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

Минеральные вяжущие вещества

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

В последнее время все большее значение приобретают вяжущие, получаемые смешением различных чистых вяжущих друг с другом и с некоторыми добавками. Это позволяет получать композиции, характеризующиеся специальными свойствами или свойствами, присущими каждому компоненту, В частности, смешением определенных вяжущих можно получить так называемые расширяющиеся и напрягающие цементы.

Смешивая портландцемент или глиноземистый цемент с высокопрочным или строительным гипсом и высокоосновным гидроалюминатом в точно установленных соотношениях по массе, получают водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ), предложенный В. В. Михайловым. И. В. Кравченко разработала расширяющийся портландцемент (РПЦ), получаемый измельчением смеси портлаидцементного клинкера, высокоглиноземистого шлака, двуводного гипса и гидравлической добавки. А. В. Волженский предложил гипсоцементно-пуццо-лановые (ГЦПВ) и гипсошлакоцементно-пуццолаиовые вяжущие (ГШЦПВ), представляющие собой смеси строительного или высокопрочного гипса с портландцементом или шлакопортландцементом и пуццолановой добавкой. Для них показательны быстрый рост прочности, обусловленный наличием полуводного гипса, и способность твердеть во влажных условиях подобно гидравлическим цементам.

Рассмотрим составы, способы изготовления и свойства некоторых расширяющихся цементов, а также гипсо-цементно-пуццолановых вяжущих.

Как отмечалось ранее, бетоны и растворы на портландцементе и его разновидностях при твердении в воздушной среде дают значительную усадку, повышающую, в частности, их водопроницаемость, склонность к трещиинобразованию и т. п. В связи с этим уже давно предпринимались попытки создать безусадочные и расширяющиеся вяжущие вещества и бетоны.

В настоящее время существует много видов расширяющихся цементов, в разработку состава которых и изучение свойств большой вклад внесли   советские ученые B. В. Михайлов,   П.   П.   Будников,   И.   В.   Кравченко, C. Л. Литвер и др. Расширяющиеся цементы получают на основе глиноземистого цемента или портландцемента.

Цементы на основе глиноземистого цемента быстро схватываются и твердеют, цементы же на основе портландцемента твердеют медленнее.

Для всякого вяжущего вещества, в том числе и для отдельных видов цементов, имеется такое оптимальное, присущее только ему водовяжущее отношение (или оптимальная концентрация вяжущего в системе), при котором в принятых условиях длительного твердения обеспечивается оптимальная долговечность системы (растворов, бетонов). При повышенной концентрации в ней вещества и соответственно пониженном по сравнению с оптимальным В/В создаются предпосылки к снижению прочности или даже к разрушению сложившейся структуры вследствие давления зародышей новых частиц гидратов, возникающих из негидратированного вещества, при отсутствии свободного пространства для их размещения с промежутками между ними. Из-сказанного следует, что любое вяжущее вещество в смеси с оптимальным или повышенным количеством воды должно давать твердеющую систему с «нормальными» деформациями усадки и тем большими, чем больше В/В будет отличаться от оптимального. Обычные бетоны на цементных, гипсовых вяжущих, как правило, готовятся при В/В = = 0,4...0,6, т. е. больших оптимального. Это предопределяет их общеизвестные деформативные свойства с повышенными значениями усадки.

Но по мере уменьшения В/В в этих композициях (а также в композициях других вяжущих) за пределы оптимального они будут переходить сначала в класс безусадочных, а затем в класс расширяющихся и даже саморазрушающихся при свободном расширении или напрягающих при гидратации в «замкнутом» объеме. Интенсивность и скорость развития соответствующих деформаций во времени должны зависеть от индивидуальных свойств вяжущих и условий твердения.

При разработке новых сверхбыстротвердеющих вяжущих веществ, а также безусадочных, расширяющихся, напрягающих цементов исследователи часто обращаются к безводным веществам, отличающимся быстрым взаимодействием с водой и связыванием ее в гидраты в максимальном количестве, что способствует резкому увеличению содержания твердой фазы, а следовательно, уменьшению пористости системы и увеличению ее прочности при пониженном В/В. При этом необходимо учитывать стойкость гидратов во времени при.воздействии атмосферных и иных факторов. Известно, в частности, уменьшение степени оводненности гидросиликатов и гидроалюминатов кальция с истечением времени твердения системы даже при обычных температурах и переходом воды из твердой фазы в жидкую. В то же время CaS04-•2Н20 подвержен разложению с выделением воды лишь при 60 °С и выше, а Са(ОН)2 при 500 °С и более.

Эти формулы позволяют в определенной мере прогнозировать свойства того или иного вяжущего в затвердевшем состоянии. Так, содержание безводного вещества, связывающего повышенное количество неиспаряемой воды Wo, оказывается пониженным в затвердевшей системе. При этом уменьшается и плотность р гидрата, что надо учитывать. Фактор V, отражающий минимальный объем пор, образующихся при заданных условиях твердения между частичками гидрата, выраженный в см3/см3 абсолютного его объема, характерен тем, что чем больше его значение, тем меньше содержание в системе исходного вещества при оптимальном соотношении компонентов и тем больше должна быть пористость, меньше прочность, ниже долговечность.

Расширяющиеся и напрягающиеся вяжущие, как правило, являются композиционными, в которых основной компонент твердеет при оптимальном или близком к нему В/В, второй же компонент (расширяющаяся добавка) взаимодействует с водой при пониженном В/В, вызывая эффект расширения на начальном этапе твердения системы. Она вводится в строго дозированном количестве с учетом ее свойств с исчерпанием ее содержания после достижения необходимого эффекта в целом. Имеются и трехкомпонентиые расширяющиеся вяжущие, в которых назначение третьего компонента сводится к прекращению действия расширяющейся добавки, в частности переводом ее в иное вещество, не обладающее свойством расширения в принятых условиях твердения системы.

По А. Ляфюма, деформации расширения и усадки обыкновенных, безусадочных и расширяющихся цементов в различных условиях твердения характеризуются схемой, приведенной на  50.

А. Лосье следующим образом классифицирует расширяющиеся цементы по показателям свободного расширения образцов из теста при хранении их в воде

По данным этого же исследователя, расширение бетонов на этих цементах зависит от показателя их расширения (на образцах из теста) и содержания вяжущего в бетоне. Приблизительно можно считать, что свободное расширение бетона при содержании в нем цемента 250— 300 кг/м3 составляет 0,1 показателя для образцов из теста; при содержании цемента 400 кг/м3 оно равно 0,2; при содержании цемента 600 кг/м3 — 0,45.

Для получения эффекта увеличения исходного объема бетона на требуемую величину в начальный период твердения (1—10 сут) в указанные цементы вводят в необходимом количестве расширяющиеся добавки. Показатель объемного расширения твердеющей смеси зависит от многих факторов и, в первую очередь, от вида исходного цемента, его химического и минерального состава, а также от вида расширяющейся добавки, соотношения компонентов в смеси, степени измельчения добавки и температурного режима твердения бетонной смеси.

В настоящее время расширяющиеся цементы в значительном количестве выпускают в СССР, США и Японии, преимущественно на. основе портландцемента. Глиноземистый цемент используют незначительно вследствие его высокой стоимости.

В качестве расширяющихся добавок предложено значительное количество веществ, среди которых наиболее изучены в отношении возможности их применения алюминаты и сульфаты кальция, а также оксиды кальция и магния. На практике преимущественно применяют материалы, содержащие алюминаты и сульфаты кальция, что обусловлено интенсивным и достаточно хорошо регулируемым объемным расширением бетонов на цементах с этими добавками, возникающим вследствие быстрого образования гидротрисульфоалюмината кальция ЗСаО-•Al203-3CaS04-31 H20. В настоящее время используют синтетические сульфоалюминатные клинкеры, получаемые обжигом при температуре около 1300°С соответствующих сырьевых смесей. При этом одним из компонентов клинкера является 3(CA)-CaS04, обусловливающий расширение цемента при взаимодействии с водой. Изготовление расширяющегося цемента в этом случае сводится к совместному помолу обычного портлаидцемент-ного клинкера с клинкером, содержащим сульфоалюми-иат кальция, и гипсом. Соотношения между компонентами подбирают таким образом, чтобы получить продукт с требуемым объемным расширением в зависимости от свойств исходных компонентов. Такие цементы по исследованиям Клейма с индексом «К» применяются в США. По другому способу в США расширяющиеся цементы получают помолом портладцементиого клинкера, содержащего повышенное количество алюмината кальция (до 10—13 %) с повышенным по сравнению с требуемым по стандарту количеством гипса.

В СССР и Японии расширяющиеся цементы получают чаще всего совместным помолом портландцементного клинкера с расширяющимися добавками. В качестве расширяющихся добавок, по В. В. Михайлову, применяют специально приготовляемые, например из глиноземистого цемента, высококальциевые алюминаты С4АН13 или различные материалы со значительным количеством глинозема (глиноземистые цемент, шлаки и т. п.). К. С. Ку-тателадзе с сотрудниками предложил для получения расширяющихся цементов использовать алунитовые породы, содержащие сульфат алюминия и обожженные при 600 °С. Имеется также опыт применения сталерафини-ровочных шлаков (К. П. Грабенко, В. X. Хомич, Т. В. Кузнецова и др.).

Как уже отмечалось, в зависимости от ряда факторов (состав цементов, тепловой режим твердения, содержание их в бетоне и др.) свободное линейное расширение бетонов может изменяться от долей   процента до 1,5—3 % без нарушения сплошности тела. В условиях связанного, ограниченного увеличения объема твердеющей системы (в виде теста, раствора или бетона) в ней возникают напряжения сжатия и тем более высокой интенсивности, чем сильнее выражена способность цемента к расширению. Бетоны на цементах с пониженной энергией расширения становятся малоусадочными и даже безусадочными при твердении в среде, благоприятствующей их высыханию. Цементы с повышенной химической энергией расширения дают возможность изготовления самонапряженных бетонов при их твердении в условиях связанного, ограниченного расширения. Такие цементы, обеспечивающие самонапряжение бетона высокой интенсивности в условиях ограниченного увеличения объема, а также натяжение арматуры в железобетоне, называются напрягающими (НЦ). На  51 представлена схема напряжений в твердеющем бетоне на портландском (а) и напрягающем (б) цементах. В первом случае при высыхании в бетонном элементе возникают напряжения сжатия, которые при ограниченной возможности уменьшения его внешнего объема приводят к растягивающим напряжениям. Когда последние достигают уровня, превышающего предел прочности бетона на растяжение, в нем возникают усадочные трещины. В бетонном элементе на расширяющемся цементе при твердении возникают растягивающие напряжения, но в условиях ограниченного (связанного) расширения бетонный элемент испытывает напряжение сжатия. При высыхании такого элемента и развитии в нем усадочных деформаций уровень напряжений сжатия уменьшается. Тем не менее они остаются достаточно высокими, чтобы предотвратить   возникновение трещин.

В СССР наибольшее применение получили расширяющиеся цементы, разработанные в НИИЖБ под руководством В. В. Михайлова, а также в НИИцементе под руководством И. В. Кравченко. Разновидностью расширяющихся цементов, разработанных И. В. Кравченко, является гипсоглинозвмистый цемент (ГОСТ 11052—74). Получают его совместным помолом высокоглиноземистых шлаков и двуводного гипса. Компоненты берут в соотношении 0,7:0,3 по массе. Вяжущее это характеризуется интенсивным твердением в водной и воздушной среде. Для его изготовления применяют высокоглиноземистые шлаки с большим содержанием однокальциевого алюмината. Вяжущее измельчают до остатка на сите № 008 не более 10 %. Начало его схватывания должно наступить не ранее 20 мин, а конец — не позднее 4 ч.

По прочности цемент разделяют на марки 400 и 500, устанавливаемые испытанием на сжатие образцов по ГОСТ 310.4—81 из растворов 1:3 и испытанных через 3 сут твердения.

Линейное расширение цемента устанавливают на образцах размером 4X4X16 см- При твердении образцов из теста в воде через 1 сут расширение должно быть не менее 0,15 %, а через 28 сут — не менее 0,3 и не более 1 %. При твердении образцов на воздухе (после трехсуточного нахождения в воде) расширение должно быть не менее 0,1 %. Образцы из теста через 1 сут, а образцы из раствора (1:2) через 3 сут после изготовления не должны пропускать воду под давлением 1 МПа (изб.).

Для бетонов на гипсоглиноземистом цементе характерна высокая прочность сцепления нового бетона со старым (в 20—25 раз выше, чем бетонов на портландцементе). Бетоны на рассматриваемом цементе хорошо твердеют при температурах до 80 °С, которые недопустимы при твердении бетонов на чистом глиноземистом цементе. Растворы на этом цементе характеризуются высокой морозостойкостью.

Твердение гипсоглиноземистого цемента обусловлено взаимодействием глиноземистого цемента с водой с образованием, в частности, СгАНв. Кроме того, особенно в начальный период твердения идет образование и гидро-сульфоалюминатов кальция, вызывающих к тому же некоторое расширение всей   системы.   Поэтому   гипсоглиноземистый цемент характеризуется высокой сульфато-стойкостью, хотя в растворах хлористых солей он менее устойчив, чем глиноземистый.

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент предназначается для изготовления безусадочных и расширяющихся водонепроницаемых растворов и бетонов, для заделки стыков сборных бетонных и железобетонных конструкций, омоноличивания и усиления конструкций, зачеканки швов и раструбов и т. п. Нельзя применять этот цемент в конструкциях, работающих при температурах выше 80 °С.

Расширяющиеся цементы на основе портландцемента также представлены и рядом других разновидностей. А. Лосье (Франция) один из первых предложил цемент, содержащий 70—80 % портландцемента, 15—20% доменного шлака и б—15 % расширяющегося компонента, который получают обжигом смеси двуводиого гипса (50%), красного боксита (25%) и мела (25%). Чем больше этого компонента, тем сильнее расширяется цемент, что является следствием образования трехсульфатной формы гидросульфоалюмината кальция. Роль доменного шлака сводится к связыванию избыточного сульфата кальция на определенном этапе твердения всей смеси и к ее стабилизации. Предложено также получать расширяющиеся цементы, смешивая портландцемент, глиноземистый и сульфатно-шлаковый цемент или вводя в портландцемент различные расширяющиеся добавки.

По данным И. В. Кравченко и Ю. Ф. Кузнецовой, интересными свойствами характеризуется расширяющийся портландцемент (РПЦ), получаемый совместным помолом цементного клинкера (60—65%), высокоглиниземи-стых доменных шлаков (5—7 %), двуводиого гипса (7—> 10 %) и активной минеральной добавки (20—25 %). Для этого смешанного вяжущего начало схватывания должно наступать не ранее 30 мин, а конец — не позднее 12 ч. В зависимости от качества исходного портландцемента выпускают РПЦ марок 400, 500 и 600, определяемых по показателям прочности на сжатие образцов, изготовленных по МРТУ 21-44-66 из раствора 1 : 3 и испытанных через 28 сут твердения в воде. Твердение этого вяжущего обусловлено взаимодействием портландцемента с водой с образованием преимущественно иизкоосновмых гидросиликатов кальция группы CSH(B). Вместе с тем повышенное количество гипса и добавка высокоглиноземистого шлака обеспечивают интенсивное образование в начальной стадии твердения также и гидросульфоалюмина-тов кальция (преимущественно в виде трехсульфатиой формы), что вызывает некоторое расширение системы. Гидравлическую добавку следует рассматривать, по-видимому, как стабилизатор.

Образцы из теста расширяющегося портландцемента (РПЦ) при твердении в воде в течение суток расширяются не менее чем на 0,15 %, а через 28 сут — на 0,3— 1 %. При водно-воздушном твердении 28 сут расширение должно быть не менее 0,1 %. Характерен для этого цемента интенсивный рост прочности в процессе пропари-вания при 70—80 °С. Это позволяет при производстве бетонных и железобетонных изделий на этом цементе ограничиваться тепловлажностной обработкой в течение 4—6 ч. Ценное свойство бетонов на РПЦ — их высокая водонепроницаемость, которая характеризуется отсутствием фильтрации воды при давлении 1,1 МПа и более.

Этот цемент можно применять в тех же областях строительства, что и другие расширяющиеся цементы. Иногда используют его в производстве сборных бетонных и железобетонных изделий; при этом создается возможность сократить продолжительность тепловлажностной обработки.

В. В. Михайлов с Л. С. Литвером и другими сотрудниками [33] разработали теоретические основы и рекомендации по производству, оценке свойств и применению цемента расширяющегося с самонапряжением (ТУ 21-20-43-80) и цемента напрягающего (ТУ 21-20-43-82). Первый предназначен для изготовления безусадочных бетонов, твердеющих как в нормальных условиях так и с применением тепловой обработки. Цемент готовится марок 400 и 500, определяемых по ГОСТ 310.4—81. Линейное расширение образцов через 28 сут твердения должно быть не более 1,5% первоначальной величины. Оно определяется на образцах 40X40X160 мм, изготовленных из раствора 1 : 1 по массе (цемент: песок), характеризующегося расплывом конуса не менее 160 мм. Начало схватывания должно наступать не ранее 20 мин, конец— не позднее 4 ч от начала затворения. В цемент при изготовлении вводят гипс в количестве 3,5—6 % по массе в расчете на серный ангидрид.

Напрягающие цементы (НЦ) отличаются не только значительной величиной, но и большой энергией расширения. Они готовятся совместным помолом смеси двуводного гипса, высокоглиноземистого компонента и портландцементного клинкера. В зависимости от свойств исходных материалов и показателей состав НЦ устанавливают специальными опытами. В необходимых случаях для усиления эффекта расширения вводят известь в количестве не более 2 %•

Особенно важно отметить, что предложенные составы НЦ для самонапряженных конструкций обеспечивают расширение бетона в тот отрезок времени, когда он достигает прочности 15 МПа и более. Это является непременным условием натяжения арматуры до требуемых показателей. Таким образом, химическая энергия, связанная с образованием цементирующих веществ, рационально используется для механической работы натяжения арматуры. Важно также, что при этом наблюдается двух- и трехосное натяжение, которое механическим путем достигается с большим трудом. Самонапряжение бетона и стали сохраняется длительные сроки. Уровень его может несколько снизиться вследствие усадочных деформаций при высыхании конструкций, а также изменения степени оводненности гидратов или их разложения в напряженных системах, что может отрицательно сказаться на их несущей способности.

В качестве глиноземсодержащих материалов рекомендуют глиноземистый цемент или шлак, алунитовую породу, обожженную при 600 °С и содержащую активный глинозем, а также кренты.

Применяют НЦ для растворов и бетонов, твердеющих при нормальной температуре и преимущественно в монолитном железобетоне, а также для изготовления самонапряженных сборных железобетонных изделий, подвергаемых тепловлажностной обработке.

Цемент НЦ выпускают двух разновидностей с энергией самонапряжения 2 и 4 МПа (20 и 40 кгс/см2). НЦ марки 20 должен рассматриваться как цемент, полностью компенсирующий усадку бетона и создающий небольшое преднапряжение. Второй предназначен для изготовления преднапряженных конструкций. При этом обращается внимание на то, что НЦ допускается к применению только в конструкциях, армированных в двух и трех направлениях при минимально допустимом коэффициенте армирования 0,15%. НЦ применяют также в бетонах без армирования.

НЦ обеих разновидностей (марок 20 и 40) должны характеризоваться следующими показателями основных свойств: предел прочности при сжатии через 1 сут должен быть не менее 15 и через 28 сут не менее 50 МПа; предел прочности при изгибе через 28 сут не менее 6 МПа; самонапряжение в возрасте 28 сут не менее 2 и 4 МПа; линейное расширение через 28 сут не более — соответственно 2 и 2,5 %; начало схватывания не ранее 30 мин, конец — не позднее 4 ч. Следует подчеркнуть, что все показатели перечисленных свойств определяются по ГОСТ 310.1—71 (с изм.) —ГОСТ 310.4—81 на растворе 1 :1 по массе (цемент : песок), характеризующимся расплывом конуса не менее 120 и не более 145 мм.

Применение напрягающих цементов эффективно в конструкциях подземных, подводных и различных напорных сооружений. Они используются в самонапряженном железобетоне полов промышленных зданий, в покрытиях дорог и аэродромов, в конструкциях спортивных и гражданских зданий.