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

Минеральные вяжущие вещества

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) получают совместным тонким измельчением специального портландцементного клинкера и гипса. При помоле допускается введение не более 10% активных минеральных добавок осадочного происхождения и не более 15 % доменных и электротермофосфорных гранулированных шлаков, глиежей.

Клинкер быстротвердеющего портландцемента содержит обычно 60—65 % трехкальциевого силиката и трех-кальциевого алюмината и ограниченное (до 0,5 %) количество СаОсвоб. Содержание MgO в нем не должно превышать 5 %.

Гипс в быстротвердеющий цемент вводят в обычной дозировке: в пересчете на S03 не более 3,5 % в зависимости от минерального состава клинкера (содержание С3А) и от тонкости помола цемента. Для получения быстротвердеющего портландцемента применяют возможно однородные сырьевые материалы с пониженным содержанием MgO и R20.   .

При производстве БТЦ сырьевые смеси готовят с повышенным по сравнению с обычным портландцементом коэффициентом насыщения кремнезема оксидом кальция (/(# = 0,9...0,92), их более тонко измельчают и тщательно гомогенизируют. Клинкер обжигают при несколько более высоких температурах, применяя по возможности малозольные высококалорийные каменные угли.

Повышенная прочность быстротвердеющего цемента в первые сроки твердения в значительной мере обусловлена не только минеральным составом, но и тонкостью измельчения цемента. Быстротвердеющий цемент размалывают до удельной поверхности 3500—4000 см2/г (вместо 2800—3000 см2/г для обычного портландцемента).

По свойствам быстротвердеющий портландцемент отличается от обычного прежде всего более интенсивным твердением в первые 3 сут. Интенсивное твердение цемента в первые сроки возможно при достаточном количестве. в нем зерен клинкера тонких фракций (0— 20 мкм). По данным С. М. Рояка,В.З. Пироцкого и других, суточная прочность цемента в основном зависит от содержания зерен клинкера размером менее 10 мкм, а 3-суточная — до 30 мкм. Процентное содержание указанных фракций клинкера в цементе определяет примерно ожидаемую его 1- и 3-суточную прочность.

Через 3 сут твердения в нормальных условиях прочность БТЦ обычно достигает 60—70 % марочной. В последующие сроки твердения интенсивность нарастания прочности замедляется и через 28 сут и более прочностные показатели быстротвердеющего цемента становятся такими же, как и у обычных высококачественных порт-ландцементов. По ГОСТ 10178—76 (с изм.) предел прочности БТЦ при испытании балочек из малопластичных растворов через 3 сут должен быть при изгибе не менее 4 и 4,5, а при сжатии не менее 25 и 28 МПа соответственно для марок 400 и 500.

Интенсивность роста прочности изделий из бетонов на быстротвердеющих цементах   возрастает  в условиях тепловой обработки при 70—80 °С. При этом через 4—6 ч прочность возрастает до 70—80 % той, какую приобретает бетон в течение 28 сут твердения в нормальных условиях. Более длительное пропаривание, а также тепло-влажностная обработка при температурах выше 80 °С приводят обычно в последующем к замедленному росту прочности и ее недобору. Она ниже прочности изделий, твердеющих при обычных температурах в течение 28 сут, поэтому бетоны на таких нементах следует пропаривать при температуре не выше 70—80 °С с короткой выдержкой.

При хранении на складе быстротвердеющий портландцемент сравнительно быстро теряет активность, и использовать его следует по мере поступления на завод.

Быстротвердеющие портландцементы целесообразно применять при изготовлении высокопрочных, обычных и преднапряженных железобетонных изделий и конструкций. Это дает возможность значительно сократить потребность в металлических формах, а в отдельных случаях отказаться и от тепловой обработки изделий. Применение быстротвердеющих цементов для возведения сооружений из монолитного бетона позволяет резко сократить сроки выдержки конструкций в опалубке.

Быстротвердеющие цементы марок 550 и 600 изготовляют тонким измельчением клинкера с расчетным содержанием C3S 60—65 % и С3А не более 8 % совместно с добавкой гипса. Минеральные добавки в эти цементы не вводят. Высокая интенсивность твердения в начальные сроки обеспечивается измельчением до удельной поверхности 4000—4500 см2/г. При этом содержание фракций цемента размером частиц менее 30 мкм достигает 50—60 %, а иногда и более. В процессе помола во избежание появления так называемого ложного схватывания цемента нельзя допускать повышения температуры.

В настоящее время в СССР, США, Японии, ФРГ разработаны составы и технологии сверхбыстротвердеющих цементов экстра-класса, а также организовано их промышленное производство, хотя и в ограниченных пока масштабах.

Применение таких цементов в строительстве имеет исключительно важное значение. Они позволяют отказаться от самого длительного и дорогого процесса — тепловлажиостиой обработки железобетонных изделий на заводах, требующей значительного   расхода   топлива   и больших производственных площадей для размещения тепловых установок (камер, котельных установок и др.). Они позволяют особенно эффективно решать проблемы возведения зданий и сооружений из монолитного бетона с применением скользящих и переставных опалубок.

При их использовании значительно экономичнее должны решаться задачи зимнего бетонирования. Предпосылкой для этого является то обстоятельство, что бетоны на цементах экстра-класса уже через 4—10 ч твердения при 10—15 °С могут набирать до 30—50% марочной прочности. Как известно, последующее замерзание бетона почти не отражается на конечной его прочности после оттаивания.

Важных результатов в решении теоретических и практических вопросов создания и применения сверхбыстротвердеющих цементов экстра-класса достигли И. В. Кравченко, Т. В. Кузнецова, А. М. Дмитриев, М. Т. Власова, Б. Э. Юдович, М. Г. Толочкова, Г. И. Вов-чок (НИИцемент) и др. Ими синтезировано и апробировано в производстве несколько разновидностей таких цементов. Среди них, в первую очередь, можно отметить цементы, получаемые обжигом смесей компонентов при 1200—1250 °С, содержащих повышенное количество оксида алюминия, а также фтористые вещества. При обжиге образуется клинкер, содержащий C3S, C2S, СцА?-• CaF2, а также стекло. Клинкер измельчают до дисперсности 4,5—5 тыс. см2/г, Интенсивность твердения такого цемента обусловлена исключительной активностью галогенсодержащего алюмината кальция CnA7-CaF2 при взаимодействии с водой.

Цемент, содержащий этот минерал в количестве 20— 25 % по массе, при испытании в растворах по ГОСТ 310.1—76 характеризуется следующими показателями прочности: через 6 ч—15—20; через 1 сут —20—30 и через 28 сут — 40—45 МПа.

Начало и конец схватывания цемента наступают через 15—30 мин после затворения его водой в тесто нормальной густоты (27—30 %).

Другой разновидностью сверхбыстротвердеющего вяжущего является сульфалюминатно-белитовый цемент, названный бесалитом. Он разработан И. В. Кравченко, Т. В. Кузнецовой, Л. Л. Астанским с учетом ранее выполненных исследований А. И. Батрак и И. В. Кравченко. Бесалит получают обжигом при 1150—1200 °С смесей мела, гипса и глиноземсодержащих материалов (глина, зола и др. с содержанием оксида алюминия не менее 20%). При обжиге образуется клинкер, содержащий 3(CA)-CaS04 (15—25%), C2S (40—65%), CaS04 (7-^ 12%), C4AF и т. д.

Этот цемент характеризуется при твердении небольшим линейным расширением и прочностью при испытании по ГОСТ 310.1—76: через 2 ч— 15—25; через 7 сут— 40—45; через 28 сут—40—60 МПа.

Бетоны, изготовленные на бесалите с расходом его в количестве 450—500 кг/м3 (5/Ц=0,4...0,5), через 3 ч твердения в нормальных условиях имеют прочность 15— 20, а через 28 сут 40—55 МПа.

А. М. Дмитриевым, Б. Э. Юдовичем и другими разработаны также цементы, получаемые вводом в портландцементы высоких марок кристаллизационных добавок (крентов). Одна из подобных добавок, вводимая в количестве до 10%, содержит аморфный кремнезем, гидроксид и сульфаты алюминия. Эти кренты получают при различных способах обжига мела и отходов кислотной обработки глин. При добавке к портландцементу марки 600 креита в количестве 10 % повышается его прочность через 10 ч твердения с 5 до 18 и через 28 сут с 60 до 85 МПа. Начало схватывания такого вяжущего в пределах 20—45 мин. Цемент, близкий по составу к описанному, предложен PL Ф. Пономаревым и В. В. Тимашевым.

Б. И. Нудельмаи, М. Я- Бикбау, А. С. Свенцнцкий и др. (НИИстромпроект, Ташкент) разработали состав и технологию алинитового цемента (ТУ 21-20-53-83). Клинкер для его изготовления получают обжигом смесей известняка, глинистого компонента с добавкой раствора хлористого кальция при 1050—1150 °С. Измельчают клинкер с добавкой гипса в количестве 2,5—3,5 % (по серному ангидриду). В цемент можно вводить активные минеральные добавки (10—30%) или гранулированные доменные шлаки (30—50%).

Основными минералами, определяющими скорость гидратации и твердения цемента, являются основной хлорсиликат кальция (алинит), хлоралюминат кальция с базовой формулой 11Са-4[0,755Ю2-5А (I)] 180C1.

Оптимальное содержание хлориона в клинкере должно быть в пределах 1,5—2,5%. Активность алинитового цемента в зависимости от дисперсности (3,5—4,5 тыс. см2/г)   и содержания хлор-иона колеблется в пределах 40—50 МПа. Бетоны на этом цементе по сравнению с портландцементом дают возможность достижения повышенной прочности их при прочих равных условиях. Недостатками алинитового цемента являются пониженная морозостойкость бетонов, которая может быть повышена вводом пенообразующих добавок, а также подверженность стальной арматуры коррозии под воздействием хлор-ионов. Это явление сопряжено с необходимостью защиты арматуры соответствующими мероприятиями.

В МИСИ им. В. В. Куйбышева с начала 50-х годов под руководством А. В. Волженского ведутся исследования, направленные на создание СБТЦ сочетанием традиционных материалов в оптимальных соотношениях. При этом были получены гипсоцементно-пуццолаиовые вяжущие (ГЦПВ) (см. п. 2 главы 15).

А. В. Волженским, Ю. В. Ефремовым, В. А. Горловым разработаны также составы и технология известковых портландцементов с содержанием клинкерного компонента в пределах 40—70%. Бетоны на таком цементе при его расходе около 380 кг/м2 через 6 ч нормального твердения достигают прочности 4—6 МПа. Термообработка при 50—60 °С в течение 5 ч повышает 8-часовую прочность до 15—17, суточную — до 17—20 и 28-суточ-ную — до 35—40 МПа. Такой же прочности достигает к 28 сут бетон нормального твердения. При этом бетон при водном твердении достигает повышенной прочности.

В США, Японии, ФРГ, Франции и других странах также разработаны сверхбыстротвердеющие цементы. В США известны цементы на основе глиноземистого и лортлаидского цементов, дающие возможность получать бетоны со значительной прочностью через 2—3 ч твердения. В Японии выпускают цементы, которые при испытании в растворах с песком 1 :2 при В/Ц = 0,6 через 1 сут твердения в нормальных условиях дают прочность при сжатии более 20 МПа.

Таким образом, сейчас созданы предпосылки к организации массового производства цементов экстра-класса, обеспечивающих исключительные возможности для резкого повышения эффективности строительства из бетона и железобетона.