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

Минеральные вяжущие вещества

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

В некоторых зданиях и сооружениях бетонные и железобетонные конструкции в процессе эксплуатации могут подвергаться длительному воздействию умеренно высоких температур — от 200—300°С и выше. В связи с этим появилась необходимость в жаростойких и огнеупорных цементах и цементных бетонах и конструкциях из них.

Цементный камень — несгораемый материал, он не плавится при температурах до 1100°С. Однако заметное температурное воздействие на затвердевшие цементы и бетоны начинает проявляться уже при 150—200 °С, оно резко возрастает при 500—700 °С и выше. Это вызывает, в первую очередь, разложение гидратиых соединений — гидросульфоалюмииатов кальция, а в последующем гидросиликатов и Са(ОН)2, а также изменение прочности, усадочные деформации и т. п.

Поведение различных цементов и бетонов при умеренных и высоких температурах (150—1500°С и выше), а также проблему их использования в жаростойких и огнеупорных конструкциях изучали К. Д. Некрасов, В. М. Москвин, Г. Д. Салманов и др.

По данным К. Д. Некрасова и других, прочность образцов из C3S после 28-суточного нормального твердения, нагретых при температурах выше 100°С, вначале (примерно до 200°С) увеличивается. Дальнейшее нагревание до 400—450 °С уменьшает прочность до того значения, которое присуще образцам, не подвергавшимся нагреванию (28-суточного возраста). Здесь важно отметить, что последующее хранение прогретых образцов в течение месяца в воздушно-сухих условиях приводит к резкому падению прочности до показателей 60—80 % прочности ненагреваемых образцов, хранившихся в нормальных условиях.

Образцы же, нагретые при 550°С и выше, вскоре после термообработки характеризуются относительно небольшим уменьшением прочности, но при последующем хранении на воздухе разрушаются вследствие перехода оксида кальция в Са(ОН)2.

Затвердевшие смеси C3S с молотым шамотом (1 : 1,5 по массе и др.) менее чувствительны к термообработке при разных температурах. Они сохраняются и при последующем выдерживании в воздушных условиях. При аналогичных условиях термообработки образцы из C2S оказываются более устойчивыми. Максимум прироста прочности наблюдается в области 200—300 °С. Последующее хранение образцов на воздухе почти не отражается на их прочности. У образцов из СзА прочность падает при нагревании около 300 °С, а из C4AF — около 200 °С.

Тепловая обработка образцов из всех минералов сопровождается одновременной дегидратацией новообразований и уменьшением их массы, особенно при температурах выше 250—300 °С.

Многочисленные исследования образцов из чистых цементов показали, что при нагревании выше 300 °С прочность  их уменьшается,   причем   начинают  преобладать деструктивные процессы, поэтому бетоны на обычных цементах не рекомендуется применять при температурах выше 250—300°С. Обычно и при этих температурах стечением времени прочность уменьшается примерно на 10%.

Значительно снижается прочность цементного камня при нагревании до 500—600 °С, что обусловлено разложением гидратных новообразований, в том числе и гидрок-сида кальция. Прочность образцов, подвергнутых нагреванию при 1000—1200 °С, обычно падает до 35—40% начальной. Хранение образцов в воздушной среде после их тепловой обработки при 600—800 °С и выше приводит к дальнейшему уменьшению прочности и даже к полному их разрушению вследствие вторичной гидратации СаО. Опыты показывают, что колебания минерального состава цементов мало влияют на их поведение в затвердевшем состоянии при тепловой обработке в пределах 150—1000 °С.

Чтобы уменьшить вредное влияние СаОСпоп на прочность и деформацию цементного камня при нагревании, в цемент вводят различные тонкомолотые добавки (шамот, туф, трепел, кварцевый песок и т. п.) в количестве 0,5—1 ч. по массе на 1 ч. цемента. Эти добавки при повышенных температурах (600—1000 °С и более) в ходе реакций в твердом состоянии связывают оксид кальция в силикаты, алюминаты и другие соединения, которые практически не реагируют с водой, чем предотвращаются разрушительные деформации цементного камня. Прочность образцов из цементов с добавками при нагревании также снижается, но значительно меньше; при нагреве же до 1000—1200°С она часто начинает увеличиваться.

На  48 показано, как меняется прочность цементного камня после нагревания до различных температур; при этом исследовали чистый цемент, а также его смеси с различными микронаполнителями. Как видно, добавки, вводимые в портландцемент, повышают жаростойкость затвердевших цементов, а следовательно, и бетонов.

При нагревании цементный камень в интервале температур 100—200 °С вначале расширяется, а затем размеры его уменьшаются до первоначальных (при 250— 300 °С) с последующей усадкой при более высоких температурах. Это наблюдается на образцах из чистого цемента и из смесей его с микронаполнителями. Повторные нагревания одних и тех же образцов уменьшают усадочные деформации в десятки раз. Но некоторые добавки увеличивают усадку.

При повторных нагреваниях происходит практически лишь термическое расширение, причем коэффициент линейного расширения в интервале температур 20—900 °С для цементного камня колеблется в пределах (8— 12)10~6. Введение таких микронаполнителей, как шамот и зола-унос, в количестве 1—2 ч. по массе на 1 ч. цемента способствует значительному уменьшению коэффициента термического расширения [до (6—7)10~6].

Добавки шамота, хромомагнезита и т. д. придают затвердевшему цементу значительную огнеупорность, т. е. способность длительно сохранять прочность и стойкость при высоких температурах. Такие смеси применяют для изготовления жароупорных бетонов с показателями огнеупорности до 1400—1700 °С. При этом в качестве заполнителей бетонов используют материалы соответствующей огнеупорности (шамот и др.).