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

Минеральные вяжущие вещества

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Твердение глиноземистого цемента — результат взаимодействия составляющих его минералов, в первую очередь основного компонента — однокальциевого алюмината СА, с водой с образованием гидратных соединений. Одиокальциевый алюминат при ограниченном количестве воды в смеси и при температуре не выше 20—22 °С реагирует по схеме СаО-А12ОзН-10Н2О = СаО-А12О3' •10Н2О.

При 22—30 °С в присутствии воды САНю постепенно переходит в двухкальциевый гидроалюминат 2СаО-А120з-8И20, выделяющийся в виде пластинчатых кристаллов гексагональной системы. Одновременно образуется гидроксид алюминия в виде гелевидной массы. При температурах выше 30°С САНю и С2АН8   переходят   в трехкальциевый гидроалюминат ЗСаО-А12Оз-6Н20 с выделением гидрата глинозема (гиббсита) и воды. Преобразование САНю и С2АН8 в С3АН6 в большей мере зависит не только от температуры, но и от показателя рН среды: чем они выше, тем интенсивнее протекают реакции перехода гексагональных низкоосновных гидроалюминатов кальция в стабильный кубический СзАНе. И если превращение САНю или С2АН8 в С3АНб при обычной температуре (15—20 °С) может продолжаться десятилетия, то при 50—60 °С оно завершается в течение, суток и даже нескольких часов. Алюминат кальция С12А7, обычно присутствующий в глиноземистых цементах в небольшом количестве, при реакции с водой в зависимости от температуры образует те же гидраты, что и СаО-А12Оз (САНю, С2АН8 и С3АНр вместе с гиббситом).

Алюминат кальция СА2, а также алюмоферриты и ферриты кальция, (3-C2S, входящие в состав этого цемента, взаимодействуя с водой, дают соответствующие гидраты. Образование гидроалюминатов кальция и твердение глиноземистого цемента протекают настолько интенсивно, что обычно уже через 24 ч от момента смешения вяжущего с водой достигается приблизительно 75—90 % конечной прочности, рост которой через 3 сут практически завершается. Следует подчеркнуть и такое своеобразие твердения рассматриваемого цемента, как резко отрицательное влияние на прочность температур выше 25—30 °С. В этих условиях наблюдается переход гексагонального 2СаО-А1203-8Н20 в кубический ЗСаО-А1203-'6Н20, что сопровождается появлением напряжений в твердеющей системе и значительным уменьшением прочности цементного камня. Это обстоятельство следует учитывать при применении глиноземистого. цемента еще и по той причине, что твердение его сопровождается интенсивным выделением теплоты, достигающим через сутки 70—80 % полной экзотермии.

При этом создаются предпосылки к нагреванию бетонов на глиноземистом цементе до 25—30 °С и выше с отрицательными последствиями для его прочности. По этой причине запрещается тепло-влажностная обработка бетонов на глиноземистом цементе (пропаривание и др.). При полной гидратации глиноземистого цемента выделяется теплоты 5-Ю2 кДж/кг.

Для лучшего понимания причин снижения прочности бетона на глиноземистом цементе при температурах выше 30 °С следует учесть,   что при начальной гидратации 1 ч. по массе СаО-А1203 связывает 1,14 ч. воды с образованием СаО-А12Оз-10Н2О. При этом абсолютный объем твердой фазы в смеси СА с водой увеличивается в 3,71 раза, что способствует образованию малопористого прочного камня.

Переход же САНю в затвердевшей системе в ЗСАО-.А1203.6Н20 по схеме 3(СаО- А1203- 10Н2О) =ЗСаО-. А1203 • 6Н20.+2 (А1203 • ЗН20) +18Н20 сопровождается обратным выделением из твердой фазы воды в жидком виде. Это уменьшает ее объем на 52,6 % и резко увеличивает пористость камня, со всеми отрицательными последствиями для прочности, воздухо- и водопроницаемости, а также для стойкости во времени.

Помимо всевозрастающей пористости цементного камня, несомненно, отрицательное воздействие на его свойства оказывает и неоднократная смена состава цементирующих веществ и микроструктуры новообразований. Например, гексагональный САНю перестраивается в .кубический СзАНв и моноклинный гиббсит АН3. При этом на долю первого в общем объеме твердой фазы в затвердевшей системе приходится 21,4 %, а на долю второго—18,5 %. Какое влияние оказывает каждое из этих веществ на прочность и другие свойства затвердевшего цемента, остается неизвестным. Устойчивым из них во времени является гиббсит АН3, в то время как ЗСаО-•A120G'6H20 стечением временив присутствии влаги подвергается воздействию двуоксида углерода СОй, содержащегося в воздухе (0,03%). Карбонизации подвергаются все гидроалюминаты кальция, содержащиеся в затвердевшем глиноземистом цементе. Карбонизация С3АНб идет с образованием вначале гидрокарбоалюми-ната СзА-СаСОз-(11—13)Н20. Общая схема реакции: ЗСаО-АЬОз-бНаО+СОг = ЗСаС03+А1203'ЗН20+ЗН20. Здесь образуется кальцит и гидрат глинозема, по-видимому, в аморфном состоянии. Процесс карбонизации идет тем интенсивнее, чем пористее цементный камень и бетой. Кроме того, в большой степени ускоряют этот процесс щелочные соединения.

Карбонизация гидроалюминатов кальция отражается и на нх защитных свойствах в отношении стальной арматуры. В затвердевшем глиноземистом цементе рН водной фазы достигает 11,5—11,7, что исключает возможность коррозии стали. Но с течением времени при пористом бетоне и развитии процесса карбонизации рН среды начинает уменьшаться. Этот показатель при полной карбонизации достигает 9; при этом значении рН коррозия стали становится неизбежной. Коррозии стали способствует также наличие в цементе сернистых соединений, что надо иметь в виду, оценивая его свойства. Для предотвращения коррозии рекомендуется готовить бетоны высокой плотности с повышенным расходом цемента (350—450 кг/м3), защищать арматуру надлежащим слоем бетона и обеспечивать работу конструкций при температурах не выше 15—25 °С.

Введение в глиноземистый цемент 25—30 % ангидрита значительно ослабляет действие повышенных температур при его твердении. Образующийся в этом случае трехкальциевый гидроалюминат взаимодействует с ангидритом, давая гидросульфоалюминат, способствующий росту прочности системы.

Ангидрито-глиноземистый цемент  характеризуется нормальным ростом прочности при твердении даже при 40—60 °С. Такие же результаты получают и при введении двуводного или полуводного гипса. По данным А. В. Вол-женского и М. В. Пулина, смеси глиноземистого цемента с полуводным гипсом в соотношении от 15—40 до 85—60% (цемент : гипс) характеризуются особо быстрым твердением и высокой прочностью. Так, бетоны, изготовленные из гипсоглиноземистой смеси (80+20 % цемента) при расходе вяжущего около 500 кг/м3 через 4 ч твердения приобретают прочность до 15—20, через 1 сут —20—25 и через 3 сут — 30 МПа при хранении во влажной среде. Коэффициент размягчения таких бетонов 0,7—0,75 при исходной жесткости бетонной смеси 30— 40 с.

При добавлении в глиноземистый цемент извести или портландцемента в количестве 8—10 % и более сроки его схватывания сокращаются, а прочность резко падает. Это является следствием образования при твердении цемента ЗСаО-А1203-6Н20 из низкоосновных гидроалюминатов кальция и гидроксида кальция, в частности, выделяющегося при гидролизе C3S, содержащегося в портландцементе. Как, известно, ЗСаО-А1203-6Н20 характеризуется пониженными вяжущими свойствами но сравнению с 2СаО-А1203-8Н20. Таким образом, смешение глиноземистого цемента с этими вяжущими недопустимо.

Ангидритоглиноземистый, а также шлакоглиноземистый цементы твердеют подобно глиноземистому, но несколько медленнее. Твердение глиноземисто-белитового цемента на ранней   стадии (до 5—7 сут)    обусловлено гидратацией СА, Q2A7 и 3(СаО-А1203), CaSCU. Твердение в последующем идет вследствие взаимодействия с водой белита и стекловидной фазы, обычно присутствующей в клинкере в количестве 10—15%. Поданным Л. А. Захарова, образующиеся при твердении низкоосиовные гексагональные гидроалюминаты кальция не подвержены переходу в кубический С3АНб вследствие пониженного тепловыделения и малого количества гидрооксида кальция в водной среде. Это обстоятельство является причиной того, что при твердении. глиноземис-то-белитового цемента не наблюдаются сбросы прочности во времени. Этот цемент характеризуется марками 300 и 400 при испытании по ГОСТ 310.1—76 (с изм.). Важно отметить, что через 1 сут твердения прочность его достигает 65—70 % 28-суточной прочности,    а через  сут — 90 %.

Ценными свойствами обладает алюмосульфатношлаковый цемент (АСШЦ), разработанный А. В. Волженским и Т. А. Карповой. Его получают совместным помолом до дисперсности 4—5 тыс. см2Д следующих компонентов, % по массе: глиноземистый цемент или шлак 15—35, полуводный гипс 20—50, доменный или термофосфорный гранулированный молотый шлак 30—50, портландцемент марки не ниже 400 4—7.

АСШЦ, содержащий до 25—30 % глиноземистого цемента и полуводного гипса, имеет нормальную густоту около 30%. При испытании по ГОСТ 310.1—76 (с изм.) его активность соответствует марке 500.

Начало и конец схватывания находятся в пределах 15—25 мин. Ввод в вяжущее замедлителей .схватывания гипса позволяет удлинить схватывание до 40—50 мин. Бетон на АСШЦ указанного состава при расходе вяжущего 380—400 кг/м3 и подвижности смеси по осадке конуса в 4—5 см через 4 ч твердения при 20°С достигает прочности 4—6, через 23 ч— 13—15 и через 28 сут— 40—50 МПа. При твердении при 40 °С прочность через 4 ч возрастает до 14—15 и через сутки до 24—25 МПа.

При —5°С прочность бетона через 24 ч достигает 4—5 и через 28 сут — 20—25 МПа. При этом важно подчеркнуть, что бетоны на этом цементе не обнаруживают спада прочности при повышенных температурах (термообработка при 60—75 °С), а также при длительном твердении, чему подвержены бетоны па глиноземистом цементе. По интенсивности твердения АСШЦ в самые начальные сроки превосходят его и относится к вяжущим экстракласса. Однако в изделиях на АСШЦ необходимо защищать сталь от коррозии, так как рН жидкой фазы не превышает значений 11—11,3.

Себестоимость этого вяжущего в 3—3,5 раза меньше стоимости глиноземистого цемента.