Книги по строительству и ремонту

Строительные материалы

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

1. ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ИЗВЕСТЬ   

Гидравлическая известь — продукт умеренного обжига при температуре 900—1100° С мергелистых известняков, содержащих 6—20% глинистых примесей. При обжиге мергелистых известняков при разложении углекислого кальция часть образующейся СаО соединяется в твердом состоянии.с окислами SiCb, АЬО.з, Fe2O3, содержащимися в минералах глин, образуя силикаты 2СаО • БЮг, алюминаты СаО • А12О3 и ферриты кальция 2СаО • F-егОз, обладающие способностью твердеть не только на воздухе, но и в воде

Так как в гидравлической извести содержится в значительном количестве свободная окись кальция СаО, то она, так же как и воздушная известь, гасится при действии воды, причем чем больше содержание свободной СаО, тем меньше способность к гидравлическому твердению. Строительную гидравлическую известь выпускают в виде тонкоизмельченного порошка, при просеиваний которого остаток частиц на сите № 009 не должен превышать 10%.

Кроме глинистых и песчаных примесей мергелистые известняки обычно содержат до 2—5% углекислого магния и некоторые другие примеси. Для производства гидравлической извести необходимо применять мергелистые известняки с возможно более равномерным распределением глинистых и других включений, так как от этого в значительной сте-.пени зависит качество получаемого продукта

Для гидравлических известен этот модуль колеблется в пределах 1,7—9.

Различают гидравлическую известь двух видов:   слабогйдравличе-скую с модулем 4,5—9 и сйльногидравлическую с модулем 1,7—4,5. Если продукт обжига имеет гидравлический модуль менее 1,7, то его относят к-романцемёнту (т=1-,1—1,7), если же более 9, то к воздушной извести. Гидравлическая известь, затворенная водой, после предварительного твердения на воздухе продолжает твердеть и в воде, при этом физико-химические процессы воздушного твердения сочетаются с гидравлическими. Гидрат окиси кальция при испарении влаги постепенно кристаллизуется, а под действием углекислого газа подвергается -карбонизации.

2. РОМАНЦЕМЕНТ

Романцемент — продукт тонкого помола обожженных не до.спекания чистых и доломитйзированных мергелей, содержащих не менее 25% глинистых примесей. Для регулирования свойств в романцемент вводят до 15% активных минеральных добавок и до 5% природного двуводно-го гипса.

Сырьем для производства романцемента служат мергели — природная смесь углекислого кальция и глшу Наиболее желательны мергели с таким сочетанием известняка и глин, при котором в процессе обжига не до спекания получается продукт, не содержащий свободной окиси кальция. Это мергели с невысоким содержанием углекислого кальция и гидравлическим модулем, равным 1,1 —1,7.1 Производство романцемента заключается в добыче мергеля, его дроблении на куски требуемого размера, обжиге и последующем помоле обожженного материала. Обжиг сырья ведут в основном в шахтных, а иногда и во вращающихся печах при температуре 1000—1100° С. Помол обожженного материала в шаровых мельницах лучше производить совместно с гипсом и активными' минеральными добавками, так как при этом получается более однородный продукт.

Схватывание и твердение романцемента   основано   на   гидратации силикатов и алюминатов кальция, аналогичных имеющимся в гидравлической извести и в. основном составляющих романцемент. Начало схватывания романцемента должно наступать через 15 мин, а конец схватывания — не позднее 24 ч с момента затворения водой.

Романцемент— медлеинотвердеющее вяжущее вещество соотносительно низкой марочной прочностью. Различают марки 25, 50 и. 100. Марку определяют по значению предела прочности при сжатии образцов, изготовленных из жесткого раствора состава 1 : 3 (по весу) и испытанных через. 28 сут.-комбинированного хранения (7 сут. во влажной среде и 21 сут. в воде). Тонкость помола романцемента характеризуется остатком на сите № 02 не более 5%, а на сите № 008 не более 25%.'

^Применяют романцемент для штукатурных и кладочных строительных растворов, а также для бетонов низких марок; может быть использован в производстве стеновых камней и мелких блоков, особенно с применением термообработки паром.

3. ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ

Портландцемент является основным материалом в современном промышленном, гражданском, жилищном, сельскохозяйственном, гидротехническом и дорожном строительстве. Бурный рост строительства в нашей стране обусловил невиданные темпы производства цемента — с 15 млн. т в 1953 г. до 95 млн. т в 1970 г. Непрерывно улучшается качество цемента .и,-в. частности, повышаются его прочностные показатели — средняя марка портландцемента превысила 500.

Состав портландцемента

Портландцементом называется гидравлическое йяжуЩёе вещество, твердеющее в воде и на воздухе, получаемое тонким измельчением обожженной до спекания сырьевой смеси известняка и глины, обеспечивающей преобладание в клинкере силикатов кальция. Спекшаяся сырьевая смесь в виде зерен размером до 40 мм называется клинкером; .от качества его зависят важнейшие свойства цемента: прочность и скорость ее нарастания, долговечность, стойкость в различных эксплуатационных условиях

Для регулирования сроков схватывания цемента к клинкеру при помоле добавляют гипс в количестве не менее 1,5 и не более 3,5% веса цемента в пересчете на ангидрид серной кислоты SO3. Портландцемент можно выпускать без добавок или с.активными минеральными добавками в количестве до 15% от веса цемента.

Качество клинкера зависит от его химического и минералогического составов.

Известняк, используемый для производства портландцемента, в основном состоит из двух окислов — СаО и СОг, а глина — из различных минералов, содержащих в основном окислы S1O2, А1гО3, РегОз- В процессе обжига сырьевой смеси СО2 удаляется, а оставшиеся окислы СаО, SiO2, А12О3 и Fe2O3 образуют клинкерные минералы. Химический состав портландцементного клинкера характеризуется следующим процентным содержанием основных окислов

Повышенное содержание окиси кальция (при условии обязательного связывания его в химическое соединение с кислотными окислами) свидетельствует о повышенной скорости твердения портландцемента, его высокой прочности и несколько пониженной водостойкости. Повышенное содержание кремнезема замедляет сроки твердения цемента в начальный период при достаточно интенсивном нарастании прочности в длительные сроки; такие цементы отличаются повышенной водостойкостью. Повышенное содержание АЬОз способствует ускоренному твердению цемента в первые сроки, но цемент характеризуется пониженной водостойкостью, сульфатостойкостью и морозостойкостью. Окись железа способствует снижению температуры спекания клинкера и повышению стойкости цемента к действию сульфатных вод.

Кроме основных окислов в портландцементном клинкере могут присутствовать и другие окислы: окись магния MgO, щелочные окислы КгО и Na2O, снижающие качество цемента. Окись магния, обожженная при температуре около 1500° С, при взаимодействии с водой очень медленно гасится и вызывает появление трещин в уже затвердевшем растворе или бетоне. Наличие в цементе свыше 1% щелочных окислов может вызвать разрушение отвердевшего бетона на таком цементе.

Перечисленные окислы не находятся в клинкере в свободном, виде, а образуют силикаты, алюминаты и алюмоферриты кальция в виде минералов кристаллической структуры и часть их входит в соединения стекловидной фазы.

Суммарное содержание алита и белита обычно равно 70—80%, т.е. в портландцементном клинкере количественно преобладают силикаты кальция. Но кроме основных в нем также содержатся в небольших;количествах другие ~ минералы — алюминаты и алюмоферриты кальция 5СаО • АЬО.з, 8СаО • ЗАЬОз • РеоОз, а также феррит кальция 2СаО • FeoO3. Наряду с кристаллическими фазами в клинкере присутствует аморфное вещество в виде н.езакристаллизованного стекла (6—10%), в небольших количествах (не более 5%) окись магния, а иногда встречается и-окись кальция (до 1%У~как результат неполного обжига клинкера.

 При правильно рассчитанной и тщательно подготовленной и обожженной сырьевой смеси клинкер не должен содержать свободной окиси кальция СаО, так как пережженная (при температуре около 1500° С) известь, так же как и магнезия MgO, очень медленно гасится, увеличиваясь в объеме, что может привести к растрескиванию уже затвердевшего бетона.

Минералогический состав клинкера — одна из наиболее полных и надежных его характеристик. Исследованиями советских и зарубежных ученых установлено, что почти все строительные свойства портландцемента зависят от минералогического состава клинкера. Так, цементы с повышенным содержанием в клинкере C3S и СзА твердеют особо быстро и в первые сроки набирают высокую прочность; они используются для изготовления быстротвердеющих портландцементов. Цементы с высоким содержанием СгБ и C4AF твердеют медленно и выделяют при твердении мало тепла; их используют для изготовления цементов с умеренной экзотермией. Цементы с большим количеством С3А быстро схватывают-ся и твердеют в ранние сроки, но обладают пониженной морозостойкостью и стойкостью в минерализованных, в частности сульфатных, водах и т. д.

Производство портландцемента

Сырье для производства портландцемента должно содержать 75—78% СаСОз и 22—25% глинистого вещества. Это карбонатные породы с высоким содержанием углекислого кальция и глинистые породы, содержащие кремнезем, глинозем и окись железа. Очень широко используются известняки и мел. Ценным сырьем являются мергели, так как по содержанию СаО, SiO2, R2O3 в расчете на прокаленное вещество они близки к клинкеру.

Горные породы, удовлетворяющие указанным требованиям, в природе встречаются редко. Поэтому наряду с известняком и глиной применяют так называемые корректирующие добавки, содержащие значительное количество одного и даже двух окислов, недостающих в сырьевой смеси. Так, недостаточное количество  SiO2  компенсируется   введением бысококремнёземистых веществ (опоки, диатомитов, трепелов). Увеличить содержание окислов железа можно путем введения колчеданных огарков или руды. Повышение содержания глинозема А12О3 достигается добавлением высокоглиноземистых глин.

Кроме того, цементная промышленность все шире начинает использовать побочные продукты (отходы разных отраслей промышленности, например доменные шлаки, нефелиновый шлам и др.). Нефелиновый шлам получают в виде отхода при производстве глинозема, в нем содержится 25—30% SiO2, 50—58% СаО, 2—5% А12О3, 3—5% Fe2O3 и 3—8% других окислов. Если к сырью такого состава добавить 15—20% известняка, то состав смеси получается аналогичный используемому для получения портландцемента.

В. качестве топлива применяют измельченный каменный уголь (или антрацит), мазут и природный газ. В настоящее время отечественная  цементная промышленность в значительной мере работает на газооб- разном, топливе как наиболее эффективном.

 а Технологический процесс производства портландцемента состоит из  следующих основных операций; добычи известняка и глины и подготов- ки сырьевых материалов и корректирующих добавок и приготовления из них однородной смеси заданного состава, обжига смеси, измельчения  клинкера в тонкий порошок совместно с гипсом, а иногда с добавками^ '.В зависимости от способа приготовления сырьевой смеси различают два основных способа производства портландцемента: мокрый и сухой.  При мокром способе измельчают и смешивают сырьевые материалы в присутствии воды, и смесь обжигают в виде жидкого шлама во вра- щающихся печах; при сухом способе материалы измельчают, смешивают  и обжигают в-сухом виде. Наряду с этими основными способами все шире начинают применять комбинированный: сырьевую смесь подготовляют по мокрому способу, затем шлам обезвоживают, из него приготовляют гранулы и обжигают их по схеме сухого способа. \

Каждый из способов имеет свои положительные 1* отрицательные стороны. В водной среде облегчается измельчение материалов и быстро достигается однородность смеси, но расход топлива на обжиг смеси в 1,5—2 раза больше, чем при сухом способе. Развитие сухого способа длительное время ограничивалось вследствие пониженного качества получаемого клинкера. Однако успехи в технике помола и гомогенизации сухих смесей обеспечили высокое качество портландцемента, и в последнее десятилетие этот способ получает все большее развитие. При комбинированном способе почти на 20—30% снижается расход топлива по сравнению с мокрым, однако возрастает расход электроэнергии и трудоемкость производства. В СССР до 85% цемента выпускается по мокрому способу, в США — до 60%, он является преобладающим в Англии и Франции. В Японии, ФРГ, Италии и . Швеции превалирует сухой способ.

Производство портландцемента мокрым способом осуществляется по следующей технологической схеме (38). Сырьевые материалы, доставляемые из карьера на завод в кусках, предварительно измельчают (до крупности не более 5 мм). Твердые породы дробят, в дробилках, а более мягкие (глина, мел) измельчают перемешиванием с водой в глиноболтушках. Болтушка представляет собой круглый железобетонный резервуар диаметром 5—10 и высотой 2,5—3,5 м, футерованный чугунными плитами. В болтушке вокруг вертикальной оси вращается крестовина с подвешенными к ней на цепях стальными граблями для измельчения кусков глины. Полученный в глиноболтушке шлам с влажностью около 50% выпускается через отверстие с сеткой и перекачивается в трубную   мельницу,   куда   непрерывно   подается   дробленый известняк.

Трубная мельница  {39) —это стальной цилиндр длиной до 15 и диаметром до 3,2 м, вращающийся на полых цапфах, через которые мельницу с одной стороны загружают, а с другой разгружают.   Внутри мельница разделена перегородками с отверстиями на три камеры: в первой и второй помещены стальные или чугунные шары, а в третьей — небольшие цилиндрики. Через полую цапфу шлам поступает в первую камеру трубной мельницы. При вращении мельницы шары под действием центробежной силы и силы трения прижимаются к стенкам, поднимаются на некоторую высоту и падают, разбивая и растирая зерна материала. Трубные мельницы являются непрерывно действующими установками. Тонкоизмельченный материал в виде сметанообразной массы (шлама) подается насосом в коррекционные шлам-бассейны, представляющие собой железобетонные или стальные резервуары цилиндрической формы. В них окончательно корректируется химический состав шлама и создается некоторый запас для бесперебойной работы печей. Чтобы шлам в бассейне не отстаивался, его периодически перемешивают струей сжатого воздуха или механическими мешалками. Из бассейнов шлам поступает в баки, а затем равномерно подается во вращающуюся печь для обжига.

Вращающаяся печь (40) представляет собой длинный цилиндр из листовой стали, внутри облицованный огнеупорным материалом. Длина печи 185, диаметр 5 м. Барабан печи установлен с наклоном 3—4° и вращается вокруг своей оси со скоростью 0,5—1,4 об/мин. Шлам загружается в верхней стороне печи и передвигается к нижнему ее концу. Топливо в виде газа, мазута или пыли каменного угля вдувается вместе с воздухом с противоположного нижнего конца печи и сгорает, создавая внутри печи температуру около 1500° С. Дымовые газы удаляются со стороны поднятого конца печи.

Перемещаясь вдоль барабана, (шлам соприкасается со встречными горячими газами, постепенно нагревается и в нем начинаются физико-химические процессы. Вначале испаряется механически связанная вода, масса высыхает и образуются комья. Затем выгорают органические вещества и начинается дегидратация — удаление химически связанной гид-ратной воды. При температуре 800—900° С разлагается карбонат кальция по реакции

СаСОз ^ СаО + СО2.

Образовавшийся углекислый газ удаляется вместе с продуктами горения, а СаО при температуре около 1000° С вступает в химическую реакцию с окислами глины, образуя двухкальциевый силикат, трехкаль-циевый алюминат и четырехкальциевый алюмоферрит. При температуре 1300° С трехкальциевый алюминат и четырехкальциевый алюмоферрит расплавляются и образуют жидкость, в которой частично растворяется СаО и 2CaO-SiO2 до насыщения раствора; в растворенном состоянии они реагируют между собой, образуя -трехкальциевый силикат ЗСаО • • SiO2 — важнейший минерал портландцемента.'

Получившийся раскаленный клинкер поступает в холодильник, где резко охлаждается движущимся навстречу холодным воздухом.   Клинкер, выходящий из холодильников вращающихся печей с температурой около 100° С и более, поступает на склад для окончательного охлаждения и вылеживания (магазинирования) в течение 15—20 сут. В течение вылеживания влагой воздуха гасится СаО, если известь содержится в клинкере в свободном виде. Это приводит к уменьшению твердости клинкера, следствием чего является уменьшение расхода энергии при его помоле, и сокращение времени помола. На высокомеханизированных заводах с четко организованным технологическим процессом качество клинкера оказывается настолько высоким, что необходимость вылеживания отпадает.

Следующая за обжигом технологическая операция — помол. Клинкер размалывают совместно с гипсом и активными минеральными добавками в трубных многокамерных мельницах. Из мельниц готовый портландцемент,(стемпературой 100°С и более) пневматическим транспортом направляется в силосы для охлаждения. Через 7—14 сут. цемент упаковывают в многослойные бумажные мешки весом 50 кг или загружают в специально оборудованный автомобильный, железнодорожный или водный транспорт и направляют потребителю.

Сухой способ производства портландцемента применяется в том случае, когда сырьем являются мергели или смеси твердых известняков и глин небольшой влажности. Тонкоизмельчениая сухая сырьевая смесь перед обжигом гранулируется в виде зерен размером 20—40 мм и обжигается во вращающихся или шахтных печах. При обжиге в шахтных печах в гранулы запрессовывается тонкоизмельченныи уголь, приготовляемый в помольных установках.

При комбинированном способе сырьевые материалы, подготовленные по мокрому способу, и шлам, имеющий влажность около 40%, обезвоживаются на фильтрах до влажности 16—18%. Из полученного «сухаря» приготовляют гранулы и обжигают их по схеме сухого способа.

Твердение портландцемента

При затворении портландцемента водой образуется пластичное клейкое цементное тесто, постепенно густеющее и переходящее в камне-подобное состояние.

При твердении портландцемента происходит ряд весьма сложных химических и физических явлений. Каждый из минералов клинкера при затворении водой реагирует с ней и дает различные новообразования. Все процессы взаимодействия отдельных клинкерных минералов с водой протекают одновременно, налагаются один на другой и влияют друг на друга. Получающиеся новообразования могут в свою очередь взаимодействовать как между собой, так и с исходными клинкерными минералами и давать новые соединения. Все это создает трудности при изучении твердения портландцемента. Типичными реакциями, характерными для твердения портландцемента и других вяжущих веществ, являются реакции гидратации, протекающие с присоединением воды; они могут идти без распада основного вещества или сопровождаться его распадом (реакции гидролиза). Процесс твердения портландцемента в основном определяется гидратацией силикатов, алюминатов и алюмоферритов кальция.

Трехкальциевый силикат подвергается гидролизу и гидратации с конечным образованием  

Двухкальциевый силикат и трехкальцйевый алюминат только гид-ратируются, образуя соответственно гйдросиликаты и гидроалюмйнаты кальция:

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

ЗСаО • А12О3 + 6Н2О = ЗСаО • А12О3 • 6Н2О.

Четырехкальциевый алюмоферрит при действии на него воды подвергается гидролизу с образованием в условиях среды, насыщенной известью, трехкальциевых гидроалюминатов и гидроферритов по реакции:

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

Кроме описанных химических преобразований, протекающих при твердении цемента, большое значение имеют физические и физико-химические процессы, которые сопровождают химические реакции и приводят в своей совокупности к превращению цемента при затворении водой сначала в пластичное тесто, а затем в прочный  затвердевший  камень.

Изучению химических и физических преобразований твердеющего цементного теста было посвящено много работ. В этом отношении наибольший интерес представляют взгляды Ле Шателье, В. Михаэлиса и А. А. Байкова.

Ле Шателье предложил в 1882 г. так называемую кристаллизационную теорию твердения, согласно которой исходные безводные цементные минералы, обладая более высокой растворимостью в воде по сравнению с продуктами их гидратации, образуют растворы, пересыщенные по отношению к гидратным новообразованиям. Последние выделяются из пересыщенного раствора в виде кристалликов, образующих по мере раз-' вития этого процесса кристаллический сросток, обладающий достаточной прочностью.

В. Михаэлис, выдвинувший в 1893 г. коллоидную теорию, не отрицал образования при твердении портландцемента кристаллических продуктов, не считал, что важным для цементов является не прочность, а «гидравличность». Основное значение в формировании прочности, водонепроницаемости и других свойств цементного камня он приписывал возникающим при твердении гидрогелям силикатов, алюминатов и ферритов кальция. По Михаэлису, гидросиликаты не кристаллизуются при затворении цемента; процесс твердения сводится к образованию студней (гелей) в результате набухания зерен цемента под влиянием воды и последующему затвердеванию и прорастанию этих студней кристаллическими образованиями.

Как уже отмечалось, А. А. Банков в 1923 г. выдвинул теорию твердения вяжущих веществ, в большой мере обобщающую взгляды Ле Шателье и В. Михаэлиса. Твердение цемента А. А. Байков объясняет совокупностью кристаллизационных и коллоидных процессов. Им было высказано положение о том, что всякое гидратационно твердеющее вещество обязательно проходит стадию коллоидного состояния, даже если оно в конечном результате дает явно кристаллический сросток (например, двуводный гипс). Напомним, что, по А. А. Байкову, твердение портландцемента включает три периода. В первый период вяжущее растворяется в воде до образования насыщенного раствора; второй период— коллоидации или схватывания — характеризуется прямым присоединением воды к твердой фазе вяжущего и возникновением гидратных соединений высокой коллоидной дисперсности без- промежуточного растворения исходного материала; одновременно происходит схватывание массы; третий период — период кристаллизации и твердения, когда ге-леобразные новообразования перекристаллнзовываются и превращаются в кристаллический сросток, что сопровождается твердением системы и нарастанием ее прочности.

В последующем теория твердения портландцемента при взаимодействии его с водой подверглась дальнейшему развитию; в этом направлении работали В. А. Ки-нд, В. Н. Юнг, В. Ф. Журавлев, П. П. Будников, П. А, Ребиндер, С. Д. Окороков, Н. А. Торопов, Ю. М. Бутт и др.

ГГ. А. Ребиндер с учениками провели обстоятельные исследования, которые позволили значительно развить и расширить наши представления о твердении вяжущих веществ. Они считают, что при твердении растворяются неустойчивые исходные вещества и выкристаллизовываются термодинамически устойчивые гидратные новообразования из пересыщенных по отношению к ним растворов. Вначале из этих новообразований и непрогидратированных частиц возникает коагуляционная структура, для которой характерна небольшая прочность и тиксотропность, т. е. способность к обратимому восстановлению структуры после ее разрушения. Затем постепенно появляется более прочная кристаллизационная структура. Развивается она в два этапа:

1)         формируется каркас структуры,   появляются   контакты   между

кристалликами новообразований;

2)         возникший каркас обрастает. Это проявляется в росте кристал

ликов, что повышает прочность структуры, но при  известных  условиях

может быть причиной   появления   нежелательных   внутренних   напря

жений.

Возникновение кристалликов новообразований достаточной величины при минимальных напряжениях обусловливает наибольшую проч-. ность твердеющих систем.

Таким образом, так же как и для строительного гипса, существуют две основные точки зрения на механизм гидратации портландцемента:

1)         гидратация идет через раствор, из которого выпадают новооб

разования, менее растворимые, чем исходные вещества;

2)         гидратация происходит в твердой фазе.

Наряду с этим ряд исследователей считает, что гидратация может идти и. через раствор и топохимически — путем присоединения воды к твердому веществу и что в зависимости от состава и свойств вяжущего, а также условий его твердения тот или иной процесс может преоб-ладать.

При гидратации цементных зерен реакции идут сначала на их поверхности, причем образующаяся вокруг зерен гелеобразная оболочка новообразований затрудняет дальнейшее проникновение в них воды. С течением времени и внутренняя часть зерен постепенно гидратируется, что ведет к уменьшению содержания воды в геле, а следовательно к его уплотнению. По мере распространения реакции гидратации на внутреннюю часть зерен гель все больше уплотняется, а прочность портландцемента возрастает.

В процессе твердения портландцемента основное значение имеет скорость схватывания и скорость твердения. Скорость взаимодействия клинкерных минералов с водой различна. Наиболее быстро взаимодействует с водой С3А, за ним следует C4AF, далее C3S и наиболее медленно гидратируется C2S. Скорость гидратации клинкерных минералов определяет и скорость их твердения: чем быстрее гидратируется минерал, тем быстрее нарастает его прочность. Таким образом, данные о скорости гидратации клинкерных минералов могут быть использованы для проек

тирования минералогического состава клинкера портландцемента, к ко

торому предъявляются особые требования в отношении скорости твер

дения.

Наличие в портландцементе наряду с клинкером гипса и гидравлических добавок существенно меняет ход твердения цементного теста и состав конечного продукта — цементного камня.

Тонкоизмельченный клинкер характеризуется весьма короткими сроками схватывания (3—5 мин), в результате чего в «чистом» виде он непригоден для практических целей. Главная роль в этом принадлежит трехкальциевому алюминату, который быстро гидратируется, а гидраты его быстро уплотняются и кристаллизуются. Следовательно, при замедлении схватывания цемента задача сводится к тому, чтобы связать гидроалюминаты кальция в другие соединения. Эту задачу успешно выполняет гипс, который энергично реагирует с трехкальциевым гидроалюминатом и образует нерастворимую соль — гидросульфоалюминат кальция ЗСаО • А!2О3 • 3CaSO4-31H2O. Количество введенного гипса должно находится в соответствии с содержанием в клинкере С3А. При недостаточном содержании гипс не сможет связать образующийся гидроалюминат и произойдет преждевременная коагуляция (схватывание) цементного теста. Излишнее-содержание гипса также вредно, так как гипс в растворе способен диссоциировать и образовывать двухвалентные ионы кальция, которые также вызывают коагуляцию коллоидов. Кроме того, избыток гипса может вызвать в дальнейшем сульфатную коррозию цементного камня. Поэтому содержание гипса в портландцементе не должно быть менее 1,5 и более 3,5% в пересчете на SO3. При таком содержании гипса парализуется действие гидроалюминатов кальция в начальный момент и исключается возможность сульфатной коррозии цементного камня, что возможно при высоком содержании гипса. Портландцемент с таким содержанием гипса удовлетворяет требованиям стандарта, а именно начало схватывания его наступает не ранее 45 мин и заканчивается не позднее 12 ч от момента затворения зодой.

Роль гидравлических добавок заключается в следующем. По своему составу они представлены аморфным кремнеземом, активно реагирующим с Са(ОН)2. В результате растворимый гидрат окиси кальция, образующийся при гидратации C3S, химически связывается в практически нерастворимый гидросиликат кальция СаО • SiO2 • «Н2О. Водостойкость цемента при этом повышается.

Твердение портландцемента сопровождается изменением его объема. Если процесс протекает на воздухе, то за счет испарения влаги возможно уменьшение объема, а при твердении в воде идет обратный процесс—набухание. Особенно опасна усадка, в результате которой в отвердевшем бетоне могут появляться трещины. Для предупреждения усадочных деформаций твердение бетона, особенно в первое время, должно проходить во влажной среде. Если вода испарится, то твердение практически прекращается.

При взаимодействии портландцемента с водой выделяется тепло,

вследствие чего внутри массивных сооружений могут развиваться зна

чительные температуры (до 50—60°С), что нередко вызывает образо

вание трещин. Поэтому для изготовления массивных сооружений высоко

экзотермические цементы применять нельзя. Однако при зимних рабо

тах повышенное выделение тепла из цемента положительно сказывается

на производстве строительных работ, препятствуя замораживанию

бетона.

Структура цементного камня

Отвердевший цементный камень представляет собой микроскопически неоднородную систему, состоящую из кристаллических сростков и гелеобразных масс, представленных частицами коллоидных размеров. Неоднородность структуры цементного камня усиливается и тем, что в нем имеется непрореагировавшая часть клинкерных зерен, содержание которых с течением времени уменьшается. По аналогии с обычным бетоном такую неоднородную систему цементного камня. В. Н. Юнг назвал «микробетоном».

Существенно влияют на структуру цементного камня гипс и гидравлические добавки, так как их зерновой состав разнообразен, и образуются новые продукты в результате их реакции с клинкерными компонентами цементного камня. Рационально подбирая минералогический состав клинкера и состав цемента с необходимым содержанием отдельных клинкерных минералов, дающих при твердении цементного камня то кристаллические сростки, то гелевую структурную составляющую, можно воздействовать на структуру и физико-механические свойства цементного камня и бетона в необходимом направлении.

Различие в физико-механических свойствах кристаллического и коллоидного гелеобразного вещества является одной из причин влияния минералогического состава клинкера на некоторые основные строительные свойства цемента: деформативность, стойкость при переменном замораживании и оттаивании, увлажнении и высушивании. Это позволяет путем рационального подбора минералогического состава клинкера регулировать свойства портландцемента и получать цемент, по качеству удовлетворяющий конкретным эксплуатационным условиям.

На структуру бетона оказывает значительное влияние пористость цементного камня, связанная с начальным содержанием воды в бетонной смеси и воздухововлечением при ее приготовлении. Для получения удобоукладываемой бетонной смеси в нее вводят в 2—3 раза больше воды, чем химически связывается цементом в процессе твердения. Количество воды, вступающее в химическую реакцию с цементом, при благоприятных условиях твердения составляет 15—20% веса цемента, а для получения удобоукладываемой смеси требуется 40—60% воды. Таким образом, большая часть воды затворения оказывается в свободном состоянии и образует в затвердевшем камне множество мелких пор. Поэтому всегда стремятся применять бетонные смеси с минимальным содержанием воды с целью получения наиболее плотной структуры цементного камня, что также повышает его прочность и морозостойкость.

Структура цементного камня, а именно наличие пор и гелеобразного вещества, обусловливает склонность его к влажностным деформациям: при увлажнении он разбухает, а при высушивании дает усадку. Знакопеременные сжимающие и растягивающие напряжения, вызываемые изменением влажности окружающей среды, расшатывают структуру цементного камня и понижают прочность бетона. Степень влажностных деформаций зависит от соотношения гелеобразных и кристаллических фаз в цементном камне: с увеличением последней стойкость камня в таких условиях (называемая воздухостойкостью) повышается. В отличие от рассмотренных далее пуццолановых портландцементов обыкновенный портландцемент отличается высокой воздухостойкостью.

Расширение и растрескивание цементного камня могут вызвать также свободные окислы кальция и магния, присутствующие в цементе при низком качестве обжига. Гашение их-сопровождается значительным увеличением объема и продукты гашения разрывают   цементный  камень.

О таком цементе говорят, что он не отвечает требованиям стандарта в отношении равномерности изменения объема при твердении.

  Прочность портландцемента

1рочнбсть портландцемента характеризуется пределами прочности при сжатии и изгибе. Марка цемента устанавливается по пределу прочности при изгибе образцов балочек 40x40x180 мм и при сжатии их половинок, изготовленных из пластического раствора состава 1 : 3 (по весу) и испытанных через 28 сут.: образцы в течение этого срока хранят во влажных условиях при температуре 20±3°С. Предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут. называется активностью цемента; Для приготовления образцов применяют чистый кварцевый песок пастоянного зернового и химического состава, что позволяет исключить влияние его качества на прочность цемента и получать сравнимые результаты. При отнесении портландцемента к той или другой марке предел прочности образцов при сжатии и изгибе в возрасте 28 сут. должен быть не ниже значений, приведенных в. табл. 21.

Прочность нарастает неравномерно: на третьи

сутки она достигает примерно 40—50% марки це

мента, а на седьмые сутки — 60—70%. В после

дующий период рост прочности еще более замед

ляется и на 28-е сутки цемент набирает марочную

прочность. Однако при благоприятных условиях

твердение портландцемента может продолжаться

месяцы и даже годы, в 2—3 раза превысив мароч

ную (28-суточную) прочность

Время 6суток Прочность   цементного   камня   и скорость его

твердения зависят от минералогического состава клинкера, тонкости помола цемента, содержания воды, влажности и температуры среды и продолжительности хранения.

Минералогический состав. Процесс нарастания прочности клинкерных минералов портландцемента различен  (42).    Наиболее    быстро    набирает

прочность трехкальцйевый силикат: за 7 сут. около 70% от 28-суточной

прочности; дальнейшее нарастание  прочности его значительно замед

ляется.

Картина твердения двухкальциевого.   силиката   совершенно   иная.

В начальный период C2S набирает незначительную прочность, составляющую примерно 15% прочности трехкальциевого силиката, но в последующий период твердения его прочность быстро повышается и в какой-то период достигает и даже может превысить прочность C3S. Это объясняется тем, что CsS гидратируется быстрее, чем C2S. К 28-суточному возрасту гидратация C3S почти заканчивается, а гидратация C2S только начинает интенсивно развиваться. Поэтому при необходимости получить бетон достаточной прочности в короткие сроки применяют цемент с большим содержанием трехкальциевого силиката, так называемый алитовый цемент, и наоборот, если требуется высокая прочность в более позднее время, например, для гидротехнических сооружений, то следует применять белитовый цемент.

Наиболее быстро гидратируется трехкальциевый алюминат, и казалось бы, что его прочность в начальный период должна быть наиболее высокой. Однако в связи с тем, что продукты гидратации трехкальциевого алюмината образуют пористую структуру, в отличие от плотной структуры новообразований при гидратации C3S и C2S, прочность его оказывается ничтожной по сравнению с прочностью силикатов. Образование пористой структуры цементного камня отрицательно влияет также и на морозостойкость.

Низкая прочность трехкальциевого алюмината характерна для мономинеральной.смеси, т. е. состоящей из одного минерала С3А. В полиминеральных-же смесях, каким является цемент, трехкальциевый алюминат способствует уплотнению коллоидных силикатных масс, а следовательно, повышению прочности цементного камня и скорости его твердения.

Быстротвердеющий цемент, обеспечивающий в короткие сроки высокую прочность, содержит в своем составе значительное количество ,G3S и С3А (около 60—70%, в том числе до 10% С3А).

Тонкость помола. С увеличением тонкости помола до определенного предела прочность цемента возрастает. Средний размер зерен портландцемента, выпускаемого отечественными заводами, составляет примерно 40 мк. Глубина гидратации зерен через 6—12 мес. твердения обычно не превышает 10—15 мк. Таким образом, при обычном помоле портландцемента 30—40% клинкерной части его не участвует в твердении и формирований структуры камня. С увеличением тонкости помола увеличивается степень гидратации цемента, возрастает содержание клеящих веществ (гидратов минералов) и повышается прочность цементного камня. Заводские цементы должны иметь тонкость помола, характеризуемую остатком на сите № 008 (размер ячейки в свету 0,08 мм) не более'15%, обычно она равна 8—12%.

Тонкость помола цемента оценивается также удельной поверхностью {см2!г)—суммарной поверхностью в си2 зерен в 1 г цемента. Для заводских цементов она составляет 2500—3000 см2/г.

В ряде случаев с целью повышения активности заводского цемента, а главное для получения быстротвердеющего цемента тонкость помола повышают до 3500—4000 см2/г. Условно считают, что прирост каждой 1000 см2!г удельной поверхности цемента повышает его активность на 20—25%.

Влажность и температура среды. Твердение цементного камня и повышение его прочности может продолжаться только при наличии в нем воды, так как твердение в первую очередь есть процесс гидратации. Влажные условия при твердении цементного камня в практике обеспечиваются различными способами: поливают бетон водой, бетонные конструкции покрывают мокрыми опилками, песком, рогожей и периодически их поливают, а также покрывают битумными  эмульсиями  и   другими материалами, которые ооразуют паронепроницаемую пленку и предупреждают испарение воды из бетона.

Большое влияние на рост прочности цементного камня оказывает температура воды. Скорость химических реакций между клинкерными минералами и водой увеличивается с повышением температуры, а также значительно возрастает скорость уплотнения продуктов гидратации цемента.

Твердение цементного камня на практике может происходить в широком диапазоне температур: нормальное твердение при температуре 15—20° С, пропаривание при температуре 70—100° С и атмосферном давлении, автоклавная обработка под давлением насыщенного пара в 9— 16 атм и более при температурах от 174,5—200° С и выше и, наконец, твердение при отрицательной температуре. Наиболее быстро прочность цементного камня растет при пропаривании под давлением в автоклавах, — бетон через 4—6 ч приобретает марочную прочность. В условиях пропаривания при нормальном давлении твердение бетона происходит примерно в 2 раза медленнее, чем в автоклавах. Бетоны, подвергнутые тепловлажностной обработке при температуре до 100°С, в большинстве случаев приобретают только 70% марочной прочности и лишь в отдельных случаях достигают ее. Дальнейшего роста их прочности, как правило, не происходит.

По-разному ведет себя цемент при тепловлажностном режиме твердения в зависимости от минералогического состава клинкера. Белито-вые цементы при автоклавной обработке твердеют наиболее быстро. Для алитовых цементов она не дает эффекта по сравнению с твердением при пропаривании. Однако эффект использования алитовых цементов при автоклавной обработке бетона возрастает, если добавкой является молотый кварцевый песок. При высокой температуре активность кварцевого песка по отношению к извести увеличивается. Образовавшаяся при гидролизе трехкальциевого силиката Са (ОН) 2 связывается с SiO2 в прочное химическое соединение— гидросиликаты кальция.

Твердение портландцементного камня при.температурах от 0 до 5—8° С происходит в 2—3 раза медленнее, чем при обычных температурах, а при отрицательных температурах почти полностью приостанавливается, так как вода превращается в лед. Однако оно все же возможно за счет добавки электролитов СаС12, NaCl или их смеси в количестве 5% и более веса цемента. Действие электролитов основано на том, что с повышением концентрации растворенных веществ в воде понижается температура ее замерзания. Кроме того, хлористые соли являются ускорителями твердения цемента. Однако добавка их более 2% для железобетонных конструкций не рекомендуется вследствие возможной коррозии арматуры.

Продолжительность хранения. Длительное хранение цемента даже в самых благоприятных условиях влечет за собой некоторую потерю его прочности: после 3 мес. хранения она может достигать 20%, а через год до 40%. Цементы более тонкого помола теряют больший процент прочности, так как влага воздуха, соприкасаясь с частицами, взаимодействует с ними, вызывая преждевременную гидратацию цемента. Кроме того, выделяющаяся при гидролизе известь реагирует с углекислотой воздуха, образуя на цементных зернах пленки труднорастворимого углекислого кальция, что препятствует проникновению воды к зернам цемента при его твердении. Восстанавливать активность цемента можно вторичным помолом. Наиболее эффективен вибропомол, в процессе которого повышается тонкость помола цемента, а также с цементных зерен сдираются гидратные и инертные оболочки.

Стойкость цементного камня

Бетон в инженерных сооружениях в процессе эксплуатации может быть подвержен агрессивному воздействию внешней среды: пресных и минерализованных вод, совместному действию воды и мороза, попеременному увлажнению и высушиванию. Среди компонентов бетона цементный камень наиболее подвержен развитию коррозионных процессов. Следовательно, для того чтобы бетон стойко сопротивлялся агрессивному воздействию внешней среды, цементный камень должен быть водостойким, морозостойким и атмосферостойким.

Водостойкость цементного камня. Коррозия цементного камня в водных условиях может быть подразделена на три вида.

вид коррозии — разрушение цементного камня в результате рас

творения и вымывания некоторых его составных частей. Наиболее рас

творимой является гидроокись кальция, образующаяся   при  гидролизе

трехкальциевого силиката. Хотя растворимость Са(ОН)2 невелика (1,3 г

СаО на 1 л при 15°С), но в цементном камне бетона под воздействием

проточных мягких вод количество растворенного и вымытого Са(ОН)2

непрерывно возрастает, цементный камень становится пористым и теряет

прочность. Следует отметить, что Са(ОН)2 хорошо растворяется в водах,

которые содержат в незначительном количестве катионы кальция и маг

ния в виде бикарбонатов Са(НСО3Ь и Mg(HCO3)2,   придающих   воде

временную жесткость.

В то же время все минералы цементного клинкера могут длительное время находиться в водных условиях, но только при определенной концентрации извести в воде — не ниже так называемой равновесной концентрации. При понижении ее минералы растворяются с разложением и выделением в раствор извести. Равновесная концентрация тем выше, чем больше основность минерала. Так. для ЗСаО- SiO2-nH<)O она равна 1,3 г/л СаО; для ЗСаО • А12О3 -6Н2О — 1,1 г/л СаО; для CaO"-SiO2-• лН2О — 0,05 г/л СаО. При снижении концентрации СаО менее чем на 0,05 г/л происходит полное растворение гидросиликатов с распадом их на Са(ОН)2 и SiO2-nH2O, сопровождающееся разрушением цементного камня.

Несколько предохраняет от данного вида коррозии защитная корка из углекислого кальция, образующаяся на поверхности бетона в результате реакции   между   гидроокисью   кальция   и   углекислотой   воздуха

Са(ОН)2 + СО2 = СаСОз + Н2О.

Растворимость СаСОз в воде почти в 100 раз меньше растворимости Са(ОН)2. Существенное повышение стойкости цементного камня в пресных водах достигается введением в цемент гидравлических добавок, связывающих Са(ОН)2 в малорастворимое соединение—гидросиликат кальция:

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

Следующей мерой защиты бетона от коррозии этого вида является применение цемента, выделяющего при своем твердении минимальное количество свободной Са(ОН)2. Это белитовый цемент, содержащий небольшое количество трехкальциевого силиката.

II         вид коррозии — разрушение цементного камня  водой,   содержа

щей соли, способные вступать в обменные реакции с его составляющи

ми.    При этом образуются продукты, которые либо легко растворимы

и уносятся фильтрующейся через бетон водой, либо выделяются в виде

аморфной массы, не обладающей связующими свойствами. В результате

таких   преобразований   увеличивается   пористость   цементного   камня и. следовательно, снижается его прочность.

Наиболее характерны среди этих обменных реакций те, которые протекают под действием хлористых и сернокислых солей. Сернокислый магний, взаимодействуя с Са(ОН)2 цементного камня, образует гипс и гидрат окиси магния — труднорастворимое аморфное вещество, не обладающее связностью и легко вымывающееся из бетона. Гипс имеет сравнительно высокую растворимость (до 2 г/л) и также вымывается. Схема этой реакции следующая:

Между хлористым магнием и Са(ОН)2 протекает реакция Са(ОН)2 4- MgCl2 = СаС12 + Mg(GH)2.

Коррозия цементного камня водами, содержащими свободные углекислоту и ее соль Са(НСОз)2, происходит в следующей последовательности. Вначале растворенная углекислота взаимодействует с Са(ОН)2 по реакции Са(ОН)24-СО2 = = СаСОз + Н2О и образуется труднорастворимый углекислый кальций, что положительно сказывается на сохранности бетона. Однако при высоком содержании в воде углекислота действует разрушающе на цементный камень, образуя легко растворимый бикарбонат кальция:

СаСОз + СО2 4- Н2О = Са (НСО3)2.

Приведенные реакции, схематически характеризующие разрушение цементного камня под действием воды, содержащей растворенные соли, показывают, что основной причиной этого разрушения является содержание в цементном камне (бетоне) свободной гидроокиси кальция Са(ОН)2. Если же ее связать в другое, труднорастворимое соединение, сопротивление бетона коррозии этого вида должно возрасти, что наблюдается при использовании активных минеральных добавок.

К Ш виду коррозии относятся процессы, возникающие под действием сульфатов. В порах цементного камня происходит отложение малорастворимых веществ, содержащихся в воде, или продуктов взаимодействия их с составляющими цементного камня. Их накопление и кристаллизация в порах вызывают значительные растягивающие напряжения в стенках пор и приводят к разрушению цементного камня.

Характерным видом сульфатной коррозии цементного камня является взаимодействие растворенного в воде гипса с трехкальциевым гидроалюминатом. При этом образуется труднорастворимый гидросуль-фоалюминат кальция, который, кристаллизуясь, поглощает большое количество воды и значительно увеличивается в объеме (примерно в 2,5 раза), что оказывает разрушающее действие на цементный камень. Реакция протекает по следующей схеме:

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

В результате образуются кристаллы в виде длинных тонких игл, по внешнему виду напоминающие бациллы. Это внешнее сходство, а также разрушающее действие кристаллов на цементный камень дали основание назвать гидросульфоалюминат кальция «цементной бациллой». Вначале он уплотняет цементный камень, а дальнейшее действие сульфатных вод приводит к его разрушению и тем быстрее, чем большая концентрация сульфатов в воде. Содержание трехкальциевого алюмината понижает стойкость цемента против сульфатной коррозии. Зависимость сульфатостойкости цемента от концентрации сульфатов в воде, а также содержание С3А в клинкере представлены на 43.

Мера защиты бетона от сульфатной коррозии логически вытекает из существа этого процесса, а именно, цемент с низким содержанием трехкальциевого алюмината должен обладать повышенной сульфато-стойкостью.

Защита цементного камня от коррозии в водных условиях

Исключить или ослабить влияние коррозионных процессов при действии различных вод можно конструктивными мерами, улучшением технологии приготовления бетона, а также применением цементов определенного минералогического состава клинкера и состава по содержанию активных минеральных добавок.

Конструктивными мерами предотвратить действие воды на бетонную конструкцию можно путем устройства гидроизоляции, водоотводов и дренажей. Повышение водостойкости бетона технологическими средствами достигается интенсивным уплотнением бетона при укладке или формовании, использованием бетонных смесей с минимальным водоце-ментным отношением и тщательно подобранным зерновым составом заполнителей.

Увеличивается и водостойкость изделий, подвергнутых автоклавной обработке. Такие бетоны и растворы почти полностью устойчивы в водных растворах Na2SO4 и CaSO4 и несколько более устойчивы в растворах MgSCU. Гидросиликаты кальция, образующиеся в портландцемент-ных бетонах автоклавного твердения, по отношению к сульфатам менее реакционноспособны, чем гидросиликаты, образующиеся при нормальном твердении.

Эффективным мероприятием является применение цементов определенного состава и качества. Получать коррозионностойкие цементы можно путем соответствующего подбора минералогического состава клинкера. Так, например, цемент, содержащий С3А не более 5%, оказывается стойким в сульфатных водах. Сульфатостойкость цемента, приготовленного на клинкере с низким содержанием C3S, увеличивается, так как в бетоне меньше содержится наиболее растворимого компонента — Са(ОН)2.

Увеличить стойкость бетона в агрессивной среде можно карбонизацией. При длительном выдерживании изделий из бетона на воздухе атмосферная углекислота вступает во взаимодействие с гидратом окиси кальция, образуя на поверхности изделия корку из углекислого кальция, который не выщелачивается пресной водой и не взаимодействует с сульфатами. Однако этот способ не достаточно совершенный, так как корка из углекислого кальция под влиянием различных механических воз- • действий (ударов волн или предметов, плавающих в воде) может разрушиться, а кроме того, она не является абсолютно водонепроницаемой, способной надежно предохранить цементный камень.

Более совершенной, чем карбонизация, является пуццоланизация — связывание гидрата окиси кальция активным кремнеземом кислых гидравлических добавок. Образующиеся гидросиликаты кальция практически не вступают в обменные реакции с сульфатами, и поэтому значительно повышается водостойкость цементного камня в отношении пресных и сульфатных вод. В отношении же кислых, углекислых и магнезиальных вод пуццоланизация не дает эффекта, так как эти воды разрушают не только гидрат окиси кальция, но и водные силикаты и алюминаты кальция.

Роль активных минеральных добавок (трепела, опоки, диатомита, доменных, гранулированных шлаков) в повышении водостойкости портландцемента будет рассмотрена ниже.

Морозостойкость цементного камня

Совместное попеременное действие воды и мороза влечет за собой разрушение бетонных сооружений. При отрицательных температурах вода, находящаяся в порах цементного камня, превращается в лед, который увеличивается в объеме примерно на 10%, давит на стенки пор и разрушает, их.

Л1орозостойкость цементного камня зависит от минералогического состава клинкера, тонкости помола цемента и водоцементного отношения. До определенной тонкости помола (5000—6000 см2/г) морозостойкость цемента увеличивается, но затем заметно падает. Это объясняется пористой структурой новообразований цемента сверхтонкого измельчения. Присутствие з цементе в значительном количестве активных минеральных добавок отрицательно влияет на морозостойкость цементного камня вследствие высокой пористости их и низкой морозостойкости продуктов взаимодействия добавок с компонентами цементного камня. Среди минералов клинкера наименее морозостойким является С3А, поэтому его содержание в цементе для морозостойких бетонов не должно превышать 10%. Увеличение водоцементного отношения понижает морозостойкость цементного камня вследствие повышения его по-: ристости.

Таким образом, для увеличения морозостойкости бетона необходимо применять цементы с низким содержанием СзА и минимальным содержанием активных минеральных добавок, а также использовать бетонные смеси с возможно меньшим водоцементным отношением, тщательно уплотняя смесь при укладке.

Значительно повышают морозостойкость бетона поверхностно-активные добавки (сульфитно-спиртовая барда, мылонафт). Пластифицирующие добавки (сульфитно-спиртовая барда) существенно снижают водопотребность бетонных смесей при сохранении заданной подвижности, т. е. уменьшают пористость цементного камня. Гидрофобизующие добавки (мылонафт) обладают воздухововлекающей способностью: они вовлекают воздух в бетонную смесь в виде мельчайших пузырьков, которые в бетоне амортизируют давление льда. Кроме того, они повышают однородность структуры цементного камня (придают водоотталкивающие свойства) и гидрофобизуют стенки пор и капилляров, увеличивая сопротивляемость цементного камня действию воды.

Следует иметь в виду, что замораживание цементного камня в начальный период твердения является наиболее опасным, так как он еще не обладает достаточной прочностью и не может энергично сопротивляться давлению льда.

РАЗНОВИДНОСТИ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

Пластифицированный портландцемент

Пластифицированный портландцемент отличается от обыкновенного содержанием поверхностно-активной пластифицирующей добавки, повышающей подвижность и удобоукладываемость бетонной смеси и придающей затвердевшим бетонам высокую морозостойкость. В качестве пластифицирующих добавок применяют сульфитно-спиртовую барду, которую можно вводить как при помоле цемента, так и непосредственно в бетонную смесь во время ее приготовления.

Активной частью сульфитно-спиртовой барды и ее производных являются лигносульфоновые кислоты и их соли — сульфолигнаты. Эти добавки образуют на поверхности цементных зерен адсорбционные пленки, которые, будучи гидрофильными, удерживают около поверхности цементных зерен большое количество молекул воды; часть их связана с поверхностью молекулярными силами, а часть заключена в адсорбционном слое между молекулами сульфолигнатов. Образующиеся адсорбционно-гидратные слои воды обеспечивают гидродинамическую смазку зерен, препятствуя их слипанию, уменьшают трение между ними, благодаря чему повышается пластичность цементного теста. Они повышают устойчивость цементно-водных смесей — замедляется процесс осаждения цементных зерен и в результате уменьшается водоотделение.

За счет пластифицирующего действия добавки появляется возможность снижения водоцементного отношения В/Ц. При оптимальной дозировке гипса и с.с.б. уменьшение расхода воды для большинства цементов составляет в среднем около 10—15%. Пластифицирующее действие добавки с. с. б. возрастает с тонкостью помола цемента.

Влияние сульфитно-спиртовой барды на отдельные минералы различное: наибольшее пластифицирующее действие она оказывает на C3S, наименьшее — на C2S. Поэтому неодинаковый характер влияния с.с.б. проявляется по-разному и в цементах различного минералогического состава; наиболее пластифицированные бетонные смеси получаются из алитовых цементов.

'Пластифицирующие добавки повышают прочность бетона, так как они, снижая водопотребность бетонной смеси, сохраняют ее подвижность, а в результате возрастает плотность и соответственно растет прочность бетона. При сохранении заданной прочности бетона пластифицирующая добавка позволяет снизить расход цемента. Оптимальной величиной добавки с.с.б. можно считать ту, при которой прочность пластифицированного цемента будет не ниже прочности обыкновенного портландцемента.

Сульфитно-спиртовая барда является эффективной добавкой для повышения морозостойкости бетонов, что объясняется главным образом получением цементного камня большей плотности. Вместе с тем следует иметь в виду, что введение в цемент органических пластифицирующих добавок отрицательно отражается на скорости гидратации и твердении цемента, особенно в первые сроки, хотя к 28 сут. прочность бетонов на цементах с добавками и без них становится одинаковой. Это препятствует применению пластифицированного портландцемента в заводском производстве бетонных и железобетонных изделий.

Оптимальное количество добавки с.с.б. для увеличения морозостойкости составляет обычно от 0,15 до 0,25% веса цемента (в расчете на сухое вещество), но в каждом отдельном случае должно устанавливаться лабораторией.

Эффект от введения с.с.б. значительно повышается, если цементы имеют оптимальное количество гипса. Это объясняется более благоприятными условиями для образования в твердеющем цементном камне сульфоалюминатов кальция, уплотняющих бетон и более морозостойких, чем гидроалюминаты; морозостойкость бетона повышается также за счет некоторого воздухововлечения.

^.Введение пластифицирующих добавок не приводит к созданию новых видов цемента, а лишь придает исходному цементу дополнительные свойства (более высокую пластичность). Поэтому пластифицированные цементы могут применяться наряду с обыкновенными, обеспечивая получение более удобоукладываемых бетонных смесей и морозостойких бетонов. Особенно широко их используют в дорожном, аэродромном и гидротехническом строительстве.

Гидрофобный портландцемент

Гидрофобный портландцемент отличается от обыкновенного содержанием поверхностно-активной гидрофобизующей добавки — мылонафта, асидола, асидол-мылонафта, олеиновой кислоты,'или окисленного петролатума — в количестве 0,06-43,3 % веса цемента в расчете на сухое вещество добавки. Гидрофобизующие добавки образуют на. зернах цемента тонкие (мономолекуляриые) пленки, уменьшающие способность цемента смачиваться водой: находясь во влажных условиях, цемент сохраняет активность и не комкуется. В процессе перемешивания бетонной смеси адсорбционные пленки сдираются с поверхности цементных зерен я не препятствуют нормальному течению процессов твердения цемента.

При приготовлении бетонов гидрофобизующие добавки вовлекают . в бетонную смесь большое количество мельчайших пузырьков воздуха — до 30—50 л на 1 м3 смеси (3—5% по объему). Вовлеченный воздух улучшает .подвижность и удобоукладываемость смеси, а наличие в отвердевшем бетоне мельчайших замкнутых пустот способствует повышению его морозостойкости. Гидрофобный цемент характеризуется и более высокими, чем  обычный  цемент,   водостойкостью  и водонепроницаемостью.

К недостаткам гидрофобного портландцемента следует отнести замедленный рост прочности в начальный период, так как гидрофобные пленки на зернах цемента препятствуют его взаимодействию с водой. Но марочная 28-суточная прочность равна прочности обыкновенного портландцемента.

(Гидрофобный портландцемент рекомендуется применять взамен обьйного в тех случаях, когда необходимы его длительное хранение и перевозки на дальние расстояния./Этот цемент можно применять для тех же целей, что и пластифицированный портландцемент.

Быстротвердеющий портландцемент

- Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) обладает более интенсивным, чем обычный, нарастанием прочности в начальный период твердения. Это достигается путем более тонкого помола цемента и регулирования его минералогического состава. При помоле быстротвер-деющего портландцемента допускается введение, активных минеральных 1,5 и не более 3,5% в зависимости от минералогического состава клинкера (содержания С3А) и от тонкости помола.

Быстротвердеющий цемент размалывают до удельной поверхности 3500—40Q0 см2/г (вместо 2800—3000 см2/г для обычного портландцемента). Образцы, изготовленные из пластичного цементного раствора состава 1 : 3, через 3 сут. твердения должны показать прочность не менее 40 кГ/см2 на изгиб и не менее 250 кГ/см2 на сжатие. В остальном свойства БТЦ не отличаются от свойств обыкновенного портландцемента. ^Зыстротвердеющие портландцементы целесообразно применять при изготовлении высокопрочных, обычных и предварительно напряженных железобетонных изделий и конструкций, а также при возведении сооружений из монолитного бетона^

Разновидностью быстротвердеющего цемента является особобыст-ротвердеющий цемент (ОБТЦ), отличающийся не только большой скоростью твердения в начальный период, но и высокой активностью '(600 кГ/см2 и более). Прочность при сжатии образцов из пластичного раствора в суточном возрасте не менее 250, а в трехсуточном — не менее 350 кГ/см2.

Пути получения ОБТЦ и БТЦ аналогичны — высокая тонкость помола, оптимальный минералогический состав. Кроме этого, добавляют большее количество гипса, способствующего уплотнению цементного камня вначале и быстрому росту его прочности.

Сульфатостойкий портландцемент

Сульфатостойкий портландцемент применяют для получения бетонов, работающих в минерализованных и пресных водазу Изготовляют его из клинкера нормированного минералогического состава. Содержание в этом цементе должно быть не более (в %): C3S— 50, С3А — 5,. C3A + C4AF — 22. Введение инертных и активных минеральных добавок не допускается. В связи с умеренным содержанием в клинкере C3S и малым С3А сульфатостойкий цемент является, по существу, белитовым и обладает несколько замедленным твердением в начальные сроки и низким тепловыделением. Цемент выпускают марок 300 и 400, остальные требования к нему такие же, как и к портландцементу.

Сульфатостойкий пуццолановый портландцемент получают совмест

ным помолом клинкера, содержащего не более 8% С3А, с кислыми ак

тивными минеральными добавками. Количество их от веса цемента сле

дующее: добавки вулканического происхождения или глиеж не менее 25

и не более 40%; добавки осадочного происхождения не менее 20 и не бо

лее, 30%.

Цемент делится на марки — 200, 300 и 400, характеризуется пониженной морозостойкостью и поэтому предназначается для конструкций, работающих в подводных и подземных сооружениях в условиях сульфатной агресии,_

Портландцемент с умеренной экзотермией

Портландцемент с умеренной экзотермией отличается от обычного тем, что его получают из клинкера с низким содержанием высокоэкзо-терыичных минералов C3S и С3А и соответственно повышенным содержанием ннзкрэкзотермичных минералов C2S. В этом цементе содержание C3S не должно превышать 50, а С3А 8%. Активные минеральные, добавки не допускаются.    Цемент выпускают двух марок — 300 и 400

По составу и прочности цемент аналогичен сульфатостойкому и применяется для возведения бетонных и железобетонных конструкций наружных стен гидротехнических и других сооружений, работающих в пресной или слабоминерализованной воде и подвергающихся систематическому замораживанию и оттаиванию, увлажнению   и   высыханию.

Дорожный портландцемент

Портландцемент, применяемый для бетонных покрытий автомобильных дорог, должен обладать рядом специфических свойств: высокими прочностью, сопротивлением износу, морозостойкостью, деформативной способностью и стойкостью при действии агрессивных сред. В наибольшей мере удовлетворяет указанным требованиям портландцемент с высоким содержанием алита и алюмоферритной фазы, тогда как содержание С3А в клинкере не должно быть более 10%.. При помоле клинкера допускается введение в качестве гидравлической добавк-и- только гранулированного доменного шлака в количестве не более 15%; другие минеральные добазки недопустимы, так как снижают морозостойкость.

Для дорожного бетона применяют портландцемент марки не ниже 300 при испытании в пластичных растворах. Для повышения морозостойкости дорожного бетона полезно введение воздухововлекающих добавок.

Белый и цветные портландцементы

Белый портландцемент получают из сырьевых материалов, имеющих минимальное содержание окрашивающих окислов (железа, марганца, хрома). В качестве сырьевых материалов используют «чистые» известняки или мраморы и белые каолиновые глины, а в, качестве топлива — газ или мазут, не загрязняющие клинкер золоцЛ Помол цемента более тонкий: остаток на сите № 008 должен быть не более 10%.

Основным свойством белого цемента, определяющим его качество как декоративного материала, является степень белизны, и по этому показателю цемент подразделяется на три сорта — БЦ-1, БЦ-2 и БЦ-3. По прочности белый цемент выпускают трех марок — 250, 300 и 400 (испытания в растворах жесткой консистенции). Начало схватывания должно наступать не ранее 30 мин. Транспортируют и хранят его только в закрытой таре. Вследствие особых требований к сырью и технологическому процессу стоимость белого портландцемента оказывается выше стоимости обычного цемента.

Цветные портландцементы получают путем совместного помола клинкера белого цемента со свето- и щелочестойкими минеральными красителями: охрой, железным суриком, ультрамарином, окисью хрома, сажей.

П. И. Боженов предложил для получения цветных цементов в процессе приготовления сырьевой смеси вводить окислы некоторых металлов (0,05—1%). Эффективное окрашивание дают окислы хрома (желто-зеленый цвет), марганца (голубой и бархатно-черный), кобальта (коричневый). При этом получают окрашенные клинкеры редких цветов, трудно достигаемых при изготовлении цветных цементов смешиванием с пигментами. На различные цветовые оттенки оказывает также влияние минералогический состав клинкера.

Белые и цветные цементы применяют для отделочных работ, производства облицовочных плиток, лестничных ступеней, подоконных плит, фактурного слоя панелей, искусственного мрамора и т.д.

5. ЦЕМЕНТЫ С АКТИВНЫМИ МИНЕРАЛЬНЫМИ ДОБАВКАМИ

К этой группе гидравлических вяжущих веществ принадлежат цементы, получаемые совместным помолом портландцементного клинкера или извести и активной минеральной добавки или тщательным смешиванием указанных компонентов после раздельного измельчения каждого из них. В зависимости от вида исходного вяжущего компонента и добавки цементы с активными минеральными добавками подразделяются на пуццолановые или шлакопортландцементы и известково-пуццолановые и известково-шлаковые вяжущие.]

Активные минеральные добавки

Активными минеральными (гидравлическими) добавками называют природные или искусственные вещества, которые при смешивании в тон-коизмельченном виде с известью и затворении водой придают ей способность к гидравлическому твердению, а при смешивании с портландцементом повышают его стойкость в пресных и сульфатных водах.: Гидравлические добавки в порошкообразном состоянии будучи смешаны с водой самостоятельно не затвердевают. Активные минеральные добавки по происхождению подразделяются на природные и искусственные (табл. 22). Они содержат в значительном количестве вещество, способное при обычных условиях вступать в химическое взаимодействие с гидратом окиси кальция и давать труднсрастворимые продукты реакции. В диатомитах, трепелах и других добавках осадочного происхождения этим веществом является активный водный кремнезем, в вулканических и искусственных — преимущественно алюмосиликаты, а в добавках, содержащих обожженное глинистое вещество

Минеральная добавка считается активной, если она обеспечивает конец схватывания теста, приготовленного на основе добавки и извести, не позднее 7 сут. после затворения и обеспечивает водостойкость не позднее 3 сут. после конца его схватывания. Качество гидравлических добавок характеризуют также количеством в мг СаО, поглощенной из раствора 1 г добавки в течение 30 сут.

Добавки с меньшей активностью относятся к инертным. Помимо активности качество добавки оценивают также по величине набухания и по водопотребности.

Пуццолановый портландцемент

Пуццолановый портландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и во влажных условиях, получаемое путем совместного тонкого измельчения клинкера, гипса (до 3,5%) и активной минеральной добавки или тщательным смешиванием раздельно измельченных тех же материалов. Добавок вулканического происхождения, обожженной глины, глиежа или топливной золы вводят не менее 25 и не более 40% веса цемента, а добавок осадочного происхождения (диатомитов, трепелов) —20—30%. В зависимости от активности гидравлической добавки и минерального состава клинкера устанавливаются их количества. Чем активнее добавка, тем больше она способна связать гидрата окиси кальция и тем меньшее ее количество   необходимо, и наоборот.

Водопотребность пуццолаковых портландцементов с плотными и твердыми добавками (трассы, туфы) почти такая же, как и портландцемента, а при использовании мягких пористых добавок (диатомиты и трепелы) значительно увеличивается. Поэтому необходимая подвижность бетонной смеси обеспечивается большей добавкой воды, а это вызывает увеличение расхода цемента, так как прочность бетона не должна понижаться.

Сроки схватывания и тонкость помола пуццоланового цемента такие же, как и обыкновенного портландцемента; однако пуццолановые портландцементы характеризуются замедленным нарастанием прочности в начальный период твердения по сравнению с портландцементом без добавок, изготовленным из того же клинкера. Пуццолановые портландцементы характеризуются обычно равномерным изменением объема и по значению прочности делятся на марки 200, 300, 400 и 500.

При твердении пуццоланового портландцемента происходят два процесса: гидратация минералов портландцементного клинкера и взаимодействие активной минеральной добавки с гидратом окиси кальция, выделяющимся при твердении клинкера. Са(ОН)2 при этом связывается в нерастворимый в воде гидросиликат кальция по реакции:

Са (ОН)2 + SiO2 + (п — 1) Н2О = СаО • SiO2 • «И2О.

В результате пуццолановый портландцемент оказывается более водостойким, чем обыкновенный портландцемент.

Пуццолановый портландцемент более стоек в сульфатных водах, так как в цементном камне почти отсутствуют окись кальция и высокоосновные четырех- и трехкальциевые гидроалюминаты.

Бетоны и растворы на пуццолановом портландцементе вследствие повышенной водопотребности менее морозостойки, чем бетоны на портландцементе. Воздухостойкость его удовлетворительна. Цемент имеет меньшую, чем портландцемент, водопроницаемость. Объясняется это набуханием гелеобразных составляющих цементного камня и гидравлической добавки в присутствии водного раствора гидрата окиси кальция, уплотняющей бетон.

Бетоны на пуццслановых цементах, особенно на цементах с гидравлическими добавками осадочного происхождения, характеризуются повышенными деформациями усадки и набухания. При твердении на воздухе для цементного камня характерны интенсивная усадка гелеобразных масс и развитие стягивающих напряжений в капиллярах вследствие неизбежного испарения воды. Наоборот, при твердении в воде объем значительно увеличивается вследствие адсорбции воды и набухания коллоидных новообразований. Влажностные деформации особенно значительны в начальный период твердения.

Пуццолановые портландцементы весьма чувствительны к температурным условиям твердения. Так, при 10—12° С процессы схватывания и твердения значительно замедляются, а при 5° С к менее почти полностью прекращаются. При повышенных температурах пуццолановые портландцементы схватываются и твердеют более интенсивно, чем портландцемент, поэтому изделия и конструкции из бетонов на этом цементе целесообразно подвергать термообработке. При схватывании и твердении пуццолаиового цемента выделяется меньше тепла, что позволяет использовать этот цемент для массивных бетонных конструкций. Не пригоден пуццолановый портландцемент для изготовления элементов, эксплуатируемых в условиях попеременного систематического увлажнения и замораживания, или высушивания. Пуццолановые цементы целесообразно применять для подводных и подземных бетонных и железобетонных конструкций, особенно тогда, когда от бетонов требуются большая водонепроницаемость и высокая водостойкость.

При использовании портландцементного клинкера, содержащего не более 8% трехкальциевого алюмината, можно получить сульфато-стойкмй пуццолановый портландцемент. Он применяется для подводных конструкций наряду с сульфатостойким портландцементом, но отличающийся от него более высокой водостойкостью и несколько меньшей стоимостью. Получают такой цемент по технологии пуццоланового портландцемента марок 200, 300 и 400 с введением добавок вулканического (25—40%) или осадочного (20—30%) происхождения.

Не рекомендуется применять сульфатостойкий пуццолановый портландцемент в тех случаях, когда помимо сульфатостойкости сооружения необходимо обеспечить его высокую стойкость против попеременного замораживания и оттаивания, увлажнения и высыхания.

Известково-пуццолановый цемент

Известково-пуццолановым (вяжущим) цементом называется гидрав

лическое вяжущее вещество, получаемое совместным тонким помолом

ксмовой извести и высушенной гидравлической добавки или тщатель

ным смешиванием тех же материалов, измельченных раздельно...! Для

регулирования сроков схватывания при помоле или смешивании добав

ляется до 5% гипса. Содержание извести в этих вяжущих составляет

15—35%; для повышения воздухостойкости его увеличивают до 50%

и более, но при этом наблюдается понижение водостойкости. В отдель

ных случаях, в частности, для повышения морозостойкости известково-

пуццолановых цементов добавляется также до 15—25% портландце

мента (от общего веса смеси).

Для изготовления известково-пуццоланового вяжущего применяют все виды перечисленных выше добавок. В зависимости от вида добавки это вяжущее приобретает соответствующее название — известково-тре-пельное, известково-туфовое и т. д.

Тонкость помола цемента должна быть такой, чтобы через сито № 008 прошло не менее 75% веса просеиваемой пробы; водопотребность его в 2—3 раза больше водопотребностн портландцемента; начало схватывания наступает через 3—6 ч, а конец — через 8—12 ч; при твердении на воздухе цементы дают большую усадку. Известково-пуццолановые цементы выпускают трех марок—50, 100 и 150. Интенсивное нарастание прочности наблюдается только при хранении в среде высокой влажности или в воде. При пониженных температурах цементы твердеют очень медленно, а при температуре +10°С твердение практически прекращается.

Известково-пуццолановый цемент имеет низкую воздухостойкость, что ограничивает его применение при возведении наземных конструкций, работающих в воздушно-сухой среде. Водостойкость известково-пуццо-лановых цементов высокая. Во влажной и водной среде цемент относительно быстро твердеет и набирает прочность, а благодаря набуханию гелевых масс возрастают плотность и водонепроницаемость бетонов на этом цементе. Известково-пуццолановые цементы имеют очень малую морозостойкость, поэтому их нельзя применять в конструкциях, подверженных систематическому замораживанию и оттаиванию в насыщенном водой состоянии.

Применяют известково-пуццолановые цементы для бетонов под

земных или подводных конструкций, а не в надземных сооружениях, для

приготовления кладочных и штукатурных растворов, а,также для произ

водства легкобетонных камней. Вследствие низкой прочности их нельзя

использовать для получения железобетона.

6. ШЛАКОВЫЕ ЦЕМЕНТЫ

Шлаковые цементы являются разновидностью цементов с активными минеральными добавками, в которых последние представлены доменными гранулированными шлаками. Способность шлаков к самостоятельному водному твердению позволяет получать шлаковые цементы по качеству выше, чем пуццолановые цементы (с другими видами активных минеральных добавок).J

Эта группа вяжущих является весьма эффективной в экономическом отношении. Издержки производства шлакопортландцемента ниже, чем обычного портландцемента, на 15—20%, а известково-шлакового вяжущего еще ниже. Весьма экономичным является производство высо-комарочного (марка 500) шлакопортландцемента, полноценно заменяющего лучшие виды портландцемента, особенно в массивных конструкциях. Следует особо подчеркнуть высокую экономическую эффективность шлаковых бесклинкерных вяжущих, себестоимость которых даже при небольших мощностях установок по производству вяжущих не превышает 4,5—5 руб/т,

Шлаки и их свойства

Шлаками называют побочные продукты, получаемые при плав-кечерных и цветных металлов, сжигании твердых видов топлива, а также при электротермической возгонке фосфора/ До последнего времени для производства вяжущих веществ применялись лишь гранулированные доменные шлаки, в последние годы начали использовать передельные шлаки черной металлургии, некоторые шлаки цветной металлургии, а также топливные гранулированные шлаки.

Гидравлическая активность доменных шлаков возрастает с увеличением значений обоих модулей, пои зтом чем выше модуль активности, тем быстрее твердеет шлак в измельченном состоянии.

Надо иметь ввиду, что шлаки одного и того же химического состава могут быть активными или почти совсем не обладать способностью образовывать гидравлическое вяжущее вещество, так как это зависит от, того, какая структура получена при охлаждении шлака. При медленном охлаждении шлака значительная часть его успевает выкристаллизоваться в виде различных устойчивых минералов, которые не обладают вяжущими сврйствами. При быстром охлаждении шлаков кристаллизация затруднена и они приобретают преимущественно стекловидную (аморфную) структуру, когда составляющие шлака находятся в неустойчивом неравновесном состоянии и активность их значительно выше, чем у закристаллизованных шлаков. Поэтому для повышения активности шлаков, применяемых для изготовления цементов, все огненно-жидкие шлаки подвергают резкому охлаждению. При этом их гранулируют, т.е. создают условия, когда образуются в виде мелких зерен гранулы очень пористой структуры.

«—--- Гранулированные доменные шлаки получают на установках мокрой, полусухой и сухой грануляции. При мокром способе грануляции количество стекловидной фазы оказывается наибольшим — 40—95%, но шлак имеет высокую влажность (до 40%). Поэтому использование таких шлаков'несколько удорожает цемент за счет большого расхода топлива на сушку шлака (до 80 кг условного топлива на 1 т сухого гранулята). Однако качество шлака мокрой грануляции пока выше, чем шлака, полученного другими способами.

Лучшие технико-экономические показатели дает полусухая грануляция шлаков, заключающаяся в первичном охлаждении жидкого шлака водой и окончательном охлаждении его воздухом. Влажность шлака составляет 5—10%. Для полусухой грануляции используются барабанные грануляторы, гидроударные установки и грануляционные мельницы. При грануляции на установке с барабаном (44) жидкий шлак из шлакового ковша сливается в приемную ванну и далее поступает на наклонный грануляционный желоб, в который через специальные сопла подается вода под давлением до 6 атм из расчета 0,7—1,5 л3 па 1 т топлива. Сильно охлажденный шлак вместе с водой попадает на грануляционный барабан, где дробится и отбрасывается на площадку склада. При этом частицы шлака интенсивно охлаждаются воздухом.

При сухой грануляции поток шлакового расплава разбивается сильной струей воздуха или пара на мелкие капли, охлаждающиеся далее воздухом. Влажность гранулированного таким образом шлака равна 0-5%.

Гранулированные доменные шлаки даже при наиболее благоприятном химическом составе и почти полном остекловании при грануляции, измельченные в тонкий порошок, не обладают достаточными гидравлическими свойствами, т. е. при затворении водой твердеют очень медленно. Для получения шлаковых цементов с высокими гидравлическими свойствами необходимо применять специальные добавки — возбудители гид-равличности гранулированных шлаков. Ими являются некоторые щелочи и сульфаты. На основе этих возбудителей получают шлакопортландцемент, известково-шлаковый и сульфатно-шлаковый цементы.

Шлакопортландцемент

Шлакопортландцементом называется гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным измельчением портландцементного клинкера, доменного гранулированного шлака и небольшого количества гипса (до 3,5% серного ангидрида от веса всей смеси) или путем тщательного смешения раздельно измельченных тех же компонентов. \ При совместном измельчении клинкера, шлака и гипса качество шлакопорт-ландцемента оказывается несколько выше, так как при раздельном измельчении и последующем смешивании исходных материалов не удается получить продукт такой же однородности, как в первом случае. Содержание доменного гранулированного шлака в шлакопортландцементе должно составлять не менее 30 и не более 60% веса готового продукта, причем допускается часть шлака—-в количестве не более 15% —заменять природными гидравлическими добавками (трепелом, диатомитом и др.).

Наряду со шлакопортландцементом промышленность выпускает

также быстротвердеющий шлакопортландцемент, отличающийся более

интенсивным нарастанием прочности в начальный период (до 7 сут.);

марочная 28-суточная прочность его равна марке обыкновенного шлако-

портландцемента. Для получения быстротвердеющего шлакопортландце-

мента применяют клинкер быстротвердеющего цемента, доменные шлаки

высокой активности, уменьшая их предельное содержание до 50% веса

цемента.

Твердение шлакопортландцемента может быть разделено на два периода: первичный — гидратация и твердение клинкерной части цемента— и вторичный — химическое взаимодействие продуктов гидратации клинкерной части с доменными гранулированными шлаками. При гидратации трехкальциевого силиката клинкера выделяется гидрат окиси кальция, взаимодействующий с глиноземом и кремнеземом шлака с об* разованием гидросиликатов и гидроалюминатов кальция.

По сравнению с портландцементом шлакопортландцемент характеризуется замедленным нарастанием прочности в начальные сроки твердения, но марочная и последующая прочности их примерно одинаковы. С понижением температуры прирост прочности сильно снижается. Повышенная температура при достаточной влажности среды оказывает на твердение шлакопортлаидцемента более благоприятное влияние, чем на твердение портландцемента.

По пределу прочности при сжатии и изгибе шлакопортландцемент разделяется на марки 200, 300, 400 и 500. Быстротвердеющий шлакопортландцемент должен иметь в трехсуточном возрасте предел прочности при сжатии не менее 200 и при изгибе не менее 35 кГ/смг^ Водостойкость бетонов на шлакопортландцементе выше, чем на портландцементе, из-за отсутствия в них свободного гидрата окиси кальция: в шлако-портландцементном бетоне она связана шлаком в труднорастворимые гидроалюминаты и низкоосновные гидросиликаты кальция, тогда как в портландцементном бетоне гидрат окиси кальция в значительном количестве содержится в свободном виде и может вымываться, ослабляя бетон.Шлакопортландцементный бетон обладает удовлетворительной морозостойкостью и воздухостойкостью. Однако он все же менее стоек, чем бетон на портландцементе. Это объясняется тем, что низкоосновные гидрссиликаты более склонны к деформациям при изменении состояния среды и менее способны сопротивляться совместному действию воды и; мороза.

Применяют шлакопортландцемент для тех же целей, что и портландцемент, однако учитывая его повышенную водостойкость, наиболее целесообразно его использовать в гидротехнических сооружениях, а также для конструкций, находящихся в условиях влажной среды. Не следует применять его в конструкциях, подвергающихся частому замораживанию и оттаиванию, увлажнению и высыханию.

Известково-шлаковый цемент

Известково-шлаковое вяжущее получают совместным помолом су-хйгр гранулированного доменного шлака и извести с добавкой небольшого количества гипса или тщательным смешением тех же материалов, раздельно измельченных в тонкий порошок. Содержание окиси кальция в вяжущем изменяется в зависимости от вида шлака (основной или кислый) и колеблется в пределах от 10 до 30% веса смеси.

Известково-шлаковое вяжущее медленно схватывается и медленно твердеет: начало схватывания наступает через 1,5—4 ч, а конец — через 4—8 ч. Для регулирования сроков схватывания и твердения в него вводят до 5% гипса. Это вяжущее Еыпускают трех марок — 50, 100 и 150; при высококачественных шлаках и извести-кипелке марка может быть повышена до 300.

Воздухостойкость известково-шлакового вяжущего низкая^ При тйердении на воздухе прочность понижается в результате разрушающего действия СО2 воздуха на отдельные кристаллогидраты, а также вследствие больших усадочных деформаций. Морозостойкость этого вяжущего ниже, чем шлакового портландцемента: она достигает обычно 25—50 циклов замораживания и оттаивания. Поэтому в отличие от нз-вестково-пуццолановых нзвестково-шлаковый цемент можно применять для наружных стен и других ограждающих конструкций, а также тех частей гидротехнических сооружений, которые подвергаются нечастым периодическим воздействиям замораживания и оттаивания. Для повышения морозостойкости иногда вводят до 20% портландцемента (от веса смеси). Бетоны на этом вяжущем необходимо предохранять от преждевременного высыхания.

Применяют известково-шлаковое вяжущее в конструкциях, не подвергающихся систематическому попеременному замораживанию и оттаиванию, увлажнению и высыханию

Сульфатно-шлаковые цементы

 Имеется несколько видов сульфатно-шлаковых цементов, но наиболее широкое распространение получили гипсо-шлаковый и шлаковый бесклинкерный цемент.

Гипсо-шлаковый цемент-—гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного помола гранулированного доменного шлака, гипса и портландцементного клинкера. Состав цемента следующий (в %): шлака 75—85, двуводного гипса или ангидрита 15—20 и до 5 портландцементного клинкера или до 2 извести. Для этого цемента используют шлаки с повышенным содержанием глинозема, т. е с высоким модулем активности.     {

Сульфатно-шлаковый -цемент является медленнотвердеющим вяжущим веществом. Он выпускается двух марок — 300 до 400 при испытании образцов из раствора жесткой консистенции (1:3) через 28 сут. Начало схватывания его должно наступать не ранее 30 мин, а конец — не позднее 12 ч после затворения водой. При гидратации цемента выделяется мало тепла (40—45 ккал/кг в течение 7 сут.), поэтому его можно применять в массивных конструкциях. Подогрев до 40° С ускоряет твердение, но при более высоких температурах прочность падает вследствие дегидратации сульфата кальция. Изделия из гипсо-шлакозого цемента имеют невысокие морозостойкость и воздухостойкость, но повышенную стойкость в пресной и некоторых минерализованных водах.

Применяют гипсошлаковый цемент для бетонных и железобетонных подземных и подводных конструкций и сооружений. Наиболее целесообразно его использовать в условиях выщелачивания и сульфатной агрессии. Не рекомендуется применять сульфатно-шлаковый цемент в конструкциях, подверженных попеременному замораживанию и оттаиванию или увлажнению и высыханию.

: Шлаковым бесклинкерным цементом называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным помолом гранулированного доменного шлака (85—90%), сульфата кальция (5—8%) и обожженного доломита (5—8%). Для основных шлаков доломит обжигают при 800—900° С, что сопровождается полным разложением MgCO3 и частичным СаСОз, а для кислых шлаков — при 1000—1100° С с полным разложением также и СаСОз. Свойства и условия применения, шлакового бесклинкерного цемента такие же, как и гипсо-шлакового.

7. ГЛИНОЗЕМИСТЫЙ ЦЕМЕНТ

Глиноземистый цемент представляет собой быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением обожженной до плавления (или спекания) сырьезой смеси, составленной из бокситов и извести (известняка) с преобладанием в готовом продукте низкоосновных алюминатов кальция. Глиноземистые цементы выпускаются без добавок или с добавками различных минеральных веществ (до 2%), улучшающими некоторые свойства цемента и снижающими его стоимость

[^Производство глиноземистого цемента. Этот цемент получают во многих странах разными методами из различного сырья, отчего химический состав его колеблется в широких пределах. Главнейшими окислами являются А12О3 (30—50%), СаО (35—45%), SiO2 (5—15%) и Fe2O3 (5—15%). Наиболее важными соединениями являются алюминаты кальция СаО-А12О3(СА), 5СаО-ЗА12Оз(С5Аз) и СаО • 2А12О3(СА2), причем главная составная часть — однокальциевый алюминат СаО • • А12О3.

Существуют два способа производства глиноземистого цемента: первый основан на спекании сырьевой смеси, а второй — на ее плавлении. По первому способу тонкоизмельченная и тщательно перемешанная смесь боксита и известняка обжигается до спекания при температуре 1150—1250° С во вращающихся, шахтных, кольцевых, камерных и туннельных печах или на спекательной решетке. При обжиге не во вращающихся печах сырьевую шихту необходимо брикетировать, во вращающихся печах обжиг можно вести по сухому и мокрому способам производства. Полученный продукт обжига размалывается в тонкий порошок.

Глиноземистый цемент можно получать плавлением сырьевой смеси при температуре 1500—1700° С в вагранках, электрических или доменных печах, а также в конвертерах. Расплавленная масса охлаждается и подвергается дроблению, а затем измельчению в тонкий порошок. При получении глиноземистого цемента спеканием требуются более чистые бокситы с небольшим содержанием кремнезема (до 8%) и окиси железа (до 10%). При получении его плавлением можно использовать сырье с большим количеством примесей, что препятствует распространению метода спекания, несмотря на меньший расход топлива.

/Твердение глиноземистого цемента. При затворении порошка глиноземистого цемента водой образование пластичного теста, последующее его уплотнение и твердение протекают так же, как и для обыкновенного портландцемента. Однокальциевый алюминат при взаимодействии с водой гидратируется, образуя, в конечном итоге, двухкальциевый восьми-водный гидроалюминат и гидрат окиси алюминия:

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

Восьмиводный гидроалюминат кальция выделяется в виде пластинчатых кристаллов гексагональной системы, а гидроокись алюминия — в виде гелевидной массы.

Другие алюминаты кальция — С2А, С5А3, а также алюмоферриты и ферриты кальция, входящие в состав цемента, взаимодействуя с водой, дают соответствующие гидраты. Происходит уплотнение геля двух-кальциевого гидроалюмината и кристаллизация продуктов гидратации, протекающие очень интенсивно, что обеспечивает быстрое нарастание прочности. Примерно через 5—6 ч   прочность  глиноземистого   цемента может достичь 30% и более марочной, через 1 сут. твердения — свыше ,90%, а в трехсуточном возрасте — марочную прочность. jtS~-i Свойства глиноземистого цемента. Глиноземистый цемент является (быстротвердеющим, но не   быстросхватывающимся   вяжущим   веществом: начало схватывания должно наступать не ранее 30 мин, а конец — не позднее 12 ч. По величине предела прочности при сжатии цемент делится на три марки — 400, 500 и 600. Марка цемента обозначается по пределу прочности при сжатии образцов, изготовленных в виде кубов размером 7,07X7,07X7,07 см из жесткого раствора состава 1 : 3 (по весу) и испытанных в возрасте 3 сут. после твердения в нормальных условиях, j

Наиболее благоприятными для твердения глиноземистого цемента являются влажные условия и нормальная температура (20±5° С), нарастание прочности при более высокой температуре уменьшается. Возможно даже падение достигнутой прочности и разрушение бетона в результате перекристаллизации двухкальциевого гидроалюминат'а в трех-кальциевый гидроалюминат. Это называют болезнью глиноземистого цемента, и поэтому пропаривание изделий на глиноземистом цементе не допускается. При температуре ниже-нормальной и близкой нулю цемент твердеет удовлетворительно, что объясняется его высокой экзотермией. В течение 1—3 сут. глиноземистый цемент выделяет в 1,5—2 раза больше тепла, чем портландцемент. Это ограничивает применение глиноземистого цемента в массивных конструкциях, так как разогрев бетона внутри массива и охлаждение его снаружи вызывают растягивающие напряжения в наружных слоях и образование трещин.

Бетоны на глиноземистом цементе характеризуются высокой водостойкостью, воздухостойкостью, морозостойкостью и жаростойкостью; они стойки в условиях пресных и сульфатных вод, однако разрушаются щелочными водамид Высокая воздухостойкость глиноземистого цемента объясняется уплотнением и кристаллизацией продуктов гидратации цемента и их незначительной деформативной способностью при изменении влажности воздуха. Бетоны на глиноземистом цементе обладают значительной плотностью, примерно в 1,5 раза меньшей пористостью, чем на портландцементе, что и определяет их высокую морозостойкость. Повышению плотности цементного камня способствует гель гидрата окиси алюминия, образующийся при гидратации однокальциевого алюмината, который  имеет  плотное строение.

Применение глиноземистого цемента существенно ограничивается его стоимостью (в 3—4 раза выше, чем портландцемента), хотя по своим физико-механическим свойствам (скорости твердения, стойкости в различных средах) он превосходит все другие вяжущие вещества, в том числе и портландцемент.-(Применяют глиноземистый цемент в тех случаях, когда наиболее рационально используются его специфические свойства, например при срочных восстановительных работах (ремонт плотин, труб, дорог, мостов, при срочном возведении фундаментов). Химическая стойкость глиноземистого цемента делает целесообразным его использование для тампонирования нефтяных и газовых скважин, на предприятиях пищевой промышленности, на травильных и красильных предприятиях, для футеровки шахтных колодцев и туннелей.

Глиноземистый цемент обладает большей, чем другие вяжущие, стойкостью к действию высокой температуры—1200—1400° С и выше, что позволяет использовать его для изготовления жаростойких бетонов, применяемых в качестве футеровки тепловых аппаратов}) Нельзя использовать глиноземистый цемент в тех случаях, когда температура бетона во время его твердения может подняться выше 25—30° С, а также в бетонных конструкциях, подвергающихся действию вод, содержащих щелочи

8. РАСШИРЯЮЩИЙСЯ ЦЕМЕНТ

Цементный камень, полученный на основе всех гидравлических вяжущих веществ, испытывает усадочные деформации. Это гложет привести к появлению трещин в местах соединения бетонных и железобетонных элементов сооружения, что нарушает монолитность конструкции. В ряде случаев, когда усадочные деформации недопустимы, например для зачеканки и гидроизоляции швов тюбингов туннелей, раструбных труб, заделки фундаментных болтов, получения плотных стыков бетонных и железобетонных конструкций, заделки трещин и др., необходимо применять безусадочный или расширяющийся цемент.

) К. этой группе вяжущих относятся цементы, несколько увеличивающиеся в объеме при твердении во влажностных условиях или не дающие усадки при твердении на воздухе. Все расширяющиеся цементы являются смешанными и состоят из основного вяжущего вещества и расширяющейся добавки, в которую, в свою очередь, может входить несколько компонентов.

Известно несколько видов расширяющихся цементов: на основе глиноземистого цемента — водонепроницаемый расширяющийся цемент и гипсо-глиноземистый; на основе портландцемента — расширяющийся портландцемент, напрягающий цемент, гипсо-цементно-пуццолановые вяжущие и т. д. „.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент представляет собой быстросхватывающееся и быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, получаемое помолом или смешением в шаровой мельнице тон-коизмельченных глиноземистого цемента, гипса и высокоосновного алюмината кальция 4СаО • АЬОз • 12Н2О. Последний получают гидротермальной обработкой в течение 5—6 ч при температуре 120—150° С смеси глиноземистого цемента с известью (1 : 1), затворенной 30% воды. Полученный продукт высушивают и измельчают. Начало схватывания цемента не ранее 4, а конец не позднее 10 мин. Схватывание можно замедлить добавкой с.с.б., уксусной кислоты и буры. Предел прочности при сжатии образцов из цементного теста должен быть не ниже: через 6 ч — 75, 3 сут. — 300 и 28 сут. — 500 кГ/см2. Через 1 сут. твердения образцы должны быть полностью водонепроницаемы при давлении в 6 атм, а их линейное расширение— не менее 0,2 и не более 1%.

L-Применяют водонепроницаемый расширяющийся цемент при восстановлении разрушенных бетонных и железобетонных конструкций, для гидроизоляции туннелей, стволов шахт, в подземном и подводном строительстве, при создании водонепроницаемых швов. Нельзя применять водонепроницаемый цемент при работах, выполняемых при температуре ниже 0°С, а .также в конструкциях, эксплуатируемых при температурах выше 80° СЛ

Гипсо-глиноземистый расширяющийся цемент является быстротвер-деющим гидравлическим вяжущим, получаемым путем совместного тонкого помола или смешения высокоглиноземистого шлака и природного двуводного гипса в соотношении 0,7 : 0,3 по весу. Это вяжущее характеризуется интенсивным твердением в водной и воздушной среде.

Цемент бывает трех марок — 300, 400 и 500, устанавливаемых испытанием на сжатие образцов размером 7,07X7,07X7,07 см, изготовленных трамбованием из жестких растворов 1 : 3 и испытанных через 3 сут. твердения. Начало схватывания цемента не ранее 20 мин, а конец не позднее 4 ч после затворения водой.

Образцы из теста гипсо-глиноземистого цемента через 1 сут, должны быть водонепроницаемы при гидростатическом давлении в 10 атм с линейным расширением не менее 0,15%; через 28 сут. линейное расширение имеет значение не менее 0,3 и не более 1%. При твердении образцов на воздухе (после трехсуточного твердения в воде) расширение должно быть не менее 0,1%. Образцы из теста через 1 сут., а из раствора состава 1 : 3 через 3 сут. после изготовления должны пропускать воду под давлением 10 атм.

Для бетонов на гипсо-глияоземистом цементе характерна высокая прочность сцепления нового бетона со старым — в 20—25 раз выше, чем бетонов на портландцементе. Бетоны обладают высокой морозостойкостью и сульфатостойкостыо.

I Гипсо-глшюземистый расширяющийся цемент применяют для изготовления безусадочных и расширяющихся водонепроницаемых растворов и бетонов, заделки стыков бетонных и железобетонных конструкций, зачеканки швов и раструбов и т. п. Нельзя использовать его в конструкциях, работающих при температуре выше 80° С. t

Расширяющийся портландцемент (РПЦ) — гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным помолом портландцементного клинкера, высокоглиноземистого шлака, гипса и активной гидравлической добавки. Состав этого цемента следующий (в %): портландцемент 60—65, глиноземистый шлак 5—7, двуводный гипс 7—10, гидравлическая добавка 20—25. Портландцемент должен содержать более .45% C3S и не менее 7% СзА. В качестве добавки применяют трепел, бентонит, опоку и др.

Расширяющийся портландцемент выпускают марок 400, 500 и 600, устанавливаемых по показателям прочности при сжатии образцов размером 7,07X7,07X7,07 см, изготовленных из жестких растворов (1:3) и испытанных через 28 сут. твердения в воде.

Образцы из теста расширяющегося портландцемента при твердении . в воде в течение 1 сут. расширяются не менее чем на 0,15% и через 28 сут. на 0,3— 1%. Для этого цемента характерен интенсивный рост прочности в процессе пропаривания при температуре 70—80° С. Это позволяет при производстве бетонных и железобетонных изделий на этом цементе ограничиваться термообработкой в течение 4—6 ч. Для цемента характерна высокая водонепроницаемость — нет фильтрации воды при давлении 11 атм и выше.

Применяют расширяющийся портландцемент для тех же целей, что и другие расширяющиеся цементы, а также для производства бетонных и железобетонных изделий, если необходимо сократить время термообработки.?

Напрягаемый портландцемент (НЦ) представляет собой быстро-схватывающееся и быстротвердеющее вяжущее вещество, получаемое тонким помолом портландцементного клинкера (65%), высокоглинозе-мнстого цемента или шлака (20%) и двуводного гипса (15%). Начало схватывания цемента через 2—5 и конец через 7 мин. Замедляют схватывание добавки сульфитно-спиртовой барды. Предел прочности при сжатии через 1 сут. составляет 200—300 кГ/см2. Фильтрации для образцов из затвердевшего цемента толщиной 20 мм при давлении до 20 атм не наблюдается. Для этого вяжущего наиболее характерна энергия расширения, достигающая 30—40 кГ/см9- при твердении образцов из раствора 1:1. Это свойство позволяет использовать напрягаемый цемент для изготовления железобетонных изделий, арматура которых должна быть напряжена в нескольких направлениях (двухосное и трехосное напряженное армирование). Такое напряжение арматуры механическим путем связано с большими затруднениями.

Напрягаемый цемент целесообразно   применять   для   производства напорных железобетонных труб и некоторых тонкостенных железобетонных изделий