Марки гипсовых вяжущих веществ по прочности

В зависимости от сроков схватывания различают 3 вида гипсовых вяжущих. Сроки схватывания можно регулировать путем использования добавок замедлителей или ускорителей схватывания.

Виды гипсовых вяжущих веществ по срокам схватывания

По степени помола также различают 3 вида гипсовых вяжущих – по остатку на сите 0,2 мм при просеивании пробы гипса.

Виды гипсовых вяжущих веществ по степени помола

• Водопотребность определяется количеством воды в % от массы вяжущего, необходимом для получения гипсового теста стандартной консистенции (определяется по вискозиметру Суттарда – расплыв 180 + - 5 мм).

Гипс – одно из немногих вяжущих, увеличивающихся в объеме при твердении (до 1%), что способствует изготовлению архитектурных деталей литьевым способом.

• Теоретически для гидратации полуводного гипса с образованием двуводного гипса требуется 18,6% воды от массы гипсового вяжущего. Практически для получения удобоформуемой смеси строительный гипс требует 50…70% воды, высокопрочный – 30…40%. Химически несвязанная вода формирует высокую пористость гипсового камня – 40…60%. Средняя плотность гипсового камня при этом составляет 1200…1500 кг/м³.

• Водостойкость гипсовых изделий низкая – коэффициент размягчения составляет 0,3…0,5. Вследствие высокой пористости, гипсовые изделия гигроскопичны. Водостойкость повышают гидрофобизирующие добавки и пропитки, интенсивное уплотнение.

• К недостаткам гипсовых вяжущих веществ также относят ползучесть влажного гипсового камня и коррозию стальной арматуры в гипсовых изделиях.

• Гипсовые изделия огнестойки: они достаточно медленно прогреваются и разрушаются через 6…8 часов после начала нагрева. что позволяет устраивать, например, гипсокартонные перегородки с пределом пределом огнестойкости.

Основные области применении гипсовых вяжущих:

• Производство сухих строительных смесей различного назначения (штукатурных, шпаклевочных, наливных полов и др.);

• Производство гипсокартонных и гипсоволокнистых листов, звукопоглощающих перфорированных плит и панелей, плит для модульных потолков;

• Изготовление гипсобетонных изделий – гипсовых пазогребневых плит для перегородок, гипсобетонных панелей, тонкостенных изделий (вентиляционные короба и др.);

• Изготовления гипсовых архитектурных деталей;

• Производство портландцемента и гипсоцементно-пуццолановых вяжущих.

Гидравлические вяжущие

• К гидравлическим вяжущим относятся гидравлическая известь, романцемент, портландцемент и его разновидности.

• Свойства указанных вяжущих веществ зависят от гидравлического модуля и температуры обжига сырья.

• Гидравлический модуль m выражает содержание основного оксида СаО по отношению к суммарному количеству кислотных оксидов:

m = % CaO

% SiO2 + %Al2O3+ %Fe2O3

 

• Для каждого вяжущего вещества характерен свой гидравлический модуль.

• Воздушная известь имеет m более 9

• Гидравлическая известь m = 1,7 - 9

• Романцемент m = 1,1 - 1,7

• Портландцемент m = 1,9 - 2,4.

Гидравлическая известь

Гидравлическую известь получают обжигом в шахтных печах не до спекания (900 -1100°С) мергелистых известняков с содержанием глины 6 - 20%.

Полученную известь размалывают и применяют в виде порошка либо гасят в пушонку.

В процессе обжига мергелистых известняков после разложения углекислого кальция (900°С) часть образующегося СаО остается в свободном состоянии, а часть соединяется с SiO2, Al2O3, Fe2O3, входящими в состав глинистых минералов. При этом образуются низкоосновные силикаты (2 СаО · SiO2), алюминаты (СаО · Al2O3) и ферриты(СаО · Fe2O3) кальция, которые и придают извести гидравлические свойства.

Гидравлическая известь начинает твердеть в воздухе (первые 7 сут) и продолжает твердеть и увеличивать свою прочность в воде. Применяют для изготовления строительных растворов, бетонов низких марок и бетонных камней. Ее хранят в закрытых помещениях, при перевозке предохраняют от увлажнения.

2.Романцемент - гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким помолом обожженных не до спекания (900°С) известняковых или магнезиальных мергелей, содержащих более 20% глины. Образующиеся при обжиге низкоосновные силикаты и алюминаты кальция придают романцементу свойство твердеть и сохранять прочность в воде. Романцемент выпускают трех марок: М25, М50, М100. Применяют для изготовления строительных растворов, бетонов, бетонных камней.

3. Портландцемент – гидравлическое вяжущее вещество, в составе которого преобладают высокоосновные силикаты кальция (70…80%), получаемое совместным помолом портландцементного клинкера с добавкой природного (двуводного) гипса (3…5%).

Клинкер представляет собой зернистый камнеподобный материал (размер гранул 10…40 мм), получаемый обжигом до спекания (при температуре до 1450°С) тщательно подобранной сырьевой смеси. Добавка гипса вводится для регулирования сроков схватывания портландцемента.

Название портландцемента происходит от англ. Portland – название полуострова на юге Великобритании, где добывалось сырье для производства портландцемента.

Изобретение портландцемента связано с именами английского каменщика Джозефа Аспдина, получившего в 1824 году патент на портландцемент, и русского строителя – начальника мастерских военно-рабочей бригады Егора Герасимовича Челиева, который изобрел цемент, наиболее схожий с современным портландцементом.

Сырьем для производства портландцемента служат:

• Известняки с высоким содержанием СаСО₃ (мел, плотный известняк, мергели и др.);

• Глинистые породы состава Al₂O₃·nSiO₂·mH₂O (глины, глинистые сланцы);

• Корректирующие добавки – для снижения температуры спекания сырьевой смеси, повышения содержания кремнезема SiO₂ и др. (пиритные огарки, трепел, опока, бокситы).

• Соотношение между карбонатными и глинистыми составляющими сырьевой смеси 3:1 (условно 75% известняка и 25% глины). Для глиноземистого цемента 45% известняка и 55 % боксита.

В качестве сырья может использоваться горная порода мергель, состоящая из известняков и глин в соотношении примерно 3:1.

Возможна замена глинистого и частично карбонатного компонента побочными продуктами промышленности – доменными или электротермофосфорными гранулированными шлаками, а также нефелиновым шламом, получающимся при производстве глинозема.

Производство портландцемента – сложный технологический и энергоемкий процесс, состоящий из ряда операций, которые можно разделить на две основные стадии. Первая – производство клинкера, вторая – помол клинкера совместно с гипсом, а в ряде случаев и с активными минеральными добавками.

• Производство клинкера состоит из следующих технологических операций:

• Добыча и доставка сырьевых материалов, их подготовка;

• Приготовление сырьевой смеси заданного состава путем помола и смешивания сырьевых компонентов в определенном количественном соотношении;

• Обжиг сырьевой смеси до спекания;

• Интенсивное охлаждение клинкера;

• Складирование клинкера.

• Производство портландцемента включает:

• Подготовку минеральных добавок (дробление, сушку);

• Дробление гипсового камня;

• Помол клинкера с активными минеральными добавками и гипсом;

• Складирование, упаковку и отправку цемента потребителю.

• Производство клинкера может осуществляться сухим, мокрым и комбинированным способом.

• Сухой способ заключается в приготовлении сырьевой муки в виде тонкоизмельченного сухого порошка (из сухих или предварительно высушенных сырьевых компонентов) с остаточной влажностью 1…2%. Сухой способ в 1,5…2 раза менее энергоемок, чем мокрый. Данный способ целесообразно применять при использовании известняка и глины с невысокой влажностью (10…15%) однородного состава и физической структуры.

• При мокром способе сырьевые материалы измельчаются и смешиваются в присутствии воды, поэтому смесь получается в виде жидкотекучей массы – шлама (от нем. schlamm – грязь) с влажностью 35…45%. Это наиболее энергоемкий способ. Его применяют, если сырье имеет значительную влажность. В настоящее время в России цементные заводы работают, в основном, по мокрому способу.

• Комбинированный способ заключается в том, что приготовленный шлам до поступления в печь обезвоживается на фильтрах до влажности 16…18%. Энергоемкость производства в целом остается высокой, однако, данный способ позволяет на 20…30% снизить расход топлива по сравнению с мокрым способом.

• При мокром способе сырьевые материалы измельчаются и смешиваются в присутствии воды, поэтому смесь получается в виде жидкотекучей массы – шлама (от нем. schlamm – грязь) с влажностью 35…45%. Это наиболее энергоемкий способ. Его применяют, если сырье имеет значительную влажность. В настоящее время в России цементные заводы работают, в основном, по мокрому способу.

• Комбинированный способ заключается в том, что приготовленный шлам до поступления в печь обезвоживается на фильтрах до влажности 16…18%. Энергоемкость производства в целом остается высокой, однако, данный способ позволяет на 20…30% снизить расход топлива по сравнению с мокрым способом.

• Обжиг сырьевой смеси осуществляется, в основном, во вращающихся печах, работающих по принципу противотока. Печь имеет небольшой наклон и вращается со скоростью 1–2 об/мин. При мокром способе производства длина печи достигает 230 м. Диаметр печи 5…7 м. Сырье подается в печь со стороны ее верхнего (холодного) конца и при вращении печи медленно двигается к нижнему (горячему) концу, со стороны которого вдувается топливо, сгорающее в виде 20…30-метрового факела. Основной и наиболее эффективный вид топлива – природный газ. Стоимость топлива достигает 25% себестоимости готового цемента. Двигаясь навстречу горячим газам, образующимся при сгорании топлива, сырье проходит различные температурные зоны. В каждой зоне проходят различные физико-химические превращения, в результате которых и получается цементный клинкер.

• 1. Зона испарения (зона сушки). Температура до 150°С. Происходит удаление свободной влаги из сырьевой смеси.

• 2. Зона подогрева. Температура 200…700°С. Выгорают органические примеси. При температуре 450…500°С происходит дегидратация глинистых минералов (образуется каолинитовый ангидрит и другие подобные соединения):

• Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O → Al₂O₃·2SiO₂ + 2H₂O↑.

• 3. Зона кальцинирования. Температура 700…1100°С. В данной зоне происходит диссоциация карбоната кальция и магния:

• СаСО₃ → СаО + СО₂↑;

• MgCO₃ → MgO + СО₂↑.

• При этой же температуре происходит распад дегидратированных глинистых минералов на оксиды Al₂O₃, SiO₂ и Fe₂O_3.

• 4. Зона экзотермических реакций. Температура 1100…1250°С. В этой зоне происходят твердофазовые реакции образования минералов 3СаО·Al₂O₃, 4СаО·Al₂O₃·Fe₂O₃ и белита 2СаО·SiO₂.

• 5. Зона спекания. Температура 1300…1450°С. Происходит частичное плавление твердой фазы и образуется основной минерал портландцементного клинкера – алит 3СаО·SiO₂ почти до полного связывания СаО.

• 6. В зоне охлаждения температура клинкера снижается с 1300°С до 1000°С. Здесь полностью формируется его структура и состав.

• Полученный клинкер при выходе из печи интенсивно охлаждается холодным воздухом с 1000°С до 100…200°С. Клинкер выдерживают на складе 1–2 недели.

• Помол клинкера с добавкой гипса осуществляется в многокамерных шаровых мельницах при помощи загруженных в барабан мелющих тел – шаров (при грубом помоле) и цилиндров (при мелком помоле). После помола цемент пневмотранспортом направляется в силосы для хранения.

• Вещественный состав портландцемента: клинкер + 3…5% двуводного гипса.

• Химический состав клинкера выражают содержанием оксидов (% по массе).

СаО - 63…66%; SiO₂ -21…24%; Al₂O₃ - 4…8%; Fe₂O₃ - 2…4%.

• В небольших количествах в клинкере содержатся MgO, SiO₃, Na₂O, K₂O, TiO₂, Cr₂O₃, P₂O₅.

• Свободные оксиды кальция и магния могут присутствовать в виде зерен (СаО_своб) и в виде минерала периклаза (MgО_своб). Их содержание ограничивается:

• СаО_своб ≤ 1%;

• MgО_своб ≤ 5%.

Минеральный состав клинкера:

• Алит – 3СаО·SiO₂ (С₃S) – 45…60% – самый важный минерал клинкера, определяет скорость твердения, прочность и другие свойства портландцемента;

• Белит – 2СаО·SiO₂ (С₂S) – 20…30% – медленно твердеет, но достигает высокой прочности при длительных сроках твердения;

• Трехкальциевый алюминат 3СаО·Al₂O₃ (С₃А) – 4…12% – быстро гидратируется и твердеет, но конечная прочность его небольшая; является причиной сульфатной коррозии цементного камня;

• Четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО·Al₂O₃·Fe₂O₃ (С₄АF) – 10…20% – по скорости твердения занимает промежуточное положение между С₃S и С₂S.

• Фазовый состав клинкера. В состав клинкера входит 85…95% кристаллической фазы в виде клинкерных минералов и 5…15% аморфной фазы в виде клинкерного стекла, состоящего, в основном, из СаО, Al₂O₃, Fe₂O₃, MgO, К₂О, Na₂O.

Твердение.

Твердениепортландцемента происходит благодаря сложным физико-химическим процессам взаимодействия клинкерных минералов и гипса с водой. Для формирования прочной и плотной цементной системы необходимой подвижности или удобоукладываемости требуется обязательное одновременное выполнение нескольких условий:

• Наличие полярной жидкости, т.е. воды;

• Получение однородной смеси путём перемешивания;

• Обеспечение условий, при которых вода находится в жидком состоянии;

• Наличие адгезии между твёрдыми частицами в цементной системе;

• Требуются максимально стеснённые условия формирования структуры при необходимой подвижности.

После смешивания порошка цемента с водой на первом этапе происходит смачивание твёрдых частиц водой. Однако, смачивание поверхности таких частиц происходит в виде сетки, то есть на активных участках поверхности. При этом, при перемешивании должна сформироваться однородная коагуляционная система, в которой вода выполняет роль прослойки между твёрдыми частицами.

2(3СаО·SiO₂) + 6H₂O → 3СаО·2SiO₂·3H₂O + 3Са(ОН)₂

3CaO∙2SiO₂ ∙ 3Н₂О – гидросиликат кальция

Са(ОН)₂ – гидроксид кальция - портландит

3СаО·Al₂O₃ + 6H₂O → 3СаО·Al₂O₃·6H₂O

Трехкальциевый алюминат взаимодействует с водой крайне быстро с образованием гидроалюмината кальция, вследствие чего цементное тесто быстро утрачивает свою подвижность. Для замедления схватывания при помоле клинкера добавляют 3…5% двуводного гипса.

Гипс реагирует с трехкальциевым алюминатом и связывает его в практически нерастворимое соединение – высокосульфатную форму гидросульфоалюмината кальция (эттрингит) в начале гидратации портландцемента:

3СаО·Al₂O₃+3(CaSO₄·2H₂O)+26H₂O→3СаО·Al₂O₃·3CaSO₄·32 H₂O.

Образующийся эттрингит осаждается на поверхности частиц 3СаО·Al₂O₃ и замедляет их гидратацию, затягивая процесс схватывания портландцемента. Впоследствии по мере снижения концентрации в растворе Са(ОН)₂ эттрингит образуется в виде длинных игловидных кристаллов. Эттрингит занимает примерно в 2…2,5 раза больший объем по сравнению с исходными реагирующими веществами. Иглы эттрингита выполняют роль каркаса, вокруг которого происходит формирование структуры цементного камня. Таким образом, эттрингит, образующийся в еще не затвердевшем цементном камне, обеспечивает раннюю прочность цементного камня, уплотняет структуру и предотвращает образование в цементном камне слабых мест в виде рыхлых гидроалюминатов кальция, т.е. играет положительную роль.

Гидратация белита происходит по реакции:

2(2СаО·SiO₂) + 4H₂O → 3СаО·2SiO₂·3H₂O + Са(ОН)₂.

Гидратация четырехкальциевого алюмоферрита происходит по следующей реакции с образованием гидроалюмината и гидроферрита:

4СаО·Al₂O₃·Fe₂O₃ + mH₂O →3СаО·Al₂O₃·6H₂O + СаО·Fe₂O₃·nH₂O.

Теорию твердения портландцемента в упрощенном виде можно представить следующим образом: в течение времени в результате физико-химических процессов на поверхности твёрдых частиц и в жидкой фазе формируются продукты гидратации (гидраты минералов портландцементного клинкера) в виде новообразований различной закристаллизованности. На их смачивание тоже затрачивается вода. Поэтому система постепенно теряет подвижность, загустевает, переходит в твёрдое состояние, наступает начало схватывания и дальнейшее твердение. Реакции гидратации клинкерных минералов экзотермические с выделением теплоты.

Структура цементного камня может быть представлена как микроскопическая неоднородная дисперсная система – «микробетон» (по В.Н. Юнгу). Цементный камень включает:

• Продукты гидратации портландцемента:

– Гель гидросиликатов кальция (до 75% объема) и другие новообразования;

– Кристаллы портландита и эттрингита;

• Непрореагировавшие зерна клинкера – клинкерный фонд;

• Поры (классификация по Горчакову Г.И.):

– Гелевые поры (менее 0,1 мкм);

– Капиллярные поры (от 0,1 до 10 мкм) между агрегатами частиц геля;

– Воздушные поры (от 50 мкм до 2 мм).

• Показатели качества

• Тонкость помола цемента определяет быстроту твердения и прочность цементного камня, а также влияет на интенсивность тепловыделения. Тонкость помола – важнейший рычаг регулирования активности цемента.

• По ГОСТ 10178–85 она должна быть такой, чтобы через сито № 008 (80 мкм) проходило не менее 85% массы пробы (при этом удельная поверхность составляет S_уд=2500…3000 см²/г). ГОСТ 31108–2003 требований к тонкости помола не устанавливает, а при её определении надлежит использовать сито № 009 (90 мкм).

• Сроки схватывания цементов определяют с помощью прибора Вика. Под схватыванием цемента подразумевается необратимая потеря подвижности цементным тестом в результате гидратации. ГОСТ 10178–85 предъявляет требования к срокам схватывания портландцементов цементов – начало не ранее 45 минут, конец не позднее 10 часов.

• Равномерность изменения объема. Под данным понятием ГОСТ 30515–97 подразумевает свойство цемента в процессе твердения образовывать цементный камень, деформация которого не превышает значений, установленных нормативным документом. К неравномерному изменению объема приводят местные деформации, вызываемые расширением СаО_своб и MgО_своб при их взаимодействии с водой и образованием Ca(OH)₂ и Mg(OH)₂. ГОСТ 10178–85 предполагает визуальную оценку равномерности изменения объема по результатам кипячения лепешек, изготовленных из цементного теста нормальной густоты.

• Прочность – основной показатель портландцемента как основы важнейшего конструкционного материала – бетона. Прочность цемента контролируется испытанием стандартных образцов–балочек размером 4×4×16 см, изготовленных из цементно-песчаного раствора 1:3 (по массе) через 28 суток твердения (первые сутки – в формах в нормальных условиях, далее – без форм в воде).

Марка портландцемента	Предел прочности, МПа (кгс/см2), не менее
3 суток	28 суток
изгиб	сжатие	изгиб	сжатие
	—	—	4,4 (45)	29,4 (300)
	—	—	5,4 (55)	39,2 (400)
400Б	3,9 (40)	24,5 (250)	5,4 (55)	39,2 (400)
	—	—	5,9 (60)	49,0 (500)
500Б	4,4 (45)	27,5 (280)	5,9 (60)	49,0 (500)
	—	—	6,1 (62)	53,9 (550)
	—	—	6,4 (65)	58,8 (600)

 

Для определения предела прочности при изгибе образец зажимают между тремя роликовыми опорами. Расстояние (в осях) между нижними опорами 100 мм; через верхнюю опору передается изгибающее усилие. Средняя скорость нарастания нагрузки на образец должна быть (0,05±0,01) кН/с.

Предел прочности образца при изгибе (МПа) определяют по формуле:

где: Р – разрушающая нагрузка, кН; l = 10 см – расстояние между опорами;

b = h = 4 см – ширина и высота поперечного сечения образца.

Предел прочности при изгибе вычисляют как среднее арифметическое результатов трех испытаний.

Схема испытания образцов-балочек на изгиб

Полученные после испытания на изгиб шесть половинок балочек испытывают на сжатие на гидравлическом прессе. Для того, чтобы результаты испытания половинок балочек были сопоставимы, несмотря на разный размер образующихся при испытании на изгиб образцов, используют стандартные металлические нажимные пластины с площадью 25 см².

Схема испытания половинок образцов–балочек на сжатие

 

Предел прочности образца на сжатие (МПа) определяют по формуле:

где: P – разрушающая нагрузка, кН. F = 25 см² – рабочая площадь пластины.

Таким образом определяется активность цемента – фактическая прочность на изгиб и на сжатие образцов из стандартного цементного раствора, изготовленных и испытанных в стандартных условиях, установленных нормативным документом. На основании активности цемента устанавливается его марка по прочности по табл.1 (по ГОСТ 10178–85).

• К важным свойствам портландцемента также можно отнести водопотребность, истинную и насыпную плотности.

• Истинная плотность находится в пределах 3100…3200 кг/м³.

• Насыпная плотность в рыхлом состоянии колеблется в пределах 900…1100 кг/м³, в уплотненном состоянии – 1400…1700 кг/м³, в среднем для расчетов принимают насыпную плотность 1300 кг/м³.

• Водопотребность портландцемента характеризуется количеством воды (% от массы цемента), необходимым для получения цементного теста нормальной густоты. Эту характеристику также называют просто «нормальной густотой» – НГ. В среднем она составляет 24…28%. Водопотребность портландцемента зависит от многих факторов, в частности, от минерального состава. Водопотребность можно регулировать использованием пластификаторов, вводимых в количестве 0,3…1,5% от массы вяжущего, позволяющих снизить водопотребность на 25…40%.

• Жаростойкость и огнеупорность цементов. Цементный камень – несгораемый материал. Однако снижение прочности бетонов на портландцементе отмечается уже при температурах 150…200°С, а при температурах 500…700°С оно резко усиливается. Такое поведение цементов связано с разложением при высоких температурах гидратных соединений – эттрингита, гидросиликатов кальция, портландита. При хранении в течение месяца на воздухе образцов цемента, нагретых до температуры 400…450°С, снижение прочности составляет 20…40%. Разложение Са(ОН)₂ происходит при температуре 550°С и выше. После такого температурного воздействия цементный камень при хранении на воздухе существенно теряет прочность вплоть до разрушения вследствие повторной гидратации СаО, сопровождающейся увеличением объема. Прочность образцов, нагретых до температуры 1000…1200°С, снижается до значений 35…40% начальной прочности. Бетоны на портландцементе не рекомендуется применять при температуре выше 250…300°С. При таких температурах прочность уменьшается примерно на 10%. Введение в портландцемент специальных добавок (шамота, хромомагнезита и др.) позволяет получить цементный камень высокой огнеупорности – до 1400…1700°С.

• Наконец, обратимся к условному обозначению портландцементов по ГОСТ10178–85.

• Согласно ГОСТ10178–85, условное обозначение должно состоять из наименования вида цемента, марки по прочности, обозначения максимального содержания добавок в цементе, обозначения быстротвердеющего цемента, номера стандарта.

• Примеры условных обозначений:

• 1. Портландцемент марки 500, бездобавочный:

• ПЦ 500–Д0 ГОСТ10178–85.

• 2. Портландцемент марки 400 с активной минеральной добавкой в количестве до 20%, быстротвердеющий:

• ПЦ 400–Д20–Б ГОСТ10178–85.

• 3. Шлакопортландцемент марки 400:

• ШПЦ 400 ГОСТ10178–85.

Применение

• Портландцемент – основной материал современной строительной индустрии. Портландцемент применяется при возведении монолитных железобетонных конструкций практически любого назначения, для производства сборных железобетонных конструкций и изделий, для изготовления строительных растворов и сухих строительных смесей, для производства специальных видов цемента, а также при изготовлении ряда других строительных материалов. Практически все бетонные и железобетонные конструкции изготовлены (возведены) с использованием цементов на основе портландцементного клинкера.