Цементы на основе глиноземистого клинкера

К этой группе относят глиноземистый, гипсоглиноземистый и водонепроницаемый расширяющийся цементы.

Глиноземистыйцемент представляет собой гидравлическое быстротвердеющее вяжущее вещество, получаемое измельчением глиноземистого клинкера. Клинкер получают из обожженной до плавления или спекания смеси, состоящей из бокситов и известняков.

Глиноземистый цемент в строительстве применяют в чистом виде или в качестве компонента для изготовления расширяющихся, жаростойких и других вяжущих.

Химический состав глиноземистого цемента характеризуется содержанием в нем главных оксидов, %: алюминия (глинозем Al₂O₃)– 30–50, кальция (СаО) – 35–45, кремния (кремнезем SiO₂) – 5–15, железа (Fe₂O₃) – 5–15; небольшого количества в виде примесей других оксидов: титана (TiO₂) – 1,5–2,5, магния (MgO) – 0,5–1,5, серного ангидрида (SO₃) – 0,1–1, щелочных металлов (Na₂O + K₂O) – до 1.

Минералогический состав глиноземистого цемента характеризуется содержанием в нем соединений однокальциевого алюмината СаО×Al₂O₃ (СА), однокальциевого двухалюмината СаО×2Al₂O₃ (СА₂), пятикальциевого трехалюмината 5СаО×3Al₂O₃ (С₅А₃), геленита 2СаО×Al₂O₃×SiO₂ (С₂АS), двухкальциевого силиката b-2СаО×SiO₂ (b-С₂S).

Основным минералом глиноземистого цемента, определяющим его свойства, является СА. Он образует твердые растворы с однокальциевым ферритом до 15 % и оксидом железа – до 10 %. При твердении дает камень высокой прочности. Минерал С₅А₃ быстро схватывается и твердеет, СА₂ медленно твердеет, но имеет высокую конечную прочность.

Сырьем для изготовления глиноземистого цемента являются известняки CaCO₃ и бокситы Al₂O₃× n H₂O. Могут применяться алюминиевые шлаки и обожженные высокоглиноземистые глины. Изготавливают глиноземистый цемент двумя способами: спеканием или плавлением сырьевой смеси.

По способу спекания во вращающихся или шахтных печах производится обжиг тонкоизмельченной сырьевой смеси боксита и известняка. При температуре около 1300 °С образуется глиноземистый клинкер.

По способу плавления в доменных печах одновременно получают чугун и глиноземистый шлак. Печь загружают железистым бокситом, известняком, металлическим ломом и коксом. Расплавленные чугун и шлак периодически выпускают. Температура шлака составляет 1600–1700 °С. Охлажденный шлак является клинкером глиноземистого цемента.

Твердение глиноземистого цемента происходит в результате взаимодействия минералов с водой и, в первую очередь, основного минерала СА, которое протекает по схеме

CaO×Al₂O₃ + 10H₂О = CaO×Al₂O₃×10H₂O.

При температуре 22–30 °С CaO×Al₂O₃×10H₂O переходит в 2CaO×Al₂O₃×8H₂O и еще образуется гидроксид алюминия Al(OH)₂.

Истинная плотность глиноземистого цемента составляет 3,1–3,3 г/см³, насыпная плотность в рыхлонасыпанном состоянии – 1000–1300, в уплотненном – 1600–1800 кг/м³, водопотребность – 23–28 %. Начало схватывания должно наступать не ранее 45 мин, конец – не позже 12 ч. Ускорителями служат Ca(OH)₂, Na₂CO₃, CaSO₄, портландцемент, замедлителями – NaCl, CaCl₂, KCl, винная кислота и др.

Этот цемент при твердении быстро набирает прочность. Через 10--15 ч она составляет 15–20 МПа, через сутки – 80--90 % от марочной. Марки цемента, определяемые в возрасте 3 суток, – 400, 500 и 600. Через 10–20 лет он приобретает прочность, превышающую марочную на 50–60 %.

Глиноземистый цемент интенсивно твердеет при пониженных температурах. Так, при 0 °С через трое суток прочность его составляет 50 % от марочной. Это объясняется повышенной экзотермией в начальный период. Пропаривание и автоклавная обработка понижают его прочность.

Бетоны на глиноземистом цементе по сравнению с бетонами на портландцементе имеют повышенную водостойкость. Жаростойкость их очень высокая и составляет 1200--1600 °С. Объясняется это отсутствием в цементном камне гидроксида кальция. Они также имеют более высокую водонепроницаемость, морозостойкость в связи с тем, что пористость цементного камня на глиноземистом цементе в 1,5 раза меньше пористости портландцементного камня.

Глиноземистый цемент рекомендуют применять для изготовления жаростойких, морозостойких и водонепроницаемых бетонов, при выполнении аварийных и ремонтных работ. Ограничивает его применение высокая стоимость, превышающая стоимость портландцемента в 5–6 раз.

Гипсоглиноземистый цемент получают совместным измельчением 70 % высокоглиноземистого шлака с повышенным содержанием минерала СА и 30 % двуводного гипса. Твердение цемента происходит при его взаимодействии с водой в результате образования C₂AH₃. Кроме того, образуется гидросульфоалюминат кальция, который вызывает расширение, составляющее через 3 суток от 0,1 до 0,7 %.

Гипсоглиноземистый цемент – это быстросхватывающее вяжущее с началом схватывания не ранее 10 мин и концом – не позднее 4 ч.

По прочности при сжатии в возрасте 28 суток гипсоглиноземистый цемент подразделяется на марки 400 и 500. Предел прочности через 3 суток должен быть не менее 28 МПа. Имеет повышенную водонепроницаемость. Образцы-цилиндры диаметром и высотой 150 мм из цементно-песчаного раствора состава 1:2 не должны пропускать воду при давлении 1 МПа.

Применяют гипсоглиноземистый цемент для водонепроницаемых и расширяющихся бетонов и растворов, для заделки стыков сборных железобетонных изделий.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) состоит из 73–76 % глиноземистого цемента, 20–22 % строительного гипса и 10–11 % высокоосновных гидроалюминатов кальция.

Гидроалюминаты кальция получают гидротермической обработкой при температуре 120--150 °С глиноземистого цемента с гашеной известью. Затем составляющие измельчают совместно или раздельно, а потом смешивают.

Начало схватывания этого цемента наступает не ранее 4 мин, конец – не позже 10 мин. Замедляют сроки схватывания добавки ЛСТ, буры, уксусной кислоты. Расширение через сутки составляет не менее 0,2 и не более 1 %.

Применяют ВРЦ в ремонтных работах, для получения водонепроницаемых швов.