностью напрягать кондуктор, а в более позднем возрасте - появлением микро- и макротрещин, которые увеличивают свободное расширение, но не вызывают дополнительного самонапряжения.

Связанные деформации вызывают самонапряжение, противодействуют развитию усадочных деформаций и способствуют самоуплотнению цементного камня, усилению контакта камня с заполнителем и кристаллизационных контактов. При изготовлении преднапряженных железобетонных конструкций в этом случае меньше потери преднапряжения и выше трещиностойкость получаемых изделий.

Главной задачей при разработке составов расширяющихся и безусадочных вяжущих является правильный выбор не только вида и количества расширяющихся компонентов, но и момента их образования относительно процесса формирования структуры цементного камня. Для различных видов расширяющихся цементов период наиболее интенсивного и безопасного расширения цементного камня составляет от 12 ч до 3...7 сут. в зависимости от свойств основного структурообразующего вяжущего.

Для обеспечения образования эттрингита в смесях с безусадочными и расширяющимися цементами должна присутствовать вода в продолжение всего периода твердения. Кроме того, эти Цементы нельзя применять при работе конструкций при температурах выше 80 °С, так как постепенно разрушается важный кристаллический компонент цементного камня - эттрингит: он отдает кристаллизационную воду, что сопровождается падением прочности.

Расширяющийся водонепроницаемый цемент получают совместным помолом глиноземистого цемента (70 %), гипса (20 %) и высокоосновного гидроалюмината кальция C4AHi3 (10 %). Он является быстросхватывающимся и быстротвердеющим гидравлическим вяжущим веществом (RcyK через 6 ч - не менее 7,5 МПа, через 3 сут. - не ниже 30 МПа).

Линейное расширение твердеющего цемента на воздухе составляет в возрасте 1 сут. не менее 0,05 %, в возрасте 28 сут. -не менее 0,02 %. Цемент используют при восстановлении железобетонных конструкций, для гидроизоляции подземных сооружений, зачеканки трещин и стыков.

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент получают совместным помолом высокоглиноземистых шлаков (70 %) и двуводного гипса (30 %). Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент имеет начало схватывания не ранее 20 мин и конец схватывания не позднее 4 ч от начала затворения. При необходимости могут использоваться замедлители сроков схватывания -ЛСТ, бура, уксусная кислота и др. Линейное расширение твердеющего цемента в состоянии теста нормальной густоты при твердении на воздухе составляет в возрасте 28 сут. не менее 0,1 %. Предел прочности при сжатии через 1 сут. твердения составляет 35 МПа для марки 400 и 45 МПа - для марки 500. Марки цемента соответствуют трехдневному возрасту. Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент применяют для получения безусадочных и расширяющихся водонепроницаемых бетонов, гидроизоляционных штукатурных растворов, при бурении скважин и т. п. Он обладает морозо- и атмосферостойкостью в растворах и бетонах, изготовляемых на его основе.

Напрягающийся цемент (НЦ) получают совместным помолом клинкера портландцемента (65...75 %), двуводного гипса (6... 10 %) и высокоглиноземистого компонента (13...20 %)• Сроки схватывания: начало - не ранее 30 мин, конец - не позднее 4 ч. Прочность через' 1 сут. - не менее 15 МПа, через 28 сут. - не менее 50 МПа.

Напрягающий цемент обладает способностью к значительному расширению (до 4 %) при твердении в состоянии цементного теста нормальной густоты. В железобетоне НЦ создает после отвердевания в арматуре предварительное напряжение. Этим свойством как функцией химической энергии цемента пользуются при изготовлении предварительно напряженных железобетонных конструкций. С учетом величины достигаемой энергии самонапряжения, т. е. удельного давления в МПа, развиваемого при твердении НЦ в условиях ограничения свободного расширения, выделяют его разновидности НЦ-2, НЦ-4 и НЦ-6. Напрягающий цемент отличается также повышенными показателями водо- и газонепроницаемости, морозостойкости, прочности при растяжении и изгибе. Марки цемента (400 и 500) определяются испытанием образцов-балочек из цементно-песчаного раствора состава 1 : 1 в возрасте 28 сут.

Напрягающий цемент применяют для изготовления конструкций из самонапряженного железобетона, а также для гидроизоляции шахт, подвалов, зачеканки швов и т. д.

Перспективная область применения бетонов и растворов на расширяющихся и безусадочных вяжущих - бесшовные тонкослойные стяжки или лицевые покрытия полов большой площади. С помощью полимерных модификаторов таким смесям придают свойство самовыравнивания, а эффект безусадочности гарантирует трещиностойкость покрытия. Быстрое твердение и защитные полимерные добавки обеспечивают необходимое количество воды для протекания полной гидратации без какого-либо специального ухода.