Для студентов обучающихся по специальности «Производство строительных изделий и конструкций»

Минеральные вяжущие вещества

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

На основе воздушной или гидравлической извести с использованием различных активных минеральных добавок производят группу так называемых известесодержащих гидравлических вяжущих. В эту группу, в частности, входят следующие разновидности: известково-пуццолановое вяжущее; известково-зольное вяжущее; известково-шлаковое, включающее доменные или электротермофосфорные гранулированные шлаки. Состав и свойства вяжущих этой группы регламентированы ГОСТ 2544—76.

Ниже описаны технология, свойства и область применения первых двух видов известесодержащих вяжущих. Известково-шлаковое вяжущее описано в главе 13.

Известково-пуццолановое вяжущее получают совместным измельчением высушенной кислой активной добавки вулканического или осадочного происхождения и негашеной воздушной или гидравлической извести. Свойства кислых добавок должны соответствовать требованиям ОСТ 21-9-81, а извести — ГОСТ 9179—77.

Содержание извести в вяжущих в пересчете на активные CaO+MgO должно быть в пределах 10—30 % по массе. В вяжущее при помоле допускается введение гипсового камня в количестве не более 5 % по массе смеси. Допускается также введение в вяжущее различных добавок в количестве до 3 % по массе, способствующих улучшению физико-механических свойств. В отдельных случаях для повышения долговечности, в частности морозостойкости, в известково-пуццолановое вяжущее добавляется портландцемент в количестве 15—25 % по массе.

Для изготовления известково-пуццолановых вяжущих следует применять активные минеральные добавки с пониженной водопотребностью. Об их водопотребности можно судить, в частности, по истинной плотности и насыпной плотности размолотой добавки: чем выше эти показатели, тем меньше водопотребность добавок.

Технологическая схема производства известково-пуццоланового цемента, как и других смешанных вяжущих на основе извести (известково-шлакового и др.), показана на  49.

Так как в большинстве случаев природные активные добавки — сравнительно мягкие материалы, то дробят их в валковых зубчатых или самоочищающихся молотковых дробилках, реже в щековых. В валковых и молотковых дробилках материал измельчают до частиц размером 8—10, а в щековых дробилках — до 25—35 мм. Сушат влажные добавки в сушильных барабанах или в дробилках с одновременной сушкой до влажности 1— 2%.

Целесообразнее для этой цели сушильно-помольные установки. При небольшой влажности добавок (до 3—4 %) сушку исключают из технического процесса.

Вяжущее размалывают в трубных мельницах обычно по открытому циклу. Помол в замкнутом цикле способствует более тонкому измельчению продукта и повышению его качества. По ГОСТ 2544—76 вяжущее необходимо измельчать до остатка на сите № 008 не более 10%.

Известково-пуццолановое вяжущее отправляют потребителю в бумажных многослойных мешках, в специальных контейнерах или в соответствующим образом оборудованных вагонах и автомашинах. Вследствие высокой подвижности порошка известково-пуццоланового вяжущего перевозить его навалом в неприспособленных транспортных средствах нельзя.

Схватывание и твердение известково-пуццолановых вяжущих при затворении водой обусловлены в основном взаимодействием гидроксида кальция, содержащегося в извести, с активным кремнеземом добавки и образованием при обычных температурах гидросиликатов кальция Tnna.CSH(B) и C2SH2, по Р. Боггу [по X. Тейлору — соответственно С —S —Н (I) и С— S—Н (II)].

При твердении известково-пуццолановых  вяжущих с невысоким содержанием извести при обычных температурах образуются гидросиликаты состава (0,8—1,5) CaO-Si02-2,5H20[CSH(B)]; при повышенном количестве извести в вяжущем и при тепловой обработке возможно образование гидросиликатов состава (1,5—2) СаО-•Si02-(1—2,5)H20[C2SH2]. Возможно образование и гидрогеленита 2СаО- AbOs-SiCVSH^O. Все эти цементирующие новообразования первоначально возникают в субмикроскопическом коллоидном состоянии и адсорбци-онно удерживают значительное количество воды.

Следует отметить, что гидроксид кальция взаимодействует с активными компонентами добавок только при достаточно высокой влажности смеси. Если воды для образования гидросиликатов, гидроалюминатов и других соединений недостаточно, то твердение цемента прекращается, дальнейшее же обезвоживание может привести даже к снижению достигнутой прочности.

Истинная плотность их зависит от вида примененной добавки и колеблется в пределах 2,2—2,7 г/см3.

Насыпная плотность также определяется видом используемой добавки и составляет 500—800 в рыхлонасыпном состоянии и 800—1200 кг/м3 в уплотненном.

Водопотребность известково-пуццолановых вяжущих значительно выше, чем портландцемента и других вяжущих. Если тесто нормальной густоты для портландцемента удается получить при В/Ц=0,25...0,28, то для известково-пуццолановых вяжущих с вулканическими добавками В/Ц возрастает до 0,3—0,35, а с добавками осадочного происхождения — даже до 0,4—0,5. Такая водопотребность объясняется развитой внутренней поверхностью частиц этих добавок. Эта же причина обусловливает их большую гигроскопичность и воцоудерживающую способность.

По ГОСТ 2544—76, начало схватывания этих вяжущих должно наступать не ранее 25 мин, а конец — не позднее 24 ч от момента затворения. Сроки схватывания зависят от свойств извести и добавок, температуры и влажности среды. Схватывание и твердение значительно замедляются в условиях воздушно-сухой среды и при температуре ниже 10 °С.

Высокая водопотребность известково-пуццолановых вяжущих и образование при их твердении цементирующих веществ в тонкодисперсиом состоянии обусловливают интенсивное развитие объемных деформаций при изменении влажности растворов и бетонов на них.

Усадка и набухание затвердевших известково-пуццолановых вяжущих более значительны, чем ряда других вяжущих, и во многих случаях достигают 3—4 мм/м и более. У растворов и бетонов на известково-пуццолано-вых вяжущих, изготовленных из негашеной извести и добавок вулканического происхождения, эти показатели меньше. Повышенная усадка и набухание — существенный недостаток этих вяжущих и, как будет показано ниже, одна из причин их пониженной воздухостойкости.

По ГОСТ 2544—76, все известесодержащие вяжущие, в том числе и известково-пуццолановые, по прочности делят на марки 50, 100, 150, 200. Марку определяют по результатам испытаний прочности балочек размером 40Х Х40Х160 мм при изгибе и прочности при сжатии их половинок. Балочки готовят из раствора 1:3 по массе с нормальным песком.

Физико-механические испытания вяжущих проводят в соответствии с ГОСТ 310.4—81. Образцы выдерживают сначала в формах во влажной среде в течение 7 сут при нормальной температуре, а затем расформировывают и хранят до испытаний в воде в течение 21 сут.

Интенсивность нарастания прочности бетонов и растворов на известково-пуццолановых вяжущих во времени зависит от температуры и влажности окружающей среды. При низких положительных температурах (10°С и ниже) рост прочности бетонов на этих вяжущих резко уменьшается, и наоборот, при 80—95 °С в условиях повышенной влажности прочность растет очень интенсивно. При твердении во влажной среде или в воде механическая прочность бетонов на этих цементах увеличивается в течение продолжительного времени. Если же твердение протекает на воздухе с относительной влажностью до 50—60%, то рост их прочности через 3—6 мес обычно прекращается. При высыхании бетонов в последующие сроки наблюдается иногда снижение прочности. Это явление присуще всем известково-пуццолановым вяжущим, а известково-трепельным и известково-диатомитовым в особенности.

Схватывание и твердение известково-пуццолановых вяжущих ускоряется при введении двуводного или полуводного гипса, а также портландцемента. Аналогичное действие оказывает хлористый кальций и некоторые другие соли (1—2% массы вяжущего). Активность известково-пуццолановых вяжущих при хранении их значительно снижается. Это объясняется тем, что вследствие большой гигроскопичности они легко адсорбируют влагу из воздуха, что способствует гашению извести, содержащейся в вяжущем, и ускоренной ее карбонизации. Поэтому рекомендуется использовать эти вяжущие в сроки до двух — четырех недель после их изготовления,

В отличие от других гидравлических вяжущих веществ прочность растворов и бетонов на известково-пуццолановых вяжущих при длительном пребывании в воздушно-сухой среде снижается.

Опытами установлено, что воздухостойкость известково-пуццолановых вяжущих резко возрастает, если ввести в них 15—25 % портландцемента по массе смеси или увеличить содержание извести до 40—50 %. Повышенная воздухостойкость в последнем случае обусловлена образованием при твердении более стойких на воздухе высокоосиовных гидросиликатов кальция. Кроме того, гидроксид кальция, в значительном количестве присутствующий в цементном камне и в первую очередь взаимодействующий с углекислотой воздуха с образованием карбоната кальция, способствует дополнительному уплотнению и упрочнению системы. Вместе с тем он оказывает защитное действие на гидросиликаты кальция, предохраняя их от преждевременного разложения углекислотой.

Следует отметить также, что чем плотнее структура частичек активной добавки, тем меньший избыток извести необходим для увеличения воздухостойкости изве-i стково-пуццоланового вяжущего.

Положительно влияет на воздухостойкость известково-пуццолановых вяжущих тепловая обработка их при 80—95°С и особенно при 175—200°С (в автоклавах), способствующая увеличению размеров кристаллов новообразований и уменьшению дефектов в их структуре. Повышению воздухостойкости способствует также введение гипса и ангидрита (до 5%), а также хлористого кальция и некоторых других солей в количестве 1—2 % или замена воздушной извести гидравлической.

Водостойкость известково-пуццолановых вяжущих высокая. Даже длительное воздействие на затвердевшие известково-пуццолановые цементы мягких (пресных) и сульфатных вод практически не вызывает их коррозии. При твердении этих вяжущих, содержащих 25—30 % извести, цементирующие вещества образуются лишь в виде низкоосновных гидросиликатов и алюминатов кальция. Последние, как известно, отличаются низкой растворимостью в мягких водах и распадаются на первичные оксиды лишь при низких концентрациях СаО в воде (ниже 0,05 г/л). Отсутствие в затвердевшем цементном камне трехкальциевого гидроалюмината исключает также возможность образования трехсульфатной формы гидро-сульфоалюмината кальция.

Во влажной и водной среде известково-пуццолановое вяжущее относительно быстро твердеет, набирая прочность. Кроме того, в этих условиях благодаря набуханию гелевых масс значительно возрастает плотность и водонепроницаемость бетонов и растворов. Под воздействием водных растворов кислот и щелочей бетоны и растворы на этих вяжущих разрушаются так же быстро, как и на других цементах.

Морозостойкость бетонов и растворов на известково-пуццолановых вяжущих характеризуется обычно 15—20 циклами замораживания и оттаивания образцов в насыщенном водой состоянии. Такая пониженная морозостойкость обусловлена высокой водопотребностыо бетонных смесей, а следовательно, и их большой пористостью и водопоглощением, а также значительными деформациями усадки и набухания при изменении их влажности. Морозостойкость бетонов на известково-пуццолаиовых вяжущих повышается, если вводить в них портландцемент в количестве 15—25 % по массе смеси, а также если применять тепловую обработку, особенно при повышенных температурах в автоклавах.

На известково-пуццолановых вяжущих изготовляют растворы и бетоны низких марок, используемые для кладки стен подвальных помещений, устройства фундаментов и других частей зданий и сооружений, находящихся во влажной среде и не подвергающихся систематическому замерзанию и оттаиванию. Применять эти вяжущие можно и при возведении небольших подземных и подводных сооружений, подвергающихся воздействию сульфатных и пресных вод. При пониженных температурах окружающей среды (ниже 10 °С) вследствие сильного замедления процессов схватывания и твердения применять их не рекомендуется. Нельзя использовать эти цементы и в конструкциях, подвергающихся высыханию и увлажнению, замерзанию и оттаиванию.

Известково-зольное вяжущее по своим свойствам во многом сходно с известково-пуццолановыми вяжущими. Его получают совместным помолом сухой золы с воздушной или гидравлической известью. Обычно одновременно добавляется двуводный гипс (до 5% по массе). По ГОСТ 2544—76 содержание извести в вяжущем допускается в количестве до 50 % общей массы. При выборе золы особое внимание надо уделять содержанию в ней ангидрида серной кислоты (по ОСТ 21-9-81 не более 3 %), значению п.п.п. (не более 5 %), а также контролю равномерности изменения объема изготовленного вяжущего при пропаривании по специальной методике.

Состав известково-зольных вяжущих зависит от состава минеральной части твердых видов топлива и условий его сжигания. При использовании золы от сжигания бурых и каменных углей берут золы 60—80 %, извести 20—40%; при применении сланцевой и торфяной золы их количество достигает соответственно 70—90 и 10—30 % по массе. Меньшее количество извести вводят в тех случаях, когда в самих золах содержится до 15—40 % СаОсвоб или способных к гидратации силикатов, алюминатов и ферритов кальция. Известково-зольные вяжущие с повышенной воздухостойкостью должны содержать не менее 30—40 % извести. Оптимальные составы известково-зольных цементов, как и вообще всех вяжущих, получаемых на основе минеральных добавок, устанавливают опытным путем с учетом их назначения (для частей сооружений, работающих во влажных условиях или в воздушно-сухой среде).

В некоторых золах, содержащих значительное количество СаО (до 15—-40 %), последний присутствует в пережженном состоянии, что может быть причиной ярко выраженной неравномерности изменения объема цемента, изготовленного из такой золы. Некоторые золы (особенно получаемые при сжигании горючих сланцев) содержат сульфат кальция (до 10—15 % в расчете на S03), который при твердении вяжущего из этой золы создает предпосылки к образованию трехсульфатной формы гид-росульфоалюмината кальция, вызывающей вредные деформации и нарушения структуры бетонов на этих вяжущих.

Технология известково-зольных цементов проста и заключается в совместном измельчении золы, извести и гипса (около 5 %). Однако необходимо учитывать, что зола отличается пестротой состава и пониженной активностью, поэтому при изготовлении известково-зольных вяжущих необходим особенно тщательный контроль.

Схватывание и твердение известково-зольных цементов обусловлено взаимодействием активного метакаолинита (каолинитового ангидрида) с известью. При этом образуются цементирующие вещества в виде гидросиликатов и гидроалюмосиликатов кальция той или иной основности в зависимости от содержания извести в цементе, в частности гидрат геленита 2СаО-А12Оз-5Ю2-•8Н2О и гидросиликат типа CSH(B) с отношением C/S в зависимости от концентрации СаО в водном растворе, равном 0,8—1,5.

Особенность этих цементов — медленное схватывание и твердение. Прочность растворов и бетонов на этих вяжущих в первые 1—3 мес пониженная. Твердение известково-зольных цементов, полученных на основе зол горючих сланцев, отчасти обусловлено процессами гидратации силикатов, алюминатов и ферритов кальция.

Насыпная плотность известково-зольного цемента в рыхлонасыпном состоянии 700—800, а в уплотненном — 900—1200 кг/м3. Водопотребность этих цементов меньше, чем известково-пуццолановых. Они отличаются пониженной по сравнению с последними водоудерживающей способностью.

По ГОСТ 2544—76, известково-золъиые вяжущие подразделяют иа марки 50, 100, 150, 200 с показателями прочности, представленными в табл. 24. Прочность и другие свойства этих вяжущих определяют, как указано выше

Интенсивность твердения известково-зольных цементов увеличивается при тепловой обработке паром. С помощью автоклавной обработки можно получать на этом вяжущем мелкозернистые бетоны прочностью 15—* 25 МПа. При пониженных температурах (ниже 10 °С) твердение известково-зольных цементов резко замедляется.

Долговечность известково-зольных цементов под воздействием тех или иных агрессивных факторов мало отличается от долговечности других известково-пуццолановых цементов. Повышению стойкости способствует введение в эти вяжущие до 20—25 % портландцемента.

Известково-зольные цементы применяют в основном в растворах для кладки и штукатурки. Их можно использовать также для изготовления мелких стеновых блоков с обязательной тепловой обработкой, ускоряющей их твердение.