Минеральный состав клинкера

Четырехкальциевый алюмоферрит в клинкере содержится в количестве 10...20%. Алюмоферритная фаза промежуточного вещества клинкера представляет собой твердый раствор алюмоферритов кальция разного состава, в клинкерах обычных портландцементов ее состав близок к 4CaO×Al₂O₃×Fe₂O₃. По скорости гидратации минерал занимает промежуточное положение между алитом и белитом.

Производство портландцемента

Производство портландцемента включает в себя следующие основные этапы:

а) добычу в карьере и доставку на завод сырьевых материалов;

б) приготовление сырьевой смеси;

в) обжиг сырьевой смеси до спекания – получение клинкера;

г) помол клинкера с добавкой гипса – получение портландцемента.

Сырьевыми материалами для производства клинкера служат известняки с высоким содержанием СаСО₃ (мел, известь, мергели и др.) и глинистые породы (глина, глинистые сланцы), содержащие SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃. Примерное соотношение между карбонатной и глинистой составляющими сырьевой смеси 3: 1 (75% известняка и 25% глины). В сырьевую смесь вводят добавки, корректирующие химический состав, регулируя температуру спекания смеси и кристаллизацию минералов клинкера.

Приготовление сырьевой смеси состоит в тонком измельчении и смешении необходимого количества компонентов. Смесь приготовляют сухим, мокрым и комбинированными способами.

Обжиг сырьевой смеси как при сухом, так и при мокром способе осуществляется в основном во вращающихся печах (рис. 9.1), которые представляют собой длинный, расположенный слегка наклонно цилиндр (барабан), сваренный из листовой стали с огнеупорной футеровкой внутри. Длина печей от 95 до 230 м, диаметр 5-7 м.

Сырье, подготовленное в виде порошка (сухой способ) или шлама (мокрый способ) подается автоматическим питателем в печь со стороны ее верхнего (холодного) конца, а со стороны нижнего (горячего) конца вдувается топливо (природный газ, мазут, воздушно-угольная смесь), сгорающее в виде 20…30 метрового факела. Сырье занимает только часть поперечного сечения печи и при ее вращении (скорость 1…2 об/мин) медленно движется к нижнему концу навстречу горячим газам, проходя 6 температурных зон: испарения (зона сушки), подогрева, декарбонизации, экзотермических реакций, спекания, охлаждения.

Зона испарения (зона сушки), в ней происходит высушивание сырьевой смеси при постепенном повышении температуры с 70 до 200 °С. Подсушенный материал комкуется, при перекатывании комья распадаются на более мелкие гранулы.

Зона подогрева – здесь при постепенном нагревании сырья с 200 до 700 °С сгорают находящиеся в нем органические примеси, из глины удаляется кристаллохимическая вода (при 500 °С) и образуется безводный каолинит Al₂O₃×2SiO₂.

Подготовительные зоны (испарения и подогрева) при мокром способе занимают 50 – 60 % длины печи, при сухом же способе подготовка сырья сокращается за счет зоны испарения.

Зона декарбонизации (20% длины печи) – здесь температура материала поднимается с 700 до 1100 °С, завершается процесс разложения карбонатов кальция и магния с выделением большого количества СаО, что сопровождается большим поглощением теплоты. В этой же зоне происходит распад глинистых минералов на оксиды Al₂O₃, SiO₂ и Fe₂O₃, которые вступают в химическое взаимодействие с СаО и в результате образуются минералы 3СаО×Al₂O₃ и частично 2СаО×SiO₂.

Зона экзотермических реакций (5-7 % длины печи, температура 1100 –1250°С) – в этой зоне проходят реакции образования 3СаО×Al₂O₃, целита и белита; эти экзотермические реакции сопровождаются выделением большого количества теплоты и интенсивным повышением температуры материала.

Зона спекания – (10-15 % длины печи), здесь при температуре с 1300°С до 1450°С образуется расплав из легкоплавких минералов, в которых растворяются белит и СаО, из которых в расплаве происходит образование алита 3СаО×SiO₂, идущее почти до полного связывания СаО. При вращении печи частично расплавленный материал непрерывно перекатывается, мелкие частицы слипаются в гранулы. Понижение температуры с 1450 до 1300°С вызывает кристаллизацию 3СаО×Al₂O₃, целита и MgO, которая заканчивается в зоне охлаждения.

Зона охлаждения – температура клинкера понижается с 1300 до 1000°С; здесь полностью формируется его структура и состав, включающий алит, белит, C₃A, C₄AF, MgO (периклаз), стекловидную фазу и второстепенные составляющие.

Цементный клинкер выходит из вращающейся печи в виде мелких зерен – гранул. На выходе из печи клинкер интенсивно охлаждается воздухом с 1000°С до 100…200 °С в колосниковых и других холодильниках. После этого клинкер выдерживается на складе 1-2 недели.

Помол клинкера производится при помощи трубной мельницы, представляющей собой барабан, облицованный внутри стальными броневыми плитами и разделенный дырчатыми перегородками на 2-4 камеры. Материал измельчается под действием загруженных в барабан стальных шаров или цилиндров.

При помоле к клинкеру добавляется гипс (так чтобы общее содержание SO₃ в цементе не превышало 3,5%), который регулирует сроки схватывания портландцемента.

Готовый портландцемент – очень мелкий порошок темно-серого или зеленовато-серого цвета; на выходе из мельницы он имеет высокую температуру (80-120 °С) и направляется пневмотранспортом на хранение в силосы, где он выдерживается до окончательного охлаждения и гашения влагой воздуха остатков свободного СаО. Из силосов портландцемент поступает в специальный транспорт, а также на расфасовку в мешки.

Твердение портландцемента

При смешивании цемента с водой образуется цементное тесто, которое легко формируется и обладает пластичностью в течение 1-3 часов после его приготовления. Затем наступает период схватывания цементного теста, который заканчивается через 5-10 часов. При этом цементное тесто загустевает, теряет подвижность и в конце схватывания превращается в камень, но его прочность еще мала. Переход цементного теста в твердое состояние означает конец схватывания и начало собственно твердения, сопровождающееся нарастанием прочности.

Твердение при благоприятных условиях длится годами – вплоть до полной гидратации цемента.

Процессы твердения портландцемента протекают сначала быстро, а потом замедляются. На 3-4 сутки цемент имеет 30 – 50 % марочной прочности; на 7-е сутки – 60 – 70 %, на 15-е – 85 % и на 28-е – 100%. В дальнейшем прочность продолжает нарастать и при благоприятных условиях за 2-3 года достигает 200 – 300 % марочной прочности. Тепловлажностная обработка (пропаривание) ускоряет процессы твердения портландцемента.

Регулирование содержания в клинкере основных минералов позволяет создавать цемент со специфическими свойствами. Например, для создания быстротвердеющих цементов необходимо увеличить содержание в них С₃S и С₃А, а для создания цементов с малым тепловыделением (используется для массивных гидротехнических сооружений) содержание С₃S и С₃А уменьшается.

Структура цементного камня

После затвердевания цементное тесто превращается в цементный камень, который включает в себя:

1. Продукты гидратации цемента: а) гель гидросиликата кальция и др. новообразования, обладающие свойствами коллоидов; б) кристаллы Са(ОН)₂ и эттрингита;

2. Непрореагировавшие зерна клинкера, содержание которых уменьшается по мере гидратации цемента;

3. Поры: поры геля (размером менее 0,1 мкм); капиллярные поры (от 0,1 до 10 мкм), расположенные между агрегатами частиц геля; воздушные поры (от 50 мкм до 2 мм).

Пористость цементного камня составляет примерно 30 – 50 %.

Технические характеристики портландцемента

1). Плотность. Истинная плотность в зависимости от вида и количества добавок составляет 2900 - 3200 кг/м³; насыпная (зависит от уплотнения): в рыхлом состоянии 900 - 1100 кг/м³, в уплотненном – до 1700 кг/м³.

2). Тонкость помола оценивается путем просеивания предварительно высушенной пробы цемента через сито №008; должна быть такой, чтобы через сито проходило более 85% массы пробы (удельная поверхность цемента при этом составляет 2500-3000 см²/г).

3). Сроки схватывания определяют, используя прибор Вика, путем погружения иглы этого прибора в цементное тесто нормальной густоты. Начало схватывания обычного цемента при температуре 20°С должно наступать не ранее 45 минут, а конец – не позднее чем через 10 часов от момента затворения вяжущего водой. Для получения нормальных сроков схватывания при помоле клинкера к нему добавляют гипс. Замедлителямисхватывания являются также борная кислота, фосфаты и нитраты калия, натрия и аммония, СДБ и др. Ускорителямисхватывания являются карбонаты и сульфаты металлов, хлорид кальция, добавки в виде измельченного гидратированного цемента и др.

4).Равномерность изменения объема, которая качественно характеризует присутствие в цементе CaO и MgO, определяется на образцах, предварительно твердевших 24 часа и подвергнутых затем кипячению в течение 3 часов. Образцы после испытаний не должны иметь радиальных трещин, разрушений и искривлений.

5). Тепловыделение происходит при гидратации цемента. Зависит от состава клинкера и тонкости помола. Минерал С₃А отличается быстрым и высоким тепловыделением; наоборот, белит выделяет тепло очень медленно. Увеличение тонкости помола усиливает тепловыделение в начале твердения в первые 7 суток. В тонких конструкциях теплота гидратации быстро рассеивается и не оказывает существенного влияния. Однако в массивных конструкциях, вследствие более интенсивного охлаждения внешней части бетона по отношению к внутреннему массиву, могут возникнуть опасные температурные напряжения (разность температур может быть более 40⁰С). Чтобы избежать растрескивания, стремятся использовать низкотемпературные цементы, снижают расход цемента в бетоне, а в случае необходимости применяют искусственное охлаждение массива.

Тепловыделение может играть положительную роль при бетонировании в холодное время года по способу термоса, при этом выделяющаяся теплота способствует поддерживанию положительной температуры твердеющего бетона.

6). Прочность портландцемента характеризуется его маркой, которую определяют испытанием стандартных образцов-балочек размером 40х40х160 мм, изготовленных из цементно-песчаного раствора состава 1:3 (по массе) пластичной консистенции. Через 28 суток комбинированного твердения (первые сутки в формах во влажном воздухе, затем после расформовки 27 суток в воде при температуре 20±2°С) образцы испытывают на изгиб и сжатие.

Активностью портландцемента называется предел прочности при осевом сжатии половинок образцов-балочек.

В зависимости от активности, с учетом предела прочности при изгибе, портландцемент подразделяется на марки 400, 500, 550, 600 (цифра соответствует округленной в меньшую сторону средней прочности при сжатии образцов-балочек, выраженной в кг/см²). У быстротвердеющих портландцементов нормируется не только 28-суточная, но и начальная 3-суточная прочность.

Условное обозначение цемента обычно состоит из наименования его вида (ПЦ – портландцемент, ШПЦ – шлакопортландцемент), марки, содержания добавок в % (Д0, Д5, Д20) и наличие специальных свойств (Б – быстротвердеющий, ПЛ – пластифицированный, ГФ – гидрофобный). Например, портландцемент марки 500, с добавкой до 20%, быстротвердеющий, пластифицированный имеет обозначение: ПЦ500-Д20-Б-ПЛ.

9.9. Долговечность цементного камня. Основные виды коррозии

Разрушение конструкций, изготовленных с применением цемента (бетонные, железобетонные, строительные растворы) обычно начинаются с разрушения цементного камня, стойкость которого, как правило, ниже стойкости заполнителей.

Разрушение может происходить под влиянием:

1. Физических явлений (насыщения водой, попеременного замораживания и оттаивания, увлажнения и высыхания и т.п.);

2. Химического взаимодействия цементного камня с агрессивными веществами, содержащимися в воде или в воздухе (магнезиальная и другие виды коррозии).

При выборе вида цемента для конкретного сооружения необходимо учитывать требования по морозостойкости, воздухостойкости и химической стойкости.

Морозостойкость цементного камня определяется не общей, а капиллярной его пористостью, поскольку вода, содержащаяся в порах цементного геля, не переходит в лед даже при сильных морозах. Уменьшение объема капиллярных пор резко повышает морозостойкость.

Воздухостойкость – способность цементного камня сохранять прочность в сухих условиях при сильном нагреве солнечными лучами, а также в условиях попеременного увлажнения и высыхания. Требование по воздухостойкости ограничивает применение цементов с активными минеральными добавками осадочного происхождения для надземных конструкций, работающих в сухих условиях.

Основные виды химической коррозии цементного камня

Коррозия может происходить под действием мягкой воды, растворов кислот, некоторых солей и кислых газов на составные части цементного камня, главным образом на Са(ОН)₂ и 3СаО×Al₂O₃×6H₂O. Встречающиеся на практике коррозии можно разделить на 3 вида:

1 - выщелачивание Са(ОН)₂ ;

2 - образование легко растворимых солей при воздействии на Са(ОН)₂ веществ, находящихся в окружающей среде;

3 - образование в цементном камне соединений, увеличивающихся в объеме.

Коррозия первого вида заключается в растворении и вымывании (выщелачивании) Са(ОН)₂ при действии на цементный камень мягких вод, содержащих мало растворенных веществ (дождевая вода, вода горных рек, а также равнинных рек в половодье, болотная вода и т.п.). Вымывание Са(ОН)₂ приводит к разложению гидросиликатов и гидроалюминатов кальция и увеличению пористости. Потеря цементным камнем 15-30% Са(ОН)₂ понижает его прочность на 40-50% и более. Выщелачивание можно заметить по появлению белых пятен (подтеков) на поверхности бетона. Наличие градиента давления воды на сооружение ускоряет процесс выщелачивания.

Для ослабления коррозии выщелачивания ограничивают содержание C₃S до 50%. Главным средством борьбы с выщелачиванием является введение в цемент активных минеральных добавок и применение плотного бетона. Положительно сказывается выдерживание на воздухе 2-3 месяца бетонных свай, блоков и других элементов с целью образования на их поверхности защитного слоя из малорастворимого СаСО₃ (происходит реакция Са(ОН)₂ + СО₂ ® СаСО₃).

Коррозия второго вида может происходить в различных формах:

· Углекислотная коррозия развивается при действии на цементный камень воды, содержащей свободный СО₂, разрушающий СаСО₃ с образованием легко растворимого бикарбоната кальция Са(НСО₃)₂ :

СаСО₃ + (СО₂)_своб.+ Н₂О = Са(НСО₃)₂.

· Общекислотная коррозия происходит при взаимодействии растворов, имеющих рH<7 (почти все кислоты за исключением поликремневой и кремнефтористоводородной) с Са(ОН)₂ с образованием легко растворимых солей (СаCl₂, гипс CaSO₄×2H₂O и др.):

Са(ОН)₂ + 2HCl = CaCl₂ + 2H₂O; Са(ОН)₂ + H₂SO₄ = CaSO₄×2H₂O.

Свободные кислоты часто встречаются в сточных водах, а также образуются из кислых газов в выбросах промышленных предприятий.

Бетон из портландцемента защищают от непосредственного воздействия кислот при помощи слоев из кислотоупорного цемента.

· Магнезиальная коррозия наступает при воздействии на Са(ОН)₂ магнезиальных солей, которые встречаются в растворенном виде в грунтовых водах и морской воде:

Са(ОН)₂ + MgCl₂ = CaCl₂ + Mg(ОН)₂;

Са(ОН)₂ + MgSO₄ + H₂O = CaSO₄×2H₂O + Mg(ОН)₂.

В результате этих реакций образуется растворимая соль, легко вымываемая из бетона.

· Воздействие органических кислот. Органические кислоты быстро разрушают цементный камень. Большой агрессивностью отличаются уксусная, молочная и винная кислоты. Так же вредны жирные кислоты (олеиновая, стеариновая и др.) и масла, содержащие кислоты (льняное, хлопковое, рыбий жир). Нефть и нефтепродукты (керосин, бензин, мазут и др.) не представляют опасности для бетона из портландцемента, если они не содержат нафтеновых кислот или соединений серы. Однако надо учитывать, что нефтепродукты легко проникают через бетон.

· Воздействие минеральных удобрений. Особенно вредны аммиачные удобрения – аммиачная селитра и сульфат аммония, которые действуют на Са(ОН)₂ с образованием хорошо растворимого нитрата кальция. Из фосфорных удобрений агрессивен суперфосфат.

Коррозия третьего вида возникает при действии на бетон растворов сульфатов и едких щелочей.

· Сульфоалюминатная коррозия (разновидность сульфатной коррозии) происходит при действии на гидроалюминат цементного камня морской воды, грунтовых и других минерализованных вод, содержащих сульфатные ионы:

3CaO×Al₂O₃×6H₂O + 3CaSO₄ + 25H₂O = 3CaO×Al₂O₃×3CaSO₄×31H₂O.

Кристаллизация образующегося в результате реакции минерала эттрингита сопровождается увеличением объема в несколько раз, что может вызвать разрушение затвердевшего цементного камня. Для борьбы с этим видом коррозии используют специальные сульфатостойкие портландцементы, применяемые в плотном бетоне.

· Щелочная коррозия может происходить в двух формах: под действием концентрированных растворов щелочей на цементный камень и под влиянием щелочей, имеющихся в клинкере цемента.

При действии растворов щелочей (NaOH, KOH) может происходить карбонизация щелочи в порах цементного камня за счет воздействия СО₂ воздуха. Возникающее кристаллизационное давление разрушает структуру цементного камня.

Коррозия, вызываемая щелочами цемента, происходит вследствие процессов, протекающих внутри бетона между его компонентами. Цементный клинкер содержит щелочные соединения, которые могут вступать в реакцию с некоторыми модификациями кремнезема (опал, халцедон и др.), встречающимися в заполнителе бетона. В результате образуются набухающие студенистые отложения белого цвета на поверхности зерна заполнителя, что может вызвать разрушение бетона. При наличии в заполнителе такого кремнезема применяют портландцемент с содержанием щелочей менее 0,6% и вводят в цемент активные минеральные добавки (диатомит, трепел и др.), химически связывающие щелочи.

Основной комплекс мер защиты цементного камня от коррозии:

· повышение плотности цементного камня;

· выбор специальных вяжущих;

· введение добавок, изменяющих структуру цементного камня, уменьшающих водопотребность и т.д.;

· обработка поверхностного слоя (флюатирование, гидрофобизация, силикатизация и т.д.), а также инъекция растворов в толщу конструкции (цементация, битумизация, смолизация, силикатизация и т.д.);

· защита поверхности от агрессивной среды при помощи окраски, оклейки, оштукатуривания различными гидроизоляционными материалами, а также торкретированием и облицовкой керамикой или металлом.

9.10. Специальные виды цемента

Для получения портландцемента с заданными специальными свойствами используются следующие основные меры: регулирование минерального состава и структуры клинкера; введение минеральных и органических добавок; оптимизация тонкости помола и зернового состава цемента.

Разновидности быстротвердеющих портландцементов

Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) отличается от обычного более быстрым нарастанием прочности: через 3 суток имеет прочность около 25-28 МПа, т.е. более половины его марочной 28-суточной прочности (40 и 50 МПа). БТЦ получают путем измельчения (с добавкой 3-5% гипса) алито-алюминатного клинкера (сумма C₃S и C₃A = 60-65%). БТЦ – один из основных видов вяжущих для изготовления сборного железобетона. Используется также в монолитных немассивных железобетонных конструкциях для ускорения набора прочности, в особенности при зимнем бетонировании. Непригоден для массивных конструкций.

Особобыстротвердеющий высокопрочный портландцемент (ОБТЦ) в возрасте 1 сутки имеет прочность 20-25 МПа, 3 суток – 40 МПа. Столь быстрый рост прочности обусловлен высоким содержанием C₃S (65-68%) при умеренном количестве C₃А (до 8%) и высокой тонкостью помола (удельная поверхность цемента около 4000см²/г). Применение ОБТЦ в высокопрочных бетонах марок М500 – М600 снижает на 15-20% расход цемента, сокращает время и энергозатраты на тепловую обработку железобетонных изделий.

Сверхбыстротвердеющий цемент (СБТЦ) быстро схватывается, отличается от БТЦ значительно более высокой ранней прочностью, превышающей через 6 часов после затворения водой 10 МПа. Применение СБТЦ дает возможность через 1-4 часа получать без тепловой обработки прочность бетона, достаточную для распалубки изделий. Для изготовления СБТЦ требуется вводить в сырьевую смесь галогеносодержащие вещества (например, фторид или хлорид кальция) и повышать содержание алюминатов.

Сульфатостойкие портландцементы

Изготовляют на основе клинкера нормированного минерального состава (ограничивается содержание в клинкере алита, трехкальциевого алюмината и оксида магния) и применяют для изготовления бетонных и железобетонных конструкций, обладающих коррозионной стойкостью при воздействии сред, содержащих опасный уровень сульфатов.

Подразделяют на следующие виды: сульфатостойкий портландцемент марки 400; сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками марок 400 и 500; сульфатостойкий шлакопортландцемент марок 300 и 400; пуццолановый портландцемент марок 300 и 400.

Первый вид может также использоваться для бетонов повышенной морозостойкости. Сульфатостойкие шлакопортландцементы и пуццолановый портландцемент обычно применяют для подземных или подводных частей сооружений, подвергающихся сульфатной коррозии. Благодаря пониженному тепловыделению могут использоваться для бетонирования массивных гидротехнических сооружений.

Портландцементы с минеральными добавками

Активными минеральными добавками (АМД) называются природные или искусственные вещества, которые при смешивании в тонкоизмельченном виде с известью и затворении водой образуют тесто, которое после начального твердения на воздухе может продолжать твердеть и под водой.

АМД (называемые иначе гидравлическими добавками) содержат SiO₂ в аморфном, а следовательно, в химически активном состоянии и поэтому способны взаимодействовать с Са(ОН)₂, образуя гидросиликаты кальция.

В качестве природных АМД используются осадочные горные породы (диатомит, трепел, опока, глиежи), а также вулканические породы (туф, вулканический пепел, пемза, витрофир, трасс). Искусственные АМД представляют собой побочные продукты и отходы промышленности: быстроохлажденные (гранулированные) доменные шлаки, белитовый (нефелиновый) шлам, зола-унос.

АМД химически связывают растворимый в воде Са(ОН)₂, выделяющийся при твердении портландцемента, при этом повышается плотность и водостойкость цементного камня, возрастает его сопротивление коррозии.

Портландцемент с АМД до 20% имеет те же марки, что и бездобавочный портландцемент и близок к нему по своим свойствам.

Пуццолановый портландцемент изготовляют путем совместного помола портландцементного клинкера и АМД с необходимым количеством гипса. Добавок осадочного происхождения должно быть от 20 до 30%, а вулканического – от 25 до 40%. Химическое связывание Са(ОН)₂ происходит по реакции:

m Са(ОН)₂ + SiO_2(акт) + n H₂O → (0,8÷1,5)CaO×SiO₂×pH₂O,

образуя практически нерастворимый силикат кальция. В результате значительно возрастает стойкость бетона к коррозии 1-го типа.

Пуццолановый портландцемент следует применять для бетонов, постоянно находящихся во влажных условиях (подводные и подземные части сооружений). На воздухе такой бетон дает большую усадку и в сухих условиях частично теряет прочность. Кроме того, бетоны на этом цементе имеют низкую морозостойкость и не годятся для сооружений, подвергающихся замораживанию и оттаиванию.

Пуццолановый портландцемент твердеет медленнее, чем портландцемент, особенно при низких температурах. Он обладает небольшим тепловыделением, и поэтому его часто используют для бетонирования внутренних частей массивных сооружений (плотин, шлюзов и т.п.).

Шлакопортландцемент производится путем совместного тонкого помола клинкера и гранулированного доменного (или электротермофосфорного) шлака с необходимым количеством гипса. Имеет марки 300, 400, 500.

Доменные шлаки по своему химическому составу напоминают цементный клинкер. Количество доменного шлака в шлакопортландцементедолжно быть от 21 до 80% массы цемента (допускается замена до 10% шлака трепелом или другими АМД).

Гранулированный шлак, взаимодействуя с Ca(OH)₂, образует низкоосновные гидросиликаты СаО×SiO₂×2,5H₂O и гидроалюминаты 2СаО×Al₂O₃×8H₂O кальция. Процесс твердения шлакопортландцемента значительно ускоряется при тепловлажностной обработке.

Шлакопортландцемент более стоек в мягких и сульфатных водах, по сравнению с портландцементом. Тепловыделение при твердении в 2 – 2,5 раза меньше, чем у пуццоланового портландцемента, поэтому шлакопортландцемент хорошо подходит для бетонов массивных конструкций. Шлакопортландцемент выгодно отличается от пуццоланового портландцемента умеренной водопотребностью, более высокой воздухо- и морозостойкостью. Применяется для наземных, подземных и подводных частей сооружений.

Однако, шлакопортландцементу присущ тот же недостаток, что и пуццолановому портландцементу – он медленно набирает прочность в первое время твердения, в особенности при низких температурах. Этот недостаток устраняется в быстротвердеющем шлакопортландцементе (имеет марку 400), который за трое суток приобретает прочность более 20 МПа.

Портландцементы с органическими добавками

Такие цементы изготовляют, вводя при помоле клинкера поверхностно-активные добавки, которые можно подразделить на гидрофилизирующие и гидрофобизирующие.

К гидрофилизирующим добавкам (которые улучшают смачивание частиц цемента водой и одновременно ослабляют силы взаимного сцепления между частицами вяжущего) относят сульфитно-дрожжевую бражку (СДБ), состоящую из лигносульфоната кальция (ЛСТ).

К гидрофобизирующим (т.е. водоотталкивающим) добавкам относят мылонафт, асидол, синтетические жирные кислоты и их соли.

Введение гидрофилизирующих и гидрофобизирующих добавок повышает пластичность, подвижность бетонных смесей и качество бетона.

Пластифицированный портландцемент – изготавливают путем введения при помоле клинкера около 0,25% СДБ (в расчете на сухое вещество), в результате растворам и бетонным смесям придается повышенная подвижность. Пластифицирующий эффект используется для уменьшения водоцементного отношения (В/Ц) и повышения плотности, морозостойкости и водонепроницаемости бетона. При неизменном В/Ц появляется возможность снизить расход цемента.

Гидрофобный портландцемент – изготавливают, вводя при помоле клинкера 0,1–0,2% мылонафта или других гидрофобизирующих добавок. Эти вещества, адсорбируясь на частицах цемента, понижают его гигроскопичность, поэтому такой цемент может долго храниться в очень влажных условиях, сохраняя свою активность.

Гидрофобизирующие вещества действуют и как пластификаторы, повышая подвижность бетонных смесей. После затвердевания бетона они существенно повышают его водо- и морозостойкость, увеличивают стойкость к коррозии.

Белый и цветные портландцементы

Это декоративные цементы, их основой является белый клинкер, который изготавливают из чистых известняков и белых глин, почти не содержащих оксидов железа или марганца. Обжигают сырьевую смесь газовым топливом. По степени белизны подразделяются на 3 сорта, имеют марки по прочности 400 и 500.

Цветные портландцементы (желтый, розовый, красный и др.) получают совместным помолом белого клинкера с соответствующими стойкими минеральными пигментами.

Белые и цветные цементы применяются для индустриальной отделки стеновых панелей, при изготовлении лестничных ступеней, цементно-бетонных покрытий площадей и для архитектурно-художественного оформления зданий и сооружений.

Цементы для строительных растворов

(кладочные цементы)

Изготавливают совместным помолом клинкера и минеральных добавок, взятых примерно в равных количествах или в соотношении до 30% клинкера и 70% добавок. При помоле могут вводиться пластификаторы.

Получаются низкомарочные цементы (активность в 2-3 раза меньше портландцемента), прочность которых достаточна для кладочных и штукатурных работ. Основное достоинство – экономия дорогого клинкера и в результате низкая стоимость таких цементов.

9.11. Глиноземистый цемент

Глинозёмистый цемент по минеральному составу и техническим свойствам существенно отличается от портландцемента. Глиноземистый цемент – это быстротвердеющее и высокопрочное гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельчения клинкера, содержащего преимущественно низкоосновные алюминаты кальция.

Для получения клинкера глинозёмистого цемента сырьевую смесь, составленную из известняка CaCO₃ и боксита Al₂O₃×nH₂O подвергают спеканию (температура около 1300^oC) или плавлению (1400^oC).

Трудность помола клинкера (требуются большие энергозатраты), а также ценность бокситов обуславливают высокую стоимость глинозёмистого цемента и ограничивают его выпуск.

Глинозёмистый цемент обладает высокой прочностью, если он твердеет при умеренной температуре (не более 25^oC), поэтому его нельзя применять для бетонирования массивных конструкций из-за разогрева бетона, а также подвергать тепловлажностной обработке.

В процессе твердения глинозёмистого цемента образуется высокопрочное вещество – двухкальциевый гидроалюминат:

2(CaO×Al₂O₃) + 11H₂O = 2CaO×Al₂O₃×8H₂O + 2 Al(OH)₃.

Глинозёмистый цемент обладает очень быстрым твердением. Марки глинозёмистого цемента устанавливаются по результатам испытаний образцов трехсуточного возраста и имеют значения 400, 500 и 600. Уже через 1 сутки прочность на сжатие превышает половину марочного значения. При этом глинозёмистый цемент обладает нормальными сроками схватывания: начало – не ранее чем через 30 минут, а конец – не позднее чем через 12 часов после затворения. Тепловыделение глинозёмистого цемента при твердении в 1,5 больше, чем у портландцемента (250 – 370 кДж/кг).

В продуктах гидратации глинозёмистого цемента не содержится Ca(ОН)₂ и трехкальциевого шестиводного гидроалюмината (если температура твердения не превышает 25^oC), поэтому бетон на глинозёмистом цементе обладает высокой коррозионной стойкостью в сульфатной, морской и углекислой водах. Однако сильные кислоты и концентрированные растворы щелочей могут разрушить этот цемент.

Глинозёмистый цемент обычно применяют в специальных сооружениях, при быстрых ремонтных и монтажных работах, для изготовления жаростойких бетонов и растворов. Кроме того, он входит в состав многих разновидностей расширяющихся цементов.

9.12. Расширяющиеся и безусадочные цементы

Водонепроницаемый расширяющийся цемент – является быстросхватывающимся и быстротвердеющим гидравлическим вяжущим. Его получают путем тщательного смешивания глиноземистого цемента (~70%), гипса (~20%) и молотого специально изготовленного высокоосновного гидроалюмината кальция (~10%). Впервые был применен для зачеканки швов тюбингов Московского метрополитена взамен свинца.

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент – быстротвердеющее гидравлическое вяжущее, получаемое совместным тонким измельчением высокоглиноземистого клинкера или шлака и природного двуводного гипса (до 30%). Обладает свойствами расширения при твердении в воде; при твердении на воздухе он проявляет безусадочные свойства. Применяется для омоноличивания стыков сборных конструкций, гидроизоляционных штукатурок, плотных бетонов в железобетонном судостроении и при возведении емкостей для хранения нефтепродуктов.

Расширяющийся портландцемент – гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным тонким измельчением портландцементного клинкера (58–63%), глиноземистого шлака или клинкера (5–7%), доменного гранулированного шлака или других АМД (23–28%). Отличается быстрым твердением в условиях кратковременного пропаривания, высокой плотностью и водонепроницаемостью цементного камня, а также способностью расширяться в водных условиях или на воздухе при постоянном увлажнении в течение первых 3 суток.

Напрягающий цемент – состоит из 65–75% портландцемента, 13– 20% глиноземистого цемента, 6 – 10% гипса. Имеет высокую тонкость помола (удельная поверхность свыше 3500 см²/г). В процессе расширения в определенных условиях твердения этот цемент создает в арматуре предварительное напряжение. Напрягающий цемент быстро твердеет, прочность за 1 сутки более 15 МПа, на 28-е сутки – 50МПа.

Самонапряженные железобетонные конструкции на напрягающем цементе отличаются повышенной трещиностойкостью, поэтому этот цемент применяется для газонепроницаемых конструкций, хранилищ бензина, подводных и подземных напорных сооружений, спортивных объектов (например, каток Медео).

9.13. Вяжущие автоклавного твердения

В зависимости от исходных материалов можно выделить следующие группы вяжущих автоклавного твердения:

1. Силикатные, изготовляемые из сырьевой смеси, содержащей известь (гашеную или молотую негашеную) и кварцевый песок, образующие силикаты кальция в процессе автоклавной обработки;

2. Шлаковые, изготовляемые с использованием металлургических или топливных шлаков в качестве кремнеземистого компонента;

3. Зольные, приготовляемые с использованием золы от сжигания угля, сланцев, торфа;

4. Вяжущие, изготовляемые с использованием отходов химической и горнодобывающей промышленности.

Каждое из указанных вяжущих содержит две главные части: кремнеземистый компонент (SiO₂ в кристаллической или аморфной форме) и известь. Для регулирования процесса структурирования могут вводиться различные добавки.

В процессе изготовления автоклавные материалы подвергаются термовлажностной обработке (“пропариванию”) в специальных аппаратах – автоклавах при температуре 175 – 200^oC насыщенным водяным паром под давлением 0,9 – 1,6 МПа в течение 8 – 13 часов. В результате физико-химического взаимодействия компонентов (извести, песка и воды) образуются гидросиликаты кальция – тобермориты состава 5CaO×6SiO₂×nH₂O (где n = 3 - 10.5), которые обуславливают высокую прочность автоклавных материалов. Кроме тоберморитов в материале могут образоваться плохо закристаллизованные гидросиликаты, снижающие общую прочность.

Вяжущие автоклавного твердения применяют для изготовления разнообразных материалов: плотных (силикатный бетон, силикатный кирпич) – для конструкционных элементов, пористых (газосиликат, пеносиликат) – для теплоизоляционных элементов.

Из-за пониженной водо- и морозостойкости эти материалы применяются в основном для надводных и наземных конструкций.

Использование промышленных отходов, не требующих обжига, для бесцементных вяжущих материалов дает возможность экономить топливо и энергию, снижает себестоимость и решает ряд экологических проблем.

10. ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

10.1. Общие сведения

К органическим вяжущим веществам относят битумные и дегтевые материалы, которые обладают следующими ценными свойствами: водонепроницаемостью; стойкостью против действия агрессивных жидкостей, щелочей и кислот; способностью понижать вязкость при нагреве и снова ее восстанавливать при последующем охлаждении, а также прочно сцепляться с разны­ми материалами - деревом, бетоном, камнем и др.

Битумные и дегтевые вяжущие являются гидрофобными ма­териалами, не смачиваемыми и не растворимыми в воде. Плотность их 900-1300 кг/м³. Благодаря высокой водостой­кости и ничтожной пористости они используются как основной компонент гидроизоляционных материалов, имеющих высокую водонепроницаемость.

Битумами называют сложные смеси углеводородов и их производных, т. е. соединение высокомолекулярных углеводоро­дов с кислородом, азотом, серой. Они бывают природные и ис­кусственные. Искусственные, в свою очередь, подразделяют на нефтяные, сланцевые, угольные, торфяные. В строительстве при­меняют в основном нефтяные битумы.

Нефтяные битумыполучают из нефти. Нефть - сложная смесь углеводородов с примесью органических кислородных, сернистых и азотистых соединений. Битумы получают из остат­ков после отгонки из нефти летучих дистилляторов. По способу получения их разделяют на остаточные, крекинговые и окислен­ные. Остаточные получают после отгонки легких фракций бензина, керосина, дизтоплива, масел. Остатком является мазут или гудрон, из которых при помощи глубокого вакуума и перегретого пара при температуре 300-350 °С получают битум.

В зависимости от физико-механических свойств нефтяные битумы подразделяются на вязкие, твердые и жидкие.

Строительные битумы выпускают марок БН 50/50, БН 70/30, БН 90/10. Их применяют для устройства гидроизоляций, для кровельных работ, иногда используют для изоляции нефте- и газопроводов.

Дегти. Дегти представляют собой вязко-жидкие продукты разложения органических веществ, главным образом твердых видов топлива при высокой температуре без доступа воздуха. Дегти имеют сложный состав и состоят из большого количества различных веществ.

Наибольшее значение для строительной промышленности име­ют дегти, получаемые при коксовании угля. Газовые дегти образу­ются при получении из топлива газа. В зависимости от температу­ры коксования дегти бывают высоко- и низкотемпературными.

Дегтебитумные материалы. Это смеси каменноугольных дегтепродуктов или сланцевых дегтей с нефтяными битумами.

Дегтебитумные рулонные материалы ДБ изготовляют про­питкой кровельного картона дегтепродуктами с последующим покрытием с обеих сторон нефтяным битумом.

Дегтебитумные материалы применяют для многослойных плоских, совмещенных и водоналивных кровельных покрытий, для оклеечной гидро- и пароизоляции.

10.2. Основные свойства битума

Основными свойствами битума являются адгезия, вязкость, растяжимость, твердость, хрупкость, старение.

Адгезия - прочность сцепления битума с каменными материа­лами. Она зависит от природы битума и минерального материала.

Вязкость битума является основной характеристикой его структурно-механических свойств. Она оценивается условным показателем твердости или вязкости.

Растяжимость характеризуется способностью битума вытягиваться в тонкие нити. Определяется испытанием битумных образцов при температуре 25°С и скорости растяжения 5 см/мин, Растяжимость вязких и твердых битумов находится в интервале от 1 до 65 см.

Температура размягчения характеризуется способностью битума переходить из вязкопластичного состояния в жидкое при определенной температуре. Определяют ее на специальном приборе «кольцо и шар». Она соответствует температуре, при которой стальной шар массой 9,5 г проходит через заполненное битумом кольцо диаметром 15,7 мм.

Хрупкостью называют способность битума при определенной температуре переходить из упруго-пластичного в твердое или хруп­кое состояние. Температура хрупкости для порожных битумов должна быть в интервале от -20 до -1.0 °С.

Старение битумов характеризуется изменением их свойств. В результате воздействия на битум кислорода воздуха, ультра­фиолетовых лучей, испарения легколетучих углеводородов масла переходят в смолы, смолы - в асфальтены. Накопление асфальтенов уменьшает пластичность и повышает хрупкость битумов.

10.3. Асфальтовый бетон

Асфальтовый бетон (асфальтобетон) - искусственный строи­тельный материал, получаемый в результате отвердевания уплотненной асфальтобетонной массы, состоящей из рационально подобранных по качеству и тщательно перемешанных компо­нентов: щебня (гравия), песка, минерального порошка и битума

Асфальтобетон без крупного заполнителя (щебня) называют пес­чаным асфальтом, или асфальтовым раствором.

Асфальтобетоны и растворы являются разновидностями ис­кусственных строительных материалов и относятся к группе безобжиговых материалов, получаемых на основе органических вяжущих веществ. Они в современном строительстве занимают одно из ведущих мест, поскольку являются важнейшими мате­риалами для устройства дорожных и аэродромных покрытий, просительных каналов, плоских кровель, гидротехнических со­оружений, штучных изделий.

К основным классификационным признакам асфальтобето­нов относят разновидность крупного заполнителя, вязкость битумов, размеры зерен щебня или гравия, структурные пара­метры, производственное назначение и др.

Одна из основных характеристик асфальтобетона - предел прочности при сжатии. Он определяется испытанием образцов-цилиндров, диаметром и высотой равных 101; 71,4 и 50,5 мм, при 20 и 50 °С в сухом или водонасыщенном состо­янии и зависит от прочности асфальтового вяжущего и битума. С повышением температуры прочность уменьшается.

Асфальтобетон должен обладать определенной прочностью на сдвиг. Недостаточная сдвигоустойчивость приводит к образованию волн на покрытии в результате торможения автомобилей.

На долговечность асфальтобетона оказывает влияние его пористость. В зависимости от марки асфальтобетона она долж­на быть от 2,5 до 4,5%. При воздействии воды может происходить разрушение ас­фальтобетона. Водостойкость характеризуется водонасыщением, набуханием и коэффициентом водостойкости. Коэффициент водостойкости (коэффициент размягчения) дол­жен быть не менее 0,6-0,85.

Износостойкость характеризуется потерей массы при воздей­ствии истирающих усилий на образец. Горячий асфальтобетон при его эксплуатации в городских условиях изнашивается на 0,2-1,5 мм в год.

Асфаль­тобетонные смеси приготавливают на стационарных или вре­менных асфальтобетонных заводах. Технология приготовления асфальтобетонной смеси вклю­чает приемку материалов из транспортных средств, дозировку, сушку и нагрев щебня и песка, приготовление и выдачу асфаль­тобетонной смеси.

Транспортировка асфальтобетонной смеси к месту укладки производится автомобилями-самосвалами. Укладка дорожного покрытия выполняется на подготовленное основание тонкими слоями толщиной 30-60 мм с последующим уплотнением мотор­ными катками массой 5-14 т или вибромоторными катками мас­сой 0,5-4,5 т.

В отличие от обычного дорожного гидротехнический асфальтобетон должен иметь повышенную водонепроницаемость, во­доустойчивость, теплоустойчивость, химическую стойкость, эластичность. Содержание битума и минерального порошка в нем на 1-2% больше, чем в дорожном.

11. БЕТОНЫ

11.1. Общие сведения

Бетоны – это искусственные каменные материалы, полученные в результате затвердевания смеси из вяжущего вещества, воды, мелкого и крупного заполнителя, а также, при необходимости, специальных добавок. До затвердевания эта смесь называется бетонной смесью.

Вяжущее вещество и вода являются активными составляющими бетона; в результате реакции между ними образуется цементный камень, скрепляющий зерна заполнителей.

Заполнители (песок, гравий, щебень) являются инертными составляющими и в большинстве случаев не вступают в химическое соединение с цементом и водой. Эти материалы образуют жесткий скелет бетона и уменьшают его усадку, вызываемую усадкой цементного камня при твердении. В легких бетонах пористые заполнители уменьшают плотность и теплопроводность бетона.

Для приготовления заполнителей используют преимущественно местные горные породы и отходы производств (шлаки и др.). Применение этих дешевых заполнителей снижает стоимость бетона, так как доля заполнителей составляет ~85% массы бетона.

В бетоны могут вводиться специальные добавки, улучшающие свойства бетонной смеси (повышение подвижности, регулирование сроков схватывания, ускорение твердения и др.) и бетона (повышение плотности, морозостойкости, водонепроницаемости и т. д.).

11.2. Классификация бетонов

Бетоны классифицируют по следующим признакам: по плотности, основному назначению, виду вяжущего, виду заполнителей и структуре.

Основную классификацию производят по плотности:

1) особо тяжелый (ρ_m > 2600кг/м³), содержит такие тяжелые заполнители, как стальные опилки, железные руды или барит (баритовый бетон), обрезки проката и т. д.;

2) тяжелый (обычный) (ρ_m = 2100 – 2600 кг/м³), содержит плотные заполнители (кварцевый песок, щебень, гравий из плотных горных пород); это самый распространенный вид бетона;

3) облегченный (ρ_m = 1800 – 2100 кг/м³), содержащий пористые заполнители, например, кирпичный щебень;

4) легкий (ρ_m = 1200 – 1800 кг/м³), содержащий очень пористые заполнители (шлак, пемзу, туф и т.п.);

5) особо легкий (ρ_m < 1200 кг/м³), бетон очень пористый, ячеистый (пенобетон, газобетон) или крупнопористый с легкими заполнителями.

По виду вяжущего бетоны подразделяются на цементный, цементно-полимерный, силикатный (на извести), шлакощелочной и др.

По виду заполнителей: бетон на плотных, пористых или специальных заполнителях.

По структуре: плотной, поризованной, ячеистой и крупнопористой структуры.

По основному назначению: обычный - для железобетонных конструкций типа фундаментов, колонн, балок, перекрытий, мостов и т. п.; гидротехнический - для плотин, шлюзов, облицовки каналов, водопроводно-канализационных сооружений и др.; бетон для стен зданий (главным образом, легкий бетон) и легких перекрытий; теплоизоляционный особо легкий (пено- и газобетон); бетон для полов, тротуаров, дорожных и аэродромных покрытий; специального назначения, например жароупорный, кислотоупорный, непроницаемый для гамма-лучей и др.

11.3. Основные требования к бетонам

В зависимости от назначения, бетон должен удовлетворять следующим требованиям:

· бетон для обычных железобетонных конструкций должен иметь заданную прочность (главным образом, при сжатии), а для сооружений, эксплуатируемых при отрицательных температурах, важна морозостойкость;

· бетон для гидротехнических сооружений должен обладать высокой плотностью, водонепроницаемостью, морозостойкостью, достаточной прочностью, малой усадкой, малым выделением теплоты при твердении, стойкостью против выщелачивания и действия минерализованных вод;

· бетон для стен отапливаемых зданий и легких перекрытий должен иметь небольшую плотность и теплопроводность, прочность в соответствии с расчетом;

· бетон для полов должен характеризоваться малой изнашиваемостью и достаточной прочностью на изгиб, а бетон для дорожных и аэродромных покрытий - также и морозостойкостью.

Кроме того, ко всем бетонам и бетонным смесям предъявляются следующие общие требования:

· до затвердевания бетонная смесь должна легко перемешиваться, транспортироваться и укладываться (т.е. обладать подвижностью и удобоукладываемостью), смесь не должна расслаиваться;

· бетон должен иметь определенную скорость твердения в соответствии с заданными сроками;

· расход цемента должен быть минимальным;

Получить качественный бетон, удовлетворяющий всем поставленным требованиям, можно при правильном подборе материалов, точном расчете состава, при механизированных способах приготовления, укладки и уплотнения бетонной смеси, а также при правильном уходе за уложенным бетоном в начальный период его твердения.

11.4. Выбор цемента для бетона

При выборе цемента для бетона учитывают требования, предъявляемые к бетону (прочность, морозостойкость, химическая стойкость и др.), а также технологию изготовления изделий.

Марку цемента рекомендуется выбирать в зависимости от проектной прочности бетона при сжатии (см. табл. 11.1).

Таблица 11.1