Все минеральные вяжущие вещества – это тонкие порошки, которые затворяют водой, в результате чего образуется пластичное тесто, с течением времени самопроизвольно отвердеваю-щее. Весьма сходны технологические приемы получения вяжущих веществ. Во всех случаях сырье подвергают обжигу при высокой температуре с последующим помолом продуктов обжига.

Минеральные вяжущие вещества делят на воздушные, требующие сухих условий твердения, и гидравлические, твердеющие как на воздухе, так и в воде. К воздушным относятся гипсовые и магнезиальные вяжущие вещества, а также воздушная известь, к гидравлическим – романцемент, гидравлическая известь, портландцемент, его виды и разновидности, глиноземистый цемент.

Для производства гипсовых вяжущих веществ используют два минерала, содержащих сернокислый кальций: собственно гипс CaSO₄·2H₂O, называемый двугидратом, и ангидрит CaSO₄ (безводный сульфат кальция), обычно сопутствующий гипсу. Применяются также некоторые отходы производства, содержащие сульфат кальция: фосфогипс (отход производства фосфорной кислоты и суперфосфата), борогипс (отход производства борной кислоты и буры) и др.

Обычно гипс содержит те или иные примеси (глину, карбонаты и др.), придающие ему окраску и понижающие технические свойства гипсовых вяжущих веществ.

Дегидратация гипса при нагревании. При получении гипсовых вяжущих веществ гипс подвергают нагреванию. При повышении температуры примерно до 128 ^оС гипс теряет свою кристаллизационную воду в количестве 15,7% от веса CaSO₄·2H₂O. Иначе говоря, при этой температуре выделяется полторы молекулы воды и двугидрат переходит в полугидрат:

CaSO₄·2H₂O → CaSO₄·0,5H₂O + 1,5 H₂O.

Установлено существование двух модификаций полугидрата: α и β, которые отличаются кристаллической структурой и свойствами. Если дегидратация гипса производится в аппаратах сообщающихся с атмосферой, т. е. в условиях когда кристаллизационная вода выделяется в виде пара и удаляется в атмосферу, то образуется β-модификация CaSO₄·0,5H₂O. При обработке при-родного гипса в автоклаве (при повышенном давлении), когда вода выделяется в жидком состоя-нии и исходный продукт разделяется на две фазы: жидкую и твердую, образуется α-μодификация.

При затворении измельченного полугидрата водой он обнаруживает способность к схватыванию и твердению, что сопровождается химической реакцией присоединения воды и переходом полугидрата в двугидрат:

CaSO₄·0,5H₂O + 1,5H₂O == CaSO₄·2H₂O.

При температуре около 170 ⁰С начинает удаляться почти вся связанная с сернокислым кальцием вода, и полугидрат переходит в так называемый растворимый ангидрит, по составу близкий к CaSO₄, однако, содержащий немного воды (примерно 0,3 %) и все еще обладающий свойством схватываться и твердеть. На воздухе растворимый ангидрит жадно поглощает атмосферную влагу, переходя в полугидрат. При затворении водой он переходит сразу в двуводный гипс, минуя стадию полуводного. Как самостоятельное вяжущее вещество, растворимый ангидрит не применяется, но он всегда присутствует в том или ином количестве в строительном гипсе.

При дальнейшем нагревании способность гипса схватываться постепенно снижается и при температуре примерно 400 °С он полностью обезвоживается и теряет эту способность. Такой намертво обожженный гипс сам по себе не может применяться, но превращается в вяжущее вещество (ангидритовый цемент) при введении в него некоторых добавок-катализаторов.

При повышении температуры свыше 800 °С намертво обожженный гипс вновь приобретает способность схватываться и твердеть, что объясняется присутствием свободной извести (СаО), образующейся в результате частичного разложения сульфата кальция по уравнению:

2CaSO₄ = 2СаО + 2SO₂ + О₂.

Такой продукт отличается от полуводного гипса сильно замедленным схватыванием и твердением. Процесс гидратации завершается лишь по истечении нескольких месяцев. При этом безводный гипс непосредственно переходит в двугидрат, минуя промежуточную стадию, т. е. без предварительного образования полугидрата. Гипс, получаемый путем заводского обжига при температуре 800—1000 °С, носит название эстрих-гипса.

1. Строительный гипс

оглавление | следующий пункт

Строительным гипсом называют воздушное вяжущее вещество, состоящее преимущественно из полуводного гипса и получаемое путем термической обработки гипсового камня при температуре 120—180 °С. При этом CaSO₄·2H₂O, содержащийся в гипсовом камне, дегидратируется, превращаясь в полугидрат CaSO₄·0,5H₂O.

Получение строительного гипса включает операции дробления, сушки, помола и тепловой обработки природного гипса. Применяются большей частью три технологические схемы произ-водства строительного гипса, согласно которым устанавливается различная последовательность этих операций: 1) дробление - сушка и помол - обжиг, 2) дробление - обжиг - помол, 3) дробление - помол и обжиг в одном аппарате.

Гипсовый камень, поступающий в крупных кусках, сначала дробят, затем сушат и подвер-гают помолу. Сушку и помол целесообразно совмещать в одном аппарате. Тепловую обработку гипсового камня ведут в варочных котлах, сушильных барабанах, шахтных мельницах.

Процессы при твердении строительного гипса. Химический процесс, происходящий при твердении строительного гипса, заключается в гидратации гипса, т. е. в присоединении к нему воды и превращении его в двугидрат:

CaSO₄·0,5H₂O + 1,5H₂O == CaSO₄·2H₂O.

Количество воды, необходимое для полной гидратации, составляет 18,6 % от массы гипса. На практике к гипсу добавляют от 50 до 70 % воды. При меньшем количестве воды тесто получается очень жестким и неудобообрабатываемым. Избыточная вода остается в объеме теста и способствует образованию пор, почему гипсовый камень и характеризуется высокой пористостью.

Приготовленное тесто через некоторое время схватывается, т. е. теряет пластичность и начинает набирать прочность. На практике определяют сроки схватывания: начало и конец.

До начала схватывания мы имеем дело с пластичным тестом, которое можно перемешивать, укладывать в форму, уплотнять и т. п. После конца схватывания образуется твердое тело, не обладающее поначалу заметной прочностью. Деформирование этого тела приводит к его необратимому разрушению. В промежутке между началом и концом схватывания происходит переход системы из жидко-текучего состояния в твердое. После начала схватывания, несмотря на достаточную еще податливость теста, деформировать его (перемешивать, уплотнять) уже нельзя, иначе произойдет разрушение начавших образовываться слабых кристаллизационных контактов, что приведет к снижению конечной прочности гипсового камня.

Период твердения характеризуется нарастанием прочности. Ле Шателье объяснял процесс твердения кристаллизацией двуводного гипса из пересыщенного для него раствора полугидрата.

Полуводный гипс CaSO₄·0,5H₂O при затворении водой растворяется в ней до тех пор, пока не получится насыщенный по отношению к нему раствор с концентрацией около 8 г СаО на 1 л воды. Такая концентрация для двуводного гипса CaSO₄·2H₂O является пересыщенной, т. к. растворимость двуводного гипса значительно меньше и составляет только 2 г СаО на 1 л воды. Растворенный полугидрат, присоединяя воду, переходит в двуводный гипс, для которого раствор пересыщен, и, который, следовательно, будет выделяться из раствора в виде кристаллов. Образовавшийся недостаток полугидрата в растворе восполняется растворением новых порций полуводного гипса и концентрация раствора сохраняется неизменной (8 г СаО на 1 л воды). Этот процесс продолжается до полной гидратации и кристаллизации всего полуводного гипса (см. Также п. 7, § 5, гл. 2).

А. А. Байков установил, что гидратация заканчивается через 20 мин., а значительную прочность гипсовое тесто приобретает лишь спустя несколько часов с момента затворения. Конечное же значение прочности достигается только к семидневному возрасту.

После полной гидратации полуводного гипса оставшаяся жидкая фаза представляет собой насыщенный раствор двугидрата с концентрацией 2 г СаО в 1 л воды. Тончайшие прослойки этого раствора отделяют друг от друга образовавшиеся кристаллы двуводного гипса. Дальнейший рост прочности происходит в результате сращивания кристаллов двугидрата в единый кристаллический сросток. Этому способствуют испарение воды и высыхание твердеющей массы. После полного высушивания образцов твердение гипса заканчивается и дальнейшее нарастание прочности не происходит. В этом процесс твердения строительного гипса коренным образом отличается от процесса твердения портландцемента, который в первые сроки после затворения водой должен находиться во влажных условиях во избежание понижения прочности.

Свойства строительного гипса. Строительный гипс является быстросхватывающимся вяжущим веществом. Начало схватывания наступает через несколько минут (обычно 2-10 мин), что вызывает определенные неудобства, т. к. имеется очень мало времени на перемешивание и использование гипсовых составов. Для замедления схватывания строительного гипса используют добавки виннокислого калия, полиалкиламида, солей фосфорной и борной кислот и др.

Отличительной особенностью строительного гипса является увеличение объема теста при твердении (до 1 %). Благодаря этому гипсовая штукатурка в отличие от известковой не растрескивается, а при изготовлении строительных деталей путем литья в форму гипс дает высокое качество отливки. При увлажнении затвердевшего гипса прочность его снижается в 2-3 раза вследствие частичного растворения двугидрата и разрушения структуры кристаллического сростка. Изделия из строительного гипса отличаются высокой пористостью, которая составляет 50—60 % от общего объема затвердевшего гипсового камня. Причиной высокой пористости, как уже указывалось выше, является избыток воды затворения, по сравнению с тем количеством, какое необходимо строительному гипсу для гидратации. Чем меньше воды добавляется к гипсу, тем плотнее получается гипсовое изделие и тем выше его прочность. Однако уменьшать количество воды можно только до тех пор, пока сохраняется достаточная удобообрабатываемость теста. В противном случае прочность может снизиться из-за невозможности хорошо уплотнить жесткое тесто.

Водопотребность гипса (количество воды, необходимое для получения теста стандартной густоты) зависит от индивидуальных особенностей гипса: формы и размеров кристаллов, тонкости помола, химических примесей и т. п. Разным гипсам требуется различное количество воды для получения одной и той же густоты теста. Для того, чтобы при сопоставлении свойств различных вяжущих поставить их в равные условия, образцы для испытаний готовят из теста стандартной (нормальной) густоты. По прочности согласно ГОСТ 125-79 строительный гипс подразделяется на 12 марок от Г-2 до Г-25, где число означает гарантированный предел прочности при сжатии стандартных образцов при сжатии в МПа.

Применение строительного гипса. Применяют строительный гипс для изготовления гипсовых и гипсобетонных строительных изделий, используемых главным образом во внутренних частях зданий. Широкое применение в последнее время получили технологии устройства внутренних перегородок, полов, подвесных потолков с применением гипсокартонных листов (ГКЛ). Последние используют также в качестве сухой штукатурки, монтируя ГКЛ на внутреннюю поверхность кирпичных или газобетонных стен. Для устройства внутренних перегородок применяют также гипсовые пазогребневые плиты.

Строительный гипс используется в гипсовых или известково-гипсовых растворах, применяемых для штукатурных работ. Гипсовые растворы могут приготавливаться непосредственно на строительном объекте или доставляться в виде сухих смесей, из которых наиболее известны гипсовые штукатурные смеси “Ротбанд” и “Гольдбанд”, выпускаемые совместным предприятием “ТИГИ-КНАУФ”. Гипсовые штукатурки позволяют сразу получить гладкую поверхность стены, не требующую шпатлевания для последующей окраски или оклейки. Этим же предприятием на основе гипса выпускаются шпатлевка “Фугенфюллер” и монтажный клей “Перлфикс”, предназначенные для приклейки материалов к основанию, заделки и шпатлевания швов при монтаже ГКЛ.

Широко используется гипс для изготовления декоративных деталей и отделочных материалов (например, искусственного мрамора).

2. Высокопрочный гипс

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Для получения высокопрочного гипса, состоящего в основном из α-модификации полугидрата, гипс обрабатывают в запарочных аппаратах сначала паром под давлением в течение нескольких часов, а затем удаляют выделившуюся воду путем сушки. Режимы обработки могут сильно различаться по давлению (от 0,23 до 0,7 МПа), температуре (124-180 °С) и продолжительности операций запаривания и сушки (1-14 час).

Гипс, получаемый путем обработки паром под давлением, отличается от обычного строительного гипса более крупными размерами кристаллов, не волокнистым их строением, а поэтому меньшей водопотребностью и, следовательно, более высокой прочностью. Недостатком высокопрочного гипса является повышенная ползучесть, т. е. появление остаточных деформаций при длительном выдерживании под нагрузкой. Высокопрочный гипс используется главным образом для изготовления различных форм и моделей в металлургической промышленности.

3. Ангидритовый цемент

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Ангидритовый цемент получают обжигом природного двуводного гипса при температуре 600-700 ⁰С с последующим помолом. Он состоит главным образом из безводного сернокислого кальция (CaSO₄) и, как указывалось выше, является мертвообожженным гипсом, который медленно или совсем не схватывается и не твердеет. Однако этот материал “оживляют” путем добавки катализаторов, превращающих мертвообожженный гипс в ангидритовый цемент. Добавки-катализаторы (различные сульфаты, известь, обожженный доломит или доломитовая пыль, получаемая при производстве металлургического доломита, основной гранулированный доменный шлак и ряд других материалов) вводятся в ангидритовый цемент при помоле. Сульфаты могут вводиться в состав цемента также путем затворения растворами этих солей.

В качестве сырья для производства ангидритового цемента может применяться также природный ангидрит, который высушивают (для облегчения помола) при температуре 170—180 °С и (без обжига) размалывают с указанными выше добавками.

Пористость затвердевшего ангидритового цемента меньше пористости строительного гипса и колеблется в пределах 30-35 %. Водопотребность составляет 30-40%.

Ангидритовый цемент в противоположность строительному гипсу не отличается быстрым схватыванием и практически не увеличивается в объеме при твердении.

Ангидритовый цемент также как и строительный гипс является воздушным вяжущим веществом, тем не менее, отличается более высокой водостойкостью.

Ангидритовый цемент применяется для изготовления строительных растворов и бетонов. Растворы употребляются в основном для кирпичной кладки и штукатурки.

4. Эстрих гипс

оглавление | предыдущий пункт

При обжиге природного двуводного гипса или природного ангидрита при температуре 800 —1000 °Си последующем помоле продукта обжига получается вяжущее вещество, называемое эстрих-гипсом или гидравлическим гипсом. Название “гидравлический гипс” возникло, вероятно, вследствие того, что эстрих-типс является относительно более водостойким по сравнению с другими гипсовыми вяжущими веществами. Тем не менее он относится к воздушным вяжущим веществам, т. к. требует сухих условий твердения.

При обжиге эстрих-гипса происходит не только полное обезвоживание гипса с образованием безводного сернокислого кальция, но и частичное разложение сернокислого кальция с образованием свободной извести, хотя некоторые исследователи считают, что образующаяся при разложении сернокислого кальция известь связана в соединения типа mCaSO₄·nСаO. Свойства эстрих-гипса зависят от температуры обжига, а следовательно, от степени разложения безводного сернокислого кальция и количества извести. Значение последней весьма велико, так как при температуре обжига ниже температуры разложения сернокислого кальция получают продукт, совсем не твердеющий. По-видимому, известь является катализатором аналогично различным добавкам к мертвообожженному гипсу.

Водопотребность эстрих-гипса колеблется в пределах от 25 до 35 %. Процесс схватывания и твердения протекает весьма медленно. Схватившаяся (через 2-3 часа) масса имеет очень рыхлую структуру, вследствие чего ее необходимо к концу схватывания, т. е. через 12— 20 часов уплотнить посредством трамбования, причем объем уменьшается до 0,75 первоначального значения. Такая обработка необходима для получения достаточно плотного и прочного материала.

При твердении эстрих-гипса безводный сернокислый кальций переходит в двуводный без промежуточного образования полугидрата. Гидратация протекает медленно, в течение нескольких месяцев. Свободная известь гидратируется и затем под действием углекислоты воздуха превращается в СаСО₃ .

Конечная прочность эстрих-гипса зависит от температуры обжига и связанной с ней степенью разложения сернокислого кальция. В лучших образцах прочность при сжатии может достигать 20 МПа и более.

В отличие от строительного гипса эстрих-гипс претерпевает небольшое уменьшение объема при твердении.

Затвердевший эстрих-гипс отличается весьма высоким сопротивлением истиранию, благодаря этому он применяется для изготовления набивных полов. Введением в эстрих-гипс различных красок возможно получение цветных составов.

К магнезиальным вяжущим веществам относятся каустический магнезит и каустический доломит. Магнезиальные вяжущие могут твердеть только на воздухе, поэтому их используют в помещениях с относительной влажностью не более 60%.

1. Каустический магнезит

оглавление | следующий пункт

Каустический магнезит получают обжигом природного магнезита MgCO₃ в шахтных или вращающихся печах при 750—850 °С и последующим помолом продукта обжига. При обжиге происходит разложение карбоната магния по реакции

MgCO₃ = MgO + CО₂ .

Процесс разложения MgCO₃ является обратимым. Исключить протекание обратной реакции можно двояким путем: повышая температуру обжига и удаляя из печи CО₂ с помощью хорошей естественной или искусственной тяги. По мере повышения температуры качество каустического магнезита становиться все ниже и выше 1300 ^оС, продукт обжига может достигнуть мертвообожженного состояния, которому по кристаллическому строению соответствует природный минерал периклаз (МgО). Такой магнезит не проявляет вяжущих свойств и применяется для производства огнеупорного магнезитового кирпича. При низких температурах обжига МgО получается в аморфном состоянии и обладает высокой активностью как вяжущее вещество.

Каустический магнезит является быстротвердеющим веществом, обладающим значительной прочностью, достигающей при сжатии 40-65 МПа.

2. Каустический доломит

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

По сравнению с каустическим магнезитом каустический доломит имеет аналогичные свойства, но отличается более низким качеством. Однако ввиду того что месторождения магнезита немногочисленны, он не может удовлетворить потребности рынка. Доломит же гораздо более распространен в природе, что дает возможность расширить сырьевую базу при производстве магнезиальных вяжущих веществ. Для производства каустического доломита необходимо сырье с содержанием не менее 19 % окиси магния, чему удовлетворяют многие природные доломиты, представляющие собою двойную соль углекислых кальция и магния (СаСО₃ · МgСО₃).

Каустический доломит (MgO·СаСОз) получают обжигом доломита при температуре не выше 720—750 °С, с тем чтобы происходила диссоциация только углекислого магния, а углекислый кальций не подвергался бы разложению (в готовом продукте не должно быть более 2,5 % СаО).

В этом случае продукт обжига представляет собою каустический магнезит с примесью углекислого кальция, который, являясь инертным материалом, разбавляет вяжущее и снижает его качество, например, обусловливает понижение прочности каустического доломита по сравнению с каустическим магнезитом примерно в 2 раза.

3. Затворители для магнезиальных вяжущих веществ

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Магнезиальные вяжущие вещества отличаются от других вяжущих тем, что они затворяются не водой, а растворами хлористых и сернокислых солей (MgCl₂, MgSO₄, FeSO₄, NaHSO₄, FeCl₂, ZnCl и др.), лучшим из которых является раствор хлористого магния. Прочность магнезиальных вяжущих при затворении водой получается очень небольшой, тогда как при затворении раствором хлористого магния прочность весьма высока.

4. Твердение и применение магнезиальных вяжущих

оглавление | предыдущий пункт

Твердение. Растворимость МgO в растворе хлористого магния значительно выше, чем в воде, в которой МgO практически не растворяется. Этим и объясняется невысокая прочность каустического магнезита, затворенного водой. Из пересыщенного раствора окиси магния в хлористом магнии выделяется практически нерастворимый в воде Мg(ОН)₂.

Параллельно с выделением Мg(ОН)₂ образуется оксихлорид магния mMgO· MgCl₂·nH₂O. Наиболее вероятными значениями m и n считают соответственно 3 и 6.

Применение. Магнезиальные вяжущие вещества применяются для изготовления фибролита и ксилолита. Фибролит — стеновой строительный материал, изготовляемый прессованием волокнистых органических материалов (древесных шерсти и стружек, костры кенафа и др.), смешанных с магнезиальным вяжущим. Он применяется для перегородок, а также как самостоятельный стеновой материал. Ксилолит состоит из мелкого органического заполнителя (опилки и др.), связанного магнезиальным цементом. Кроме того, в ксилолит добавляют минеральные заполнители — песок, трепел, асбест, тальк и красители. Ксилолит применяется для изготовления бесшовных полов и прессованных половых плиток.

Магнезиальные вяжущие вещества применяются для изготовления штукатурок, искусственного мрамора, лестничных ступеней и других строительных деталей.

1. Сырьевые материалы

оглавление | следующий пункт

Для производства воздушной извести применяют природные материалы, состоящие в основном из углекислого кальция (известняк, мел, известковый туф, мрамор и т. д.). Углекислый кальций встречается в природе в виде двух минералов—кальцита и арагонита, отличающихся структурой кристаллической решетки. Почти все известковые горные породы содержат примеси глинистых веществ, углекислого магния, кварца, окиси железа и т. д. Наличие примесей в известняках влияет на процесс производства, изменяя температуру обжига и производительность печей, а также свойства конечного продукта.

2. Обжиг извести

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Обжиг извести производится главным образом в шахтных и во вращающихся печах. Температура обжига при производстве извести колеблется в пределах от 900 до 1300 ^оС. Температура обжига извести, тем выше, чем плотнее строение известняков. В зоне обжига происходит диссоциация МgСО₃ и СаСО₃ согласно реакций:

СаСО₃ → CaO + СО₂ и МgСО₃ → МgO + СО₂ .

При обжиге известняка выделяется значительное количество углекислоты, составляющее в зависимости от конструкции печи от 15 до 35 % от объема отходящих из печи газов.

Глинистые вещества, обычно присутствующие в известняках, участвуют в твердофазовых реакциях с образованием силикатов, алюминатов и ферритов кальция. Состав продукта обжига зависит от содержания примесей и температуры обжига. Чем больше в продуктах обжига образуется силикатов, алюминатов и ферритов кальция, тем медленнее и менее полно будет гаситься известь и тем менее пластичным будет полученное из нее тесто.

3. Гашение и свойства извести

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Способность воздушной извести присоединять воду, превращаясь в гидрат окиси кальция по следующей реакции, называют гашением:

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂ + 65 кДж.

Эта реакция протекает достаточно бурно, с выделением большого количества тепла и увеличением в объеме твердой фазы в 2—3,5 раза. Температура извести повышается настолько сильно, что вода может закипать, поэтому негашеную известь называют кипелкой. Воздействие паров кипящей воды, а главным образом увеличение в объеме продуктов реакции приводит к распадению комьев извести на частицы тонкого порошка. В производстве строительной извести процесс гашения заменяет помол.

В зависимости от скорости гашения известь согласно ГОСТ 9179-77 делится на:

1. быстрогасящуюся — со скоростью гашения до 8 мин.,
2. среднегасящуюся — со скоростью гашения от 8 до 25 мин. и
3. медленногасящуюся — со скоростью гашения свыше 25 мин.

Скорость гашения характеризуют временем с момента затворения водой до момента достижения максимальной температуры.

На это свойство извести влияют, главным образом, примеси глины, углекислого магния, кварца и др., которые содержатся в известняках. Примеси глинистых минералов и кварца, с одной стороны, уменьшают способность извести к гашению, а с другой стороны, сообщают извести способность к гидравлическому твердению. Если содержание этих примесей в известняке превышает 6 %, продукт обжига называется гидравлической известью. Примесь MgCO₃, дающая в результате обжига магнезию MgO, также снижает скорость гашения, хотя и не столь существенно, поскольку MgO сама по себе гасится с образованием Mg(OH)₂. Медленное гашение извести со значительным содержанием окиси магния объясняется тем, что температура обжига извести (от 900 до 1300 °С) значительно превышает температуру разложения MgCO₃ и образующаяся MgO представляет собой пережог, гашение которого протекает очень медленно. В то же время MgO, полученная при температуре обжига 600-650 ^оС, гасится достаточно быстро. Поэтому при увеличении содержания в сырье углекислого магния стремятся к возможно более низкой температуре обжига.

ГОСТ 9179-77 делит воздушную известь в зависимости от содержания окиси магния на три вида:

1) известь кальциевую, содержащую не более 5 % MgO,

2) известь магнезиальную, содержащую от 5 до 20 % MgO,

3) известь доломитовую, содержащую свыше 20 до 40 % MgO.

При небольшом содержании магнезии, глинистых и песчанистых примесей получается известь, легко гасящаяся и дающая пластичное, жирное на ощупь тесто. Такую известь называют жирной. При содержании глинистых примесей, начиная с 5 %, даже при небольшом проценте магнезии, известь становится тощей. Тощая известь медленнее гасится и дает менее пластичное тесто, в котором прощупываются мелкие зерна, не распавшиеся при гашении в порошок. Такая известь является вполне доброкачественным материалом, но вследствие малой се пластичности в раствор приходится вводить меньше песка, что повышает стоимость раствора.

Оценка качества воздушной извести основана, главным образом, на ее химическом составе и пластических свойствах, а технические условия на строительную воздушную известь не предусматривают требований в отношении механической прочности. Поэтому магнезиальная известь, дающая более прочные растворы, расценивается ниже кальциевой, а доломитовая – ниже магнезиальной.

В зависимости от активности (суммарного содержания окисей кальция и магния) известь делится на три сорта (табл. 4).

Таблица 4

Сорт извести	Активность извести (содержание СаО+MgO), %, не менее
	Кальциевая известь	Магнезиальная и доломитовая извести
I	90	85
II	80	75
III	70	65

В результате гашения извести в зависимости от количества добавленной воды могут получиться два продукта: сухой гидрат — пушонка или пластичное тесто. Теоретически для гашения извести в пушонку необходимо 32,13 % воды от массы кипелки. Практически воды берут в 2, а иногда и в 3 раза больше, так как под действием тепла, образующегося при гашении, происходит интенсивиое испарение воды. Для гашения извести в тесто берут в среднем около 250 % воды от массы негашеной извести. Чем жирнее известь, тем больше водопотребность известкового теста.

В то время как гашение в пушонку производится, главным образом, заводским путем в гидраторах, гашение в тесто осуществляется преимущественно на стройках, в творильных ямах или ящиках. Иногда применяют и механизированные способы гашения в тесто.

4. Помол извести

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Применение молотой негашеной извести имеет ряд преимуществ по сравнению с использованием извести в виде пушонки или теста. Для изготовления молотой негашеной извести пригодны известняки, содержащие значительное количество глинистых и магнезиальных примесей, так как при этом не образуются отходы, неизбежные при производстве гидратной извести. I1рисутствие в этом случае в извести измельченных силикатов и алюминатов не только не ухудшает качества извести, но и придает ей некоторую водостойкость.

Растворы из молотой негашеной извести твердеют быстрее и достигают более высокой прочности, чем растворы из пушонки или теста. Строительные растворы на обычном известковом тесте схватываются в течение нескольких суток, а на молотой негашеной извести — в течение 30—60 мин. Молотая негашеная известь обладает меньшей водопотребностью (100-150 %) по сравнению с гашенной известью, что объясняется меньшей ее удельной поверхностью.

Молотая негашеная известь за короткие сроки после затворения водой выделяет много тепла. Если из твердеющего материала быстро не отвести это тепло, то возникающие в материале высокие температурные напряжения могут разрушить изделия.

5. Твердение известковых растворов

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Карбонатное твердение известковых растворов складывается из двух одновременно протекающих процессов: 1) испарения механически примешанной воды и постепенной кристаллизации гидрата окиси кальция - из насыщенного раствора и 2) карбонизации Ca(ОН)₂ углекислотой воздуха по уравнению

Ca(ОН)₂ + СО₂ =СаСО₃ + Н₂О.

Твердение известкового раствора протекает весьма медленно. Образующаяся в первые сроки твердения на поверхности раствора пленка углекислого кальция затрудняет проникание углекислоты в раствор, что почти приостанавливает процесс карбонизации. Испарение влаги и образование сухого гидрата извести протекают также медленно, так что стены, сложенные на известковом растворе, долгое время остаются сырыми. Процесс карбонизации имеет при твердении извести второстепенное значение. Гораздо большее значение имеет испарение воды, сопровождающееся кристаллизацией гидрата окиси кальция. Образующиеся кристаллы срастаются друг с другом, с зернами песка и с кристаллами углекислой извести, образовавшимися на поверхности раствора. Важное значение имеет также и то обстоятельство, что высыхание вызывает нарастание прочности твердеющих известковых растворов.

Вследствие сильной усадки и растрескивания при высыхании известь применяют не в чистом виде, а в смеси с песком. Известковые растворы отличаются весьма высокой пластичностью. Обычно к 1 объемной части известкового теста добавляют от 2 до 4 объемных частей песка. Сцепление между частицами песка и извести получается достаточно прочным.

Гидратным твердением называют процесс превращения в твердое камневидное тело известковых растворов на молотой негашеной извести в результате взаимодействия извести с водой и образования гидрата окиси кальция.

Гидросиликатное твердение имеет место при тепловой обработке известково-песчаных изделий в автоклавах (например, при получении силикатного кирпича), где под воздействием пара повышенного давления 0,8—1,6 МПа и температуре 170—200 °С, происходит взаимодействие между известью и кремнеземом кварцевого песка с образованием гидросиликатов кальция:

mCaO + SiO₂ + nH₂O → mCaO·SiO₂·nH₂O,

где m=0,8-2,4, n=0,5-2. Значения коэффициентов m и n зависят от условий протекания реакции, соотношения компонентов, их дисперсности и других факторов.

Повышение дисперсности кварцевого песка и извести приводит к ускорению этой реакции, однако существует некоторая оптимальная величина дисперсности, при которой достигается наибольшая прочность кристаллического сростка. Одним из основных способов повышения прочности силикатных изделий является помол части песка до определенной тонкости. Молотый кварцевый песок по существу является компонентом известково-кремнеземистого вяжущего, называемого силикальцитом. Соотношение порошкообразного кварца и извести в силикальците составляет обычно 1:1. Содержание извести в общей массе силикатного бетона равно 8-12 %.

6. Свойства и применение известковых растворов

оглавление | предыдущий пункт

Прочность гашеной извести весьма невысока и через 28 суток составляет 0,5-1,0 МПа при испытании в образцах жесткой консистенции. Прочность молотой негашеной извести примерно в 2-3 раза выше. Воздушная известь дает при твердении высокую усадку, которую можно снизить добавлением значительного количества песка. Поэтому известь используют почти исключительно в составе строительных растворов, применяемых для каменной кладки и штукатурных работ как без добавки других вяжущих, так и в смеси со строительным гипсом или портландцементом. Растворы из извести, строительного гипса и песка твердеют быстрее известковых растворов и схватываются медленнее гипсовых. Смешанные известково-цементные растворы отличаются большей пластичностью, чем цементные, и более высокой прочностью, чем известковые. Твердение извести ускоряется в присутствии портландцемента, поглощающего влагу, которая выделяется при твердении извести.

Известь широко используют для производства различных автоклавных строительных материалов. Их выпускают в виде панелей, блоков и кирпичей для наружных и внутренних стен, панелей перекрытий, колонн, площадок и маршей лестничных клеток, балок и других изделий. В отличие от обычных бетонных и железобетонных изделий их называют силикатными.

1. Гидравлическая известь

оглавление | следующий пункт

Сырьевые материалы. Сырьем для производства гидравлической извести служат мергелистые известняки, т.е. известняки, содержащие глинистые вещества в таком количестве, которое придает продукту обжига этих известняков ряд специфических свойств.

Кроме глинистых примесей самого разнообразного состава, в известняках могут содержаться песчанистые примеси, а также углекислый магний (доломитизированные известняки), что оказывает влияние на свойства конечного продукта.

Для характеристики химического состава сырья, содержащего известняк и глину, а также изготовленного из него вяжущего вещества обычно пользуются гидравлическим или основным модулем, который выражается следующим отношением (в % по весу):

m = CaO/(SiO₂ + Al₂O₃ + Fe₂O₃).

Обычно этот модуль для гидравлических известей колеблется в пределах 1,7—9, причем, если m=4,5-9,0, известь называют слабогидравлической, если m=1,7-4,5, - сильногидравлической. Если продукт обжига имеет m<1,7, то его относят к романцементу, если же более 9, то к воздушной извести.

По мере уменьшения гидравлического модуля и, следовательно, по мере повышения содержания глинистых и кремнеземистых примесей, в продукте обжига будет содержаться меньше свободной извести и больше силикатов, алюминатов и ферритов кальция. Вместе с тем будет уменьшаться способность извести к гашению и увеличиваться ее способность к гидравлическому твердению. При этом может наступить предел, при котором гидравлическая известь не будет содержать свободной окиси кальция и в связи с этим полностью потеряет способность гаситься. Известь с таким составом Вика назвал предельной известью. Этот материал также называют цементной известью, так как обожженная до спекания и измельченная в порошок она дает портландцемент.

Производство гидравлической извести. Производство гидравличесюй извести складывается из обжига сырья, гашения продукта обжига, отделения непогасившихся частиц и их помола и смешения измельченных зерен с погасивщимся материалом. В ряде случаев смешение измельченной и погасившейся части материала не производится, а выпускаются два раздельных продукта.

Температура обжига гидравлической извести зависит от состава и структуры обжигаемого сырья. Чем больше в нем глинистых и магнезиальных примесей, тем ниже должна быть температура обжига. Практически гидравлическая известь обжигается в пределах 900—1100 ^оС.

Обожженная гидравлическая известь состоит из образующихся, главным образом, путем реакции в твердом состоянии силиката, алюмината и феррита кальция: 2СаО·SiO₂; (C₂S), СаО·Al₂O₃ (CA) и 2СаО·Fe₂O₃ (С₂F), из свободной, не вошедшей в реакцию с кислотными окислами СаО, а также МgО и непрореагировавших зерен кварца.

Гашение гидравлической извести более затруднительно, чем гашение воздушной извести, так как она вследствие значительного содержания негасящихся частиц гасится медленнее, имеет более плотное строение и в процессе гашения выделяет меньше тепла.

Твердение гидравлической извести. Процесс твердения гидравлической извести содержит элементы воздушного и гидравлического твердения. Первое, обусловливается наличием гидрата окиси кальция, который при испарении излишней влаги постепенно кристаллизуется, а также карбонизируется в поверхностных слоях при действии углекислоты. Гидравлически твердеют силикаты, алюминаты и ферриты кальция, которые при взаимодействии с водой образуют гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция.

Свойства гидравлической извести. Снльногидравлические извести быстрее твердеют и достигают большей прочности, чем слабогидравлические.

Цвет гидравлической извести—желтоватый или серый. От воздушной извести ее отличает большая водостойкость.

Применение гидравлической извести. Гидравлическая известь может применяться для разнообразных строительных нужд. Она вполне пригодна для каменной кладки и для штукатурных работ. При каменной кладке гидравлическая известь предпочтительнее воздушной вследствие более быстрого и более равномерного твердения по всей толще стены. Количество выделяющейся при твердении влаги меньше, чем при применении воздушной извести, что обусловливает более быстрое просыхаиие стен и отсутствие сырости во вновь выстроенных зданиях.

Гидравлическая известь пригодна для кладки фундаментов и других частей сооружений, подвергающихся действию воды.

2. Романцемент

оглавление | предыдущий пункт

Сырьевые материалы. В качестве сырья для призводства романцемента служат известковые или магнезиальные мергели, в которых соотношение между известковой и глинистой частями таково, что в результате обжига, не доводящего эти материалы до спекания, получается продукт, в котором вся или большая часть извести связана в силикаты, алюминаты и ферриты кальция. Гидравлический модуль романцемента колеблется в пределах 1,1—1,7, что указывает на то, что этот цемент содержит больше глинистых веществ, чем гидравлическая известь и портландцемент.

Романцемент состоит, главным образом, из C₂S, CA, С₅А₃, C₂F и MgO.

Ввиду сравнительно небольшого содержания свободной извести обожженный продукт при смачивании водой не гасится и, следовательно, не рассыпается в порошок, а превращается в вяжущее вещество исключительно путем помола.

Производство романцемента заключается в основном в обжиге и последующем помоле обожженного продукта. При отсутствии заметного количества магнезиальных примесей температура обжига колеблется в пределах 1000—1100 °С. Такая температура высока для обжига магнезиальных мергелей, так как магнезия при этом будет пережжена и мало способна к гидратации. Поэтому при обжиге таких мергелей желательно снижать температуру обжига до 800—900 °С. При этом стремятся в первом случае к возможно более полной декарбонизации углекислого кальция и образованию силикатов и алюминатов кальция, а во втором — к получению активной, способной к гидратации магнезии.

Свойства романцемента. Романцемент по сравнению с гидравлической известью обладает более сильными гидравлическими свойствами. Однако по сравнению с портландцементом гидравлические свойства его слабее.

Водопотребность романцемента колеблется в пределах 30—50 %. Прочность его в жестком растворе может достигать 10 МПа.

Применение романцемента. Романцемент можно применять для каменной кладки, а также для изготовления бетона, идущего на неответственные части сооружения. Он пригоден для возведения подземных частей небольших сооружений, подвергающихся действию грунтовых вод, например для фундаментов.

1. Общие сведения

оглавление | следующий пункт

“Портландцемент есть гидравлическое вяжущее вещество — продукт тонкого измельчения клинкера, получаемого обжигом до спекания сырьевой смеси, состоящей в основном из известняка (75-78 %) и глины (25-22 %).

Важнейшими технологическими операциями при получении портландцемента являются:

а) приготовление сырьевой смеси;

б) превращение ее путем высокотемпературного обжига в клинкер;

в) магазинирование и помол клинкера в тонкий порошок с добавкой природного гипса.

На большинстве заводов клинкер получают из искусственной смеси двух или более компонентов, из которых один характеризуется высоким содержанием углекислого кальция, а другой (или другие) — высоким содержанием таких окислов, как SiO₂, Al₂O₃ и Fe₂O₃.

Сырьевую смесь готовят мокрым или сухим способом. В первом случае смешение и измельчение сырьевых материалов производят с добавкой значительного количества воды; получающаяся смесь имеет вид сметанообразной жидкости, называемой шламом. При сухом способе сырьевые материалы перед смешением и измельчением подвергают высушиванию. Полученная в результате помола смесь представляет тонкий сухой порошок, называемый сырьевой мукой.

Для обжига клинкера применяют исключительно вращающиеся печи, которые позволяют обжигать как шлам, так и сырьевую муку.

Помол клинкера в настоящее время производится в основном в шаровых мельницах. К клинкеру при его измельчении необходимо добавлять гипс (не более 5 %) для замедления схватывания, кроме этого, могут вводиться при помоле небольшое количество специальных добавок, не ухудшающих качества цемента, но необходимых, например, для интенсификации процесса помола или для других целей: гидрофобизации цемента, уменьшения его водопотребности и т. д.

Таким образом основным компонентом портландцемента является портландцементный клинкер, содержащийся в готовом продукте в количестве от 95 до 97% по весу.

2. Сырьевые материалы

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Известковые породы. Для получения портландцементного клинкера в качестве сырья могут применяться различные виды известковых пород: мрамор, известняк, мел, известковый туф, известняк-ракушечник, оолитовый известняк и т. д. Из них наиболее распространенными в природе являются известняк и мел.

Известковые породы часто бывают загрязнены примесями глины, аморфной кремнекислоты (кремнистые известняки), углекислого магния, сернокислого кальция и т. п. Примесь глины не вредна, при тонком ее распределении в известковой породе она даже полезна, так как повышает однородность шихты. То же относится и к аморфному кремнезему. Наоборот, углекислый магний и гипс при высоком их содержании в породе делают последнюю непригодной для получения портландцемента.

Мергель. Мергели представляют природную смесь мельчайших частиц углекислого кальция и глины, образовавшуюся при совместном их осаждении в водных бассейнах. Соотношение между углекислым кальцием и глиной в мергелях может колебаться в широких пределах: от 90 % СаСО₃ к 10 % о глины до 20 % СаСО₃ к 80 % глины.

Некоторые мергели по содержанию углекислого кальция и других соединений близки к составу сырьевой смеси для портландцемента, но они встречаются сравнительно редко.

Мергели являются прекрасным сырьем для производства портландцемента, так как в них углекислый кальций и глинистые частицы тщательно перемешаны уже самой природой.

Глинистые породы. Для составления портландцементной сырьевой шихты применяют следующие виды глинистых пород: глину, аргиллит, глинистый сланец и лесс.

Глинами называют тонкообломочные осадочные горные породы, состоящие из так называемых глинистых (тонкодисперсных) минералов: каолинита, монтмориллонита, монотермита, гидрослюд и других гидроалюмосиликатов.

Под давлением вышележащих слоев земной коры глины некоторых месторождений дегидратировались, уплотнились, подверглись цементации углекислыми и железистыми солями или кремнеземом и превратились в камневидные породы, носящие названия аргиллитов (при отсутствии слоистости) или глинистых сланцев (при ясно выраженной слоистости).

Лесс представляет собой рыхлую породу, легко растирающуюся в пылевидную массу. Он состоит из тонкодисперсных частиц углекислого кальция, кварцевой пыли, полевого шпата, чешуек слюды и др.

Основное назначение глинистых пород в шихте — обеспечить в последней надлежащее количество и нужное соотношение кислотных окислов: SiO₂, Al₂O₃ и Fe₂O₃. Если глинистые породы обладают недостатком того или иного окисла при соответственном избытке других, в шихту приходится вводить корректирующие добавки.

Корректирующие добавки. При неподходящем химическом составе основных сырьевых компонентов применяют корректирующие добавки. Если сырьевую шихту необходимо обогатить кремнеземом, добавляют трепел, опоку, диатомит, кварцевый песок и т. п. Для обогащения окисью железа добавляют железные огарки, колошниковую пыль и др. Для повышения содержания окиси алюминия применяют глины, богатые глиноземом, или боксит.

Отходы производства. Для получения портландцемента используются также отходы некоторых других производств, например доменные гранулированные шлаки, нефелиновый шлам – отход в производстве глинозема и соды, известковый шлам, получающийся при производстве каустической соды, котельные шлаки, зола горючих сланцев и др.

3. Химический состав портландцементного клинкера

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Одним из способов характеристики состава портландцементного клинкера является указание процентного содержания в нем окислов, важнейшими из которых являются: окись кальция (СаО), кремнезем (SiO₂), глинозем (Al₂O₃) и окись железа (Fe₂O₃). Кроме этих окислов, в состав портландцементного клинкера входят и нежелательные окислы: окись магния (МgO) и серный ангидрид (SO₃), щелочи (Nа₂O и К₂О) и некоторые другие.

Для портландцементов нормального состава химический состав клинкера колеблется в пределах, указанных ниже.

Окислы	СаО	SiO2	Al2O3	Fe2O3	МgO	SO3	Проч.
Содержание, %	63-66	21-24	4-8	2-4	0,5-5	0,3-1	0,7-1,8

Окись кальция (СаО) является главнейшей составной частью портландцементного клинкера. Однако для получения портландцемента высокого качества необходимо, чтобы окись кальция находилась в нем не в свободном виде, а в химическом соединении с другими составными частями клинкера.

Окись кальция, остающаяся в портландцементном клинкере в свободном состоянии, т. е. не прореагировавшей с кислотными окислами клинкера SiO₂, Al₂O₃ и Fe₂O₃, так называемая свободная известь, вызывает явление неравномерности изменения объема. Свободная известь в портландцементе, будучи обожжена при весьма высокой температуре, получается почти в намертво обожженном состоянии. Вследствие этого процесс ее гашения будет происходить не во время схватывания, когда тесто еще достаточно подвижно, а уже в затвердевшей массе. Так, как гашение извести сопровождается увеличением ее в объеме, то оно вызывает образование трещин и разрушение изделий.

Кислотные окислы SiO₂, Al₂O₃ и Fe₂O₃ обеспечивают образование в портландцементе соединений, сообщающих ему способность к гидравлическому твердению.

Окись магния (МgO) при значительном ее содержании в клинкере может вызывать неравномерность изменения объема. По этой причине содержание МgO ограничивается определенным пределом (5 %).

Ангидрид серной кислоты (SO₃) вводится в портландцемент, главным образом, при добавке гипса (каждый процент CaSO₄·2Н₂О вводит 0,47 % SO₃), хотя известная часть его может попасть и из сырьевых материалов, примененных для получения цемента. С целью устранения возможного вредного влияния значительных количеств SO₃ стандарт ограничивает содержание SO₃ в готовом продукте максимум в 3,5 %.

Щелочи (Nа₂0 и К₂О) почти всегда содержатся в сырьевых материалах, переходя из них в состав клинкера. Присутствие щелочей нежелательно, так как они являются причиной непостоянства сроков схватывания портландцемента и образования на его поверхности в процессе твердения выцветов.

4. Процессы, происходящие при обжиге клинкера

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

По мере продвижения по печи обжигаемый материал проходит зоны с возрастающей температурой, максимальное значение которой составляет 1450 °С. В этой зоне происходит спекание материала, т. е. превращение его из порошкообразного в камнеподобное состояние. Процесс спекания начинается в твердом состоянии, когда частицы порошка “свариваются” в местах контакта, и заканчивается в результате застывания расплава, который образуется в небольшом количестве (20-30 %) при высокой температуре. Материал, выходящий из печи, представляет собой хорошо окатанные небольших размеров (редко превышающих 5 см в диаметре) гранулы, называемые клинкером.

Поступающий в печь шлам встречается с горячими газообразными продуктами, за счет тепла которых он нагревается. По мере нагрева происходит ряд процессов, первыми из которых являются испарение механически примешанной и удаление химически связанной воды.

При нагреве материала до 800—900 °С наступает диссоциация углекислого кальция, которая протекает по уравнению:

СаСО₃ = СаО + СО₂.

Получающийся при диссоциации углекислый газ уходит вместе с газообразными продуктами горения в дымовую трубу, а окись кальция, как основной окисел, вступает в химическое взаимодействие с SiO₂, Al₂O₃ и Fe₂O₃, проявляющими, при наличии значительных количеств СаО, кислотные свойства. Полное завершение этого процесса наблюдается в зоне наиболее высокого нагрева (1450 °С).

Уже при сравнительно невысоких температурах (800-1000 ^оС) образуются наиболее бедные окисью кальция соединения: однокальциевый силикат (CS) и однокальциевый алюминат (СА). При дальнейшем повышении температуры (1000-1300 ^оС) количество новообразований становится больше, а качественно их состав меняется в сторону повышения содержания окиси кальция: начинают появляться двухкальциевый силикат (C₂S) и более основные алюминаты и алюмоферриты (С₅А₃, С₃А, C₄AF). Таким образом, количество свободной окиси кальция постепенно уменьшается.

Благодаря наличию в составе сырой смеси окисей магния, железа и других веществ, играющих роль плавней, в ней образуется некоторое количество расплава, пропитывающего основную массу материала. Твердые составные части сильно нагретой сырьевой смеси постепенно растворяются в этом расплаве, вызывают его пересыщение и выкристаллизовываются в виде новых соединений с более высоким содержанием окиси кальция (C₂S + CaO → C₃S).

Жидкая фаза застывает большей частью в виде стекла, но в то же время из нее частично кристаллизуются С₃А, C₄AF и периклаз (MgO). Чем больше в клинкере стеклообразной фазы, тем выше активность получаемого портландцемента.

При медленном охлаждении клинкера образуется небольшое количество стекла, а MgO может выкристаллизоваться в виде крупнокристаллического периклаза, вызывающего неравномерность изменения объема портландцемента. При быстром охлаждении образуется много стекла, а MgO остается в стекле и частично переходит в мелкокристаллическое состояние, что не вызывает отрицательных последствий. Поэтому для получения цемента высоких качеств процессы обжига и охлаждения должны вестись, насколько это возможно, быстро, но в то же время процесс должен быть доведен до такого состояния, чтобы в готовом клинкере не содержалась свободная известь.

5. Магазинирование и помол клинкера

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Клинкер, выходящий из печи и имеющий температуру 1000-1100 °С, направляется в колосниковый холодильник, где охлаждается до 50-150 °С. Практика показывает, что качество портландцемента значительно повышается, если измельчение клинкера производится не сразу по выходе его из печи, а через некоторый промежуток времени, сроком в 3—4 дня, в течение которого он хранится в клинкерных складах (магазинируется).

Помол клинкера производится почти исключительно в шаровых мельницах до достижения удельной поверхности S_уд=2500-3000 см²/г или остатка на сите № 008 не превышающего 15 % по массе. При помоле в мельницу обязательно добавляется до 5 % природного гипса для удлинения сроков схватывания. Без такой добавки портландцемент схватывается практически мгновенно, что не позволяет его использовать. Полезная роль гипса в данном случае объясняется тем, что он соединяется с продуктами гидратации трёхкальциевого алюмината С₃А (минерала, обусловливающего в отсутствие гипса быстрое схватывание цемента) с образованием гидросульфоалюмината кальция.

6. Минералогический состав портландцементного клинкера

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Петрографическое исследование клинкера под микроскопом показывает, что он подобен полиминеральной горной породе, т. к. состоит из нескольких индивидуальных веществ, условно названных минералами портландцементного клинкера. Наиболее важные из них принято обозначать, по предложению исследователя Тернебома, условными наименованиями: алит, белит, целит, происходящими от первых букв алфавита.

В заводских условиях обычно ограничиваются количественным подсчетом важнейших минералов: алита и белита и так называемого промежуточного вещества, которое при высоких температурах обжига представляло расплав.

Алит является главнейшей составной частью портландцементного клинкера. По химическому составу алит близок к трехкальциевому силикату C₃S, однако, отличается от последнего содержанием небольшого количества (2-4 %) MgO и Al₂O₃, а иногда и других окислов (хрома, марганца, железа). Алит обладает высокой гидравлической активностью и сообщает портландцементу способность быстро твердеть, достигая высокой прочности. Увеличение содержания алита в клинкере производится за счет снижения содержания белита.

Белит обычно отождествляют с C₂S, однако, он не является чистым двухкальциевым силикатом, а содержит примесь (в количестве 1-3 %) окислов алюминия, железа, титана, иногда хрома. Цементы с повышенным содержанием белита (и соответственно пониженным содержанием алита) отличаются замедленным ростом прочности, но высоким ее конечным значением после длительного твердения.

Алит и белит называют минералами-силикатами, они выкристаллизовываются до того, как застывает расплав.

Промежуточное вещество образуется из расплава при его застывании и состоит из двух частей: 1) кристаллической (целит и трехкальциевый алюминат) и 2) не успевшего закристаллизоваться клинкерного стекла.

Целит удобно рассматривать как твердый раствор гипотетического соединения С₂А с С₂F с характерным осредненным составом C₄AF. При повышенном содержании целита и соответственном снижении содержания С₃А цементы в начале твердеют медленно, но в длительные сроки достигают высокой прочности.

Трехкальциевый алюминат (С₃А), часто называемый просто алюминатом, самая активная фаза в клинкере, увеличение содержания которой за счет снижения содержания целита переводит цемент в разряд быстротвердеющих.

Клинкерное стекло. Помимо перечисленных явно-кристаллических минералов, в составе клинкера наблюдается еще некоторое количество аморфной, стеклообразной массы, богатой Al₂O₃ и Fe₂O₃.

Для удобства изучения принято состав клинкера несколько схематизировать, представляя его состоящим из следующих четырех сравнительно простых химических соединений:

трехкальциевого силиката — ЗСаО·SiO₂ (C₃S);

двухкальциевого силиката — 2СаО·SiO₂ (C₂S);

трехкальциевого алюмината — ЗСаО·Al₂O₃ (С₃А);

четырехкальциевого алюмоферрита — 4СаО·Al₂O₃·Fe₂O₃ (С₄АF).

Первые два из них отождествляют соответственно с алитом и белитом, а последнее – с целитом. Минералогический состав клинкера, а, следовательно, и портландцемента может варьироваться в определенных пределах, указанных ниже в табл 5.

Таблица 5

Наименование клинкера	Содержание в клинкере минералов, %
	C3S	C2S	С3А	С4АF
Нормальный	37,5-60	37,5-15	7-15	18-10
Алитовый	>60	<15	-	-
Белитовый	<37,5	>37,5	-	-
Алюминатный	-	-	>15	<10
Целитовый	-	-	<7	>18
-	C3S + C2S = 75 %		С3А + С4АF = 25 %

7. Процессы, происходящие при твердении портландцемента

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

В обширной мировой литературе, посвященной вопросу твердения вяжущих веществ, к настоящему времени выявилось три главных направления в объяснении причин, определяющих сущность процесса твердения.

Теория Ле Шателье. Видный французский исследователь цементов Ле Шателье еще в 1887 г, предложил теорию твердения, сводящуюся в основном к явлениям перекристаллизации. В соответствии с этой теорией процесс твердения объясняется тем, что затворяемое водою вяжущее вещество обладает в воде большей растворимостью, нежели продукты, получающиеся в результате действия на него воды. Поэтому первое вещество, как неустойчивое, в силу его большей растворимости, постепенно превращается во второе менее растворимое, а потому более устойчивое. Второе основное положение этой теории сводится к тому, что продукт (продукты) реакции получается в кристаллическом состоянии, в виде спутанных между собою кристаллов — кристаллического сростка, чем и объясняются высокие механические качества затвердевшей массы.

С наибольшей ясностью и простотой эта теория иллюстрируется процессами, происходящими при твердении строительного гипса, и была подробно описана в разделе, посвященном гипсовым вяжущим веществам (см. п. 1, § 2, гл. 2).

Теорию твердения строительного гипса Ле Шателье распространил на все гидравлические вяжущие вещества, в том числе и портландцемент. Таким образом по Ле Шателье затвердевший портландцемент должен представлять кристаллический сросток, подобный строительному гипсу. Однако непосредственное наблюдение затвердевшего цемента под микроскопом обнаруживает в нем наличие аморфной, некристаллической массы, что не согласуется с теорией Ле Шателье.

Теория Михаэлиса. Позднее, в 1893 г., немецкий ученый Михаэлис, выдвинул так называемую коллоидную теорию, согласно которой процесс твердения сводится к образованию коллоидных систем – гелей, состоящих из микроскопических (коллоидных) частиц новообразований, связанных между собой через тончайшие прослойки воды. Возникновение геля начинается у поверхности зерен цемента, когда в результате реакции между водой и клинкерными минералами образуются продукты в коллоидном состоянии. До сих пор окончательно не установлено и существуют разногласия по вопросу о том, как протекает реакция гидратации – путем предварительного растворения цементных составляющих и выделения новообразований из пересыщенного раствора или же путем непосредственного присоединения воды к твердому веществу и последующему отщеплению продуктов реакции в виде коллоидных частиц.

Так или иначе, образующийся гель заполняет пространство между зернами цемента и таким образом связывает эти зерна между собою в единую систему. В дальнейшем, по мере расходования воды на гидратацию и образования все больших количеств коллоидных частиц, происходит их сближение и гель приобретает более высокую плотность и значительную цементирующую способность. В недрах геля происходит срастание частиц в результате медленной кристаллизации растворимых (хотя бы и незначительно) соединений, в результате чего цементный камень приобретает высокую механическую прочность.

Теория Михаэлиса, однако, не может объяснить процесса твердения строительного гипса, в результате которого получаются исключительно кристаллические образования и совершенно не имеется коллоидного вещества.

Теория А. А. Байкова. Академиком А. А. Байковым в 1925-1927 гг. было дано объяснение процессов твердения вяжущих веществ, которое устраняет противоречия рассмотренных теорий и в одинаковой мере применимо как к строительному гипсу, так и к гидравлическим цементам, имеющим в своем составе после отвердевания аморфное коллоидное вещество.

По А. А. Байкову процесс образования двуводного гипса происходит не столько путем выделения его из пересыщенного раствора, как объяснял Ле Шателье, сколько в результате непосредстенного присоединения воды к твердому полугидрату и образования двуводного гипса в твердом состоянии, поскольку последний не может растворяться в пересыщенном по отношению к нему растворе. Получающийся двуводный гипс выделяется в состоянии мельчайшего раздробления и образует коллоидную систему в виде геля или студня.

Этот процесс, называемый коллоидацией, по времени совпадает с периодом схватывания, во время которого пластичное тесто утрачивает свою подвижность благодаря гелеобразованию (застудневанию), но не приобретает еще механической прочности, свойственной затвердевшему продукту.

Образующийся в период коллоидации гель двуводного гипса является неустойчивым; в присутствии воды он с течением времени преобразовывается в кристаллический сросток по схеме Ле Шателье. Причиной этого является различие в растворимости одного и того же соединения в зависимости от размера частиц. Как это доказано экспериментально и выведено теоретически, растворимость вещества увеличивается с уменьшением размера частиц. При переходе от кристаллов к коллоидным частицам разница в размерах столь велика, что соответствующее изменение растворимости легко отмечается опытным путем.

Таким образом из двух состояний двуводного гипса—коллоидного и кристаллического— первое обладает более высокой растворимостью, нежели второе, а потому коллоидный двуводный гипс, как неустойчивый, переходит в более устойчивый кристаллический двуводный гипс. Этот переход осуществляется полностью по схеме Ле Шателье и ведет к образованию кристаллического сростка. Этот период называемый периодом кристаллизации сопровождается превращением затворенного строительного гипса в камневидное тело, обладающее значительной механической прочностью.

Сравнение теории А. А. Байкова с теорией Ле Шателье показывает нам, что последним не был установлен подмеченный А. А. Байковым факт, что всякое твердеющее вещество (цемент) обязательно проходит стадию коллоидального состояния, хотя бы в конце процесса отвердевший продукт состоял только из кристаллических образований, обладающих заметной растворимостью в воде.

Теория акад. А. А. Байкова в то же время совершенно не противоречит теории Михаэлиса, согласно которой в массе затвердевшего цемента имеется аморфное вещество. Дело в том, что из коллоидального в кристаллическое состояние могут переходить только те гели, которые обладают известной растворимостью в воде. Если же в процессе коллоидации какого-либо вяжущего вещества при воздействии на него воды получается гель, в воде практически нерастворимый, то таковой остается в присутствии воды без заметных изменений в течение весьма долгого времени.

Твердение портландцемента. Обычными химическими реакциями при действии воды на многие вяжущие вещества являются или гидратация, т. е. присоединение воды к химическому соединению, не сопровождаемое его распадом, как, например, это имеет место при отвердевании гипса или гидролиз, т. е. разложение водою химического соединения, сопровождаемое присоединением воды к продуктам этого разложения. При твердении портландцемента наблюдаются оба явления, однако, их часто обозначают одним термином гидратация.

Рис. 5. Схема гидрации составляющих портландцемента

Химические процессы при гидратации цемента весьма сложны, и не всегда их можно описать простыми химическими реакциями. Это связано, прежде всего, с некоторой неопределенностью состава получающихся продуктов гидратации, поскольку этот состав зависит от целого ряда условий: влажности, температуры, срока твердения, соотношения клинкерных минералов, наличия примесей и т. п. Все же можно попытаться схематизировать эти процессы с определенным конечно упрощением и представить их схемой, приведенной на рис. 5.

На этой схеме слева записаны исходные составляющие портландцемента, справа продукты их взаимодействия с водой. Обозначение Н_n эквивалентно n·Н₂О и показывает, что продукт реакции присоединил к себе воду (прогидратировался). В случае Са(ОН)₂ сохранена более привычная форма, хотя для однообразия следовало бы обозначить это соединение как СН. Из схемы видно, что два минерала C₂S и С₃А подвергаются простой гидратации, а два других C₃S и C₄AF подвергаются гидролизу и дают по два соединения: в первом случае – это Са(ОН)₂ и C₂SН₂, во втором – это С₃АН₆ и CFН.

8. Свойства портландцемента

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Плотность. Среди цементов на основе портландцементного клинкера портландцемент, не содержащий добавок, обладает самой большой плотностью, лежащей в пределах от 3,05 до 3,20 г/см³ (удельный вес пуццолановых и шлаковых портландцементов равен 2,7—2,9 г/см³).

Насыпная масса (масса одного литра) порошка портландцемента находится в пределах: в рыхлом состоянии — 900-1100 г/л, в уплотненном — 1400-1500 г/л.

Величина насыпной массы зависит от минералогического состава цемента и больше всего от тонкости помола: чем она выше, тем меньше насыпная масса цемента.

Тонкость помола. Согласно 10178—85 сквозь сито с сеткой № 008 должно проходить не менее 85% от массы подвергаемой просеиванию пробы. Чем тоньше помол цемента, тем выше скорость его схватывания и твердения, а также выше прочность в начальные сроки твердения.

Широко практикуется характеристика тонкости помола цемента путем определения удельной поверхности, т. е. суммарной поверхности всех частиц, содержащихся в 1 г цемента; обычно она выражается в квадратных сантиметрах. Удельная поверхность цементов заводского помола колеблется в пределах 2500—3000 см²/г; у быстротвердеющих портландцементов она достигает 4500 см²/г и более.

Способность к хранению. При длительном хранении в условиях свободного доступа воздуха портландцемент реагирует с водяными парами и углекислотой, поглощая их из атмосферы, в результате чего поверхность частиц цемента постепенно гидратируется и карбонизуется. При этом происходит потеря активности и снижение прочности, особенно в ранние сроки твердения.

Наименее устойчивыми при хранении являются алито-алюминатные портландцементы, содержащие большое количество активных минералов — трехкальциевого алюмината и трехкальциевого силиката. Сохранность свойств цемента при хранении существенно повышается при помоле его с гидрофобизующими добавками.

Водопотребность. Водопотребность портландцемента относительно невелика и составляет 24—28 % воды (для получения теста нормальной густоты). Она зависит в основном от тонкости помола и минералогического состава цемента. Чем меньше водопотребность цемента, тем выше его качество, т. к. он позволяет получать заданную подвижность рабочих составов при меньшем расходе воды, что положительно сказывается на прочности, усадке и некоторых других свойствах цементного камня.

Скорость схватывания. Согласно ГОСТ 10178—85 начало схватывания портландцемента должно наступать не ранее чем через 45 мин, а конец схватывания — не позднее чем через 10 ч от начала затворения. Повышение температуры ускоряет, а понижение замедляет схватывание. Схватывание ускоряется при повышении тонкости помола цемента и содержания в нем С₃А.

Прочность портландцемента. Для оценки прочности (активности) цементов согласно ГОСТ 310.4—81 производится испытание образцов-балочек, размерами 4 х 4 х 16 см, в возрасте 28 суток. Балочки испытывают сначала на изгиб, а затем образовавшиеся половинки — на сжатие. Образцы изготовляют из пластичного цементного раствора состава по весу 1 : 3 с нормальным песком при водоцементном отношении 0,40. В тех случаях, когда расплыв стандартного конуса при В/Ц = 0,40 оказывается меньше 106 мм, водоцементное отношение увеличивают до величины, обеспечивающей расплыв в пределах 106—108 мм. Если расплыв стандартного конуса при В/Ц = 0,40 оказывается больше 115 мм, водоцементное отношение уменьшают с таким расчетом, чтобы получить расплыв в пределах 113—115 мм.

Уплотнение цементного раствора в формах при изготовлении балочек производится с помощью стандартной вибрационной площадки, обеспечивающей вертикальные колебания с амплитудой 0,35 мм и частотой колебаний 3000 в минуту.

Образцы хранятся в течение первых суток после изготовления в формах во влажном воздухе (в специальной ванне с гидравлическим затвором), а остальное время (27 суток) в воде. Хранение образцов должно производиться при температуре 20 ± 2 °С.

ГОСТ 10178—85 предусматривает следующие марки портландцемента: 400, 500, 550 и 600. Для отнесения испытываемого портландцемента к той пли иной марке необходимо, чтобы предел прочности при сжатии образцов в возрасте 28 дней составлял соответственно маркам не менее 400, 500, 550 и 600 кгс/см², а предел прочности при изгибе – не менее 55, 60, 62 и 65 кгс/см².

Скорость твердения. Наиболее быстрый рост прочности портландцемента наблюдается в течение первого месяца твердения. В дальнейшем прочность повышается медленно.

Рис. 6. Влияние минералогического состава клинкера на скорость твердения портландцемента

Скорость твердения портландцемента зависит от многих факторов: тонкости помола, минералогического состава, температуры и др. Как уже говорилось, чем выше тонкость помола, тем быстрее твердеет цемент. Существенное влияние оказывает состав исходного клинкера (рис. 6). Алито-алюминатные цементы (с повышенным содержанием C₃S и С₃А) дают быстрый прирост прочности в первые сроки твердения (до 7 дней) и медленное нарастание прочности в дальнейшем. У белито-целитовых цементов (с повышенным содержанием C₂S и C₄AF) наблюдается замедленное твердение в начальные сроки, но достаточно интенсивное в более позднем возрасте. Понижение температуры замедляет твердение цементных растворов и бетонов. При укладке бетона в зимнее время рекомендуется применять цементы высоких марок, поскольку изготовленный на них бетон менее чувствителен к понижению температуры.

При превращении воды, находящейся в цементном камне, в лед твердение прекращается, но оно вновь начинает протекать после оттаивания. Тем не менее, нельзя допускать замораживание бетона в раннем возрасте. В этом случае при последующем твердении он не набирает полностью возможной для него прочности. Невосстановимая потеря прочности зависит от того, какую прочность имел бетон в момент замерзания; чем она меньше, тем больше вред от раннего замораживания.

Помимо температуры, значительное влияние на рост прочности оказывает влажность окружающей среды. В воде и во влажной атмосфере прочность портландцементных растворов и бетонов нарастает в течение многих лет; в сухих условиях рост прочности практически прекращается через 0,5-1 год. Для портландцемента особенно важно, чтобы в начальный период твердения ему была обеспечена необходимая влажность и защита от преждевременного высыхания.

Повышение температуры при твердении (например, при пропаривании, электропрогреве или автоклавной обработке) ускоряет гидратацию клинкерных минералов и кристаллизацию продуктов твердения. Прочность при этом возрастает очень быстро: 10-12 ч пропаривания оказывается достаточно для получения бетонных изделий с 70-100 %-ной отпускной прочностью (т. е. с прочностью, при которой они могут быть выданы потребителю и применены в дело). Необходимо, однако, отметить, что дальнейшее твердение пропаренного бетона протекает замедленно, и к 28-дневному возрасту его прочность составляет только 80—85 % той прочности, которую приобретает бетон в нормальных условиях твердения при 20 °С. Примерно такое же отставание наблюдается у показателей морозостойкости и водонепроницаемости.

Равномерность изменения объема. В затвердевшем растворе или бетоне в некоторых случаях (при наличии в портландцементе избыточных количеств свободной СаО, МgО и SO₃) запоздалые реакции гидратации СаО и МgO и образования гидросульфоалюмината кальция, протекающие с увеличением объема, вызывают образование трещин, а иногда и разрушение затвердевшей массы. В связи с этим испытание цемента на равномерность изменения объема в стандартах всех стран считается одним из самых важных.

Неравномерность изменения объема, вызываемая в портландцементе свободной СаО, устанавливается кипячением лепешек, поэтому стандарт не регламентирует предельного содержания свободной СаО, но требует обязательного проведения испытания лепешек. Равномерность изменения объема магнезиального клинкера (содержащего МgO больше 5%) и цементов на его базе проверяется автоклавной пробой.

Цемент, показавший при испытании лепешек отрицательный результат, не может быть сразу использован. В этом случае его выдерживают на складе до тех пор, пока свободная окись кальция не погасится за счет влаги воздуха.

Усадка и набухание. Растворы и бетоны на портландцементе при хранении на воздухе дают усадку (уменьшение объема), а при хранении в воде – набухание (увеличение объема). Основной причиной усадки является испарение воды из цементного раствора или бетона, а причиной набухания — поглощение воды.

Деформации усадки по величине значительно превосходят деформации набухания и являются более опасными. Величина усадочных деформаций и интенсивность их развития зависят от минералогического состава цемента, тонкости помола, начального содержания воды в твердеющем материале, температурно-влажностных условий твердения. Особенно большое влияние оказывает содержание в клинкере трехкальциевого алюмината. При увеличении количества этого минерала деформации усадки и набухания весьма интенсивно возрастают.

Тепловыделение. Гидратация цементных минералов является экзотермическим процессом, в силу чего твердение бетона сопровождается выделением тепла. При возведении массивных сооружений это может привести к значительному разогреву бетона до 40-60 ^оС. При последующем охлаждении наружные части бетонных массивов остывают быстрее, чем внутренние; создается термонапряженное состояние бетона, и в сооружении могут появиться трещины, нарушающие его монолитность. Поэтому большое тепловыделение цементов в массивных сооружениях является весьма нежелательным. Наоборот, при зимних работах высокое тепловыделение может оказаться полезным; оно в этом случае замедляет понижение температуры уложенного бетона.

Влияние минералогического состава на величину тепловыделения в основном обусловливается различной активностью их в отношении взаимодействия с водой. По значению теплового эффекта при гидратации клинкерные минералы можно расположить в следующий ряд: С₃А > C₃S > C₄AF > C₂S. Таким образом алито-алюминатные цементы обладают повышенной экзотермией, а белито-целитовые – пониженной.

Следует отметить, что все факторы, ускоряющие процесс гидратации, вызывают соответствующее увеличение тепловыделения. Наоборот, факторы, замедляющие процесс гидратации, снижают тепловыделение.

Морозостойкость цементных растворов и бетонов. Разрушение бетона при многократном попеременном замораживании и оттаивании объясняется тем, что вода при переходе в лед увеличивается в объеме примерно на 9 %. Это постепенно ведет к образованию и накоплению небольших трещин и в конечном результате приводит к разрушению бетона.

Портландцемент в отношении морозостойкости бетона превосходит многие другие виды цементов, в частности пуццолановые и шлаковые, портландцементы.

9. Применение портландцемента

оглавление | предыдущий пункт

Портландцемент широко применяется для монолитного и сборного бетона и железобетона в самых разнообразных отраслях строительства — жилищном, промышленном, дорожном, гидротехническом и т. д. Его можно применять в надземных, подземных и подводных частях сооружений, в том числе и подверженных многократному попеременному воздействию воды и мороза. При наличии высокой агрессивности водной среды вместо обычного портландцемента следует применять сульфатостойкие виды цементов. Применяют портландцемент также для высокопрочных растворов (например, в армоцементных конструкциях). В кладочных и штукатурных растворах средних и низких марок его использование в чистом виде нецелесообразно; в этих случаях готовят смешанные растворы: цементно-известковые, цементно-глиняные и цементно-известково-глиняные. Добавки к портландцементу извести и глины пластифицируют растворные смеси, повышая их удобоукладываемость, однако, прочность раствора несколько снижается.

Для удовлетворения потребности многих отраслей строительства выпускается значительное число особых видов (разновидностей) портландцемента, отличающихся от обыкновенного специальными техническими свойствами, которые придаются портландцементу регулированием его минералогического состава, введением при помоле малых количеств (не более 0,3 % от массы цемента) пластифицирующих или гидрофобизующих добавок, а также благодаря особенностям технологии.

1. Быстротвердеющий портландцемент

оглавление | следующий пункт

В отличие от обычного портландцемента прочность быстротвердеющего портландцемента (БТЦ) нормируется в возрасте 3 и 28 суток. В возрасте 3 суток БТЦ должен иметь не менее половины (обычно 60-70 %) марочной (28-суточной) прочности. ГОСТ 10178-85 предусматривает две марки БТЦ: 400 и 500.

Высокая скорость твердения и другие положительные свойства БТЦ достигаются при его производстве регулированием минералогического состава, повышением качества сырья и тонкости помола, а также технологическими приемами производства.

Минералогический состав клинкера характеризуется повышенным содержанием высокоактивных клинкерных минералов — трехкальциевого силиката и трехкальциевого алюмината. Иными словами, БТЦ является алито-алюминатным цементом, с суммарным содержанием C₃S и C₃A в пределах 60—65 %.

Для повышения скорости твердения БТЦ как правило осуществляют более тонкий по сравнению с обычным портландцементом помол клинкера. БТЦ размалывают до удельной поверхности 3500—4500 см²/г, вместо обычных 2500—3000 см²/г для портландцемента.

Технологические особенности производства БТЦ оказывают существенное влияние на скорость его твердения. Возможность готовить БТЦ сильно зависит от качества используемого сырья, которое должно быть однородным по химическому составу и не содержать вредных примесей. Более предпочтительны аморфные породы, нежели кристаллические. Существенное влияние на свойства БТЦ оказывает скорость охлаждения клинкера. При быстром охлаждении от температуры 1250—1300 °С отдельные фазы цементного клинкера не успевают превратиться в более стабильные формы, сохраняя высокую степень гидравлической активности.

При помоле БТЦ добавляют активные минеральные добавки в количестве не более 20 % от веса цемента. Положительное влияние небольших количеств активных добавок к тонкомолотому цементу проявляется в том, что они, не вызывая существенного повышения водопотребности цемента, обеспечивают более равномерный рост прочности во времени (без сбросов прочности).

БТЦ предназначается для изготовления сборных железобетонных конструкций и изделий на соответствующих заводах и полигонах, а также для скоростного строительства. Применение такого цемента ускоряет процесс производства и позволяет выпускать в короткие сроки (сразу после тепловлажностной обработки) изделия с 70 до 100 %-ной проектной прочностью, чем устраняется необходимость в больших складах для вызревания изделий.

2. Сульфатостойкий портландцемент

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Сульфатостойкий портландцемент изготовляют на основе клинкера нормированного состава, содержащего: C₃S – не более 50%; С₃А – не более 5% и суммы С₃А + С₄AF – не более 22%. Сульфатостойкий портландцемент изготовляется без применения минеральных добавок, которые не допустимы, так как снижают морозостойкость бетона, однако возможно введение пластифицирующих или гидрофобизующих поверхностно-активных веществ, наоборот повышающих морозостойкость.

Для этого цемента характерны пониженное тепловыделение и замедленное твердение в начальные сроки, что объясняется пониженным содержанием активных минералов.

Сульфатостойкий портландцемент выпускается только одной марки 400. Все прочие требования к этому цементу такие же, как и к обычному портландцементу.

Сульфатостойкий портландцемент предназначен для изготовления бетона наружных зон сооружений, работающих в условиях сульфатной агрессии воды и одновременно подверженных систематическому попеременному увлажнению и высыханию или замораживанию и оттаиванию. Для подводного и подземного бетона при наличии сульфатной агрессии целесообразнее применять сульфатостойкий пуццолановый портландцемент, поскольку здесь отсутствуют факторы физической коррозии.

3. Пластифицированный портландцемент

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Пластифицированный портландцемент изготовляют путем введения при помоле клинкера пластифицирующей поверхностно-активной добавки обычно в количестве 0,15—0,30 % от массы цемента. В качестве таких добавок наиболее широко применяют технические лигносульфонаты (ЛСТ). В присутствии добавки поверхностно-активного вещества (ПАВ) облегчается помол клинкера. В процессе измельчения цемента ПАВ адсорбируются на его зернах и проникая в микротрещины способствуют их разрушению. Адсорбционные пленки на поверхности зерен цемента повышают их гидрофильные свойства, т.е. способность к смачиванию водой. Это уменьшает способность частиц к сцеплению и повышает пластичность цементного теста, а растворным и бетонным смесям придает повышенную подвижность. Подвижность цементно-песчаного раствора состава 1:3 из пластифицированных цементов всех видов должна быть такой, чтобы при водоцементном отношении, равном 0,4, расплыв стандартного конуса был не менее 135 мм. Пластифицирующий эффект может быть использован различным образом. Во-первых, он позволяет уменьшить водоцементное отношение и, тем самым повысить прочность, морозостойкость и водонепроницаемость бетона, а, во-вторых, сохраняя неизменным водоцементное отношение, и, следовательно, не изменяя свойств бетона, можно сократить расход цемента и получить определенную экономию.

 

4. Гидрофобный портландцемент

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Гидрофобный (гидрофобизованный) портландцемент в отличие от пластифицированного получают при введении в цемент в процессе помола клинкера и гипса гидрофобизующих добавок (асидола, мылонафта, олеиновой кислоты, кубовых остатков синтетических жирных кислот и пр.) в количестве 0,06-0,30 % от массы цемента. Гидрофобизующие добавки образуют на зернах цемента тончайшие адсорбционные слои, обладающие водоотталкивающими свойствами, и понижают способность цемента смачиваться водой. Капля воды, нанесенная на поверхность гидрофобного цемента не должна впитываться в него в течение 5 мин. Поэтому гидрофобные цементы не снижают активности в течение 1-2 лет хранения на воздухе, в то время как обычные цементы уже через 1-3 месяца теряют до 30 % и более начальной прочности. Возможно, что в начале процесса твердения вода проникает к зерну цемента путем диффузии через адсорбционные слои. По мере гидратации и роста в объеме новообразований гидрофобные слои разрываются и беспрепятственно пропускают воду. Полагают также, что при перемешивании растворных или бетонных смесей гидрофобные оболочки сдираются. Во всяком случае, эти слои не препятствуют течению процессов гидратации и твердения, правда, несколько их замедляют, особенно в начальные сроки. Прочность бетона при этом, немного снижается. Снижение прочности объясняется также и воздухововлекающей способностью этих добавок, в присутствии которых пористость бетона возрастает на 3-5 % по объему.

Наличие пузырьков вовлеченного воздуха придает бетонной смеси повышенную подвижность и лучшую удобоукладываемость. Кроме того, из-за снижения доли открытых пор, несмотря на увеличение общей пористости, уменьшается водопоглощение, повышается водонепроницаемость и морозостойкость бетона.

Гидрофобизующие добавки интенсифицируют процесс помола цемента и предотвращают слипание частиц цемента и налипание их на мелющие тела.

Гидрофобный портландцемент рекомендуется применять в первую очередь в тех случаях, когда требуется длительное хранение цемента или перевозка его на дальние расстояния. Кроме того, его целесообразно применять для облицовки и наружной штукатурки зданий, для бетонов в дорожном и аэродромном строительстве, для гидротехнического бетона в тех случаях, когда бетонные смеси намечается транспортировать с помощью бетононасосов.

5. Белый портландцемент

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Одним из основных показателей качества белого портландцемента является его белизна. Весь технологический процесс подчинен этому требованию. Для получения белого портландцемента необходимо применять сырьевые материалы, характеризующиеся весьма малым содержанием красящих окислов и прежде всего окиси железа.

В производстве белого портландцемента используют чистый известняк или мел и белую глину – каолин. Клинкер белого портландцемента в отличие от обычного состоит из алита, белита и алюминатов кальция при почти полном отсутствии алюмоферритной фазы.

Помол сырьевой смеси производится в условиях, исключающих возможность загрязнения ее железом и его окислами, в связи с чем мельницы футеруют фарфоровыми или кремневыми плитами, а также особостойкой к истиранию сталью. Для помола применяют мелющие тела из фарфора или высокоглиноземистого материала (уралита).

Обжиг клинкера белого портландцемента производится вследствие малого содержания плавней при более высокой температуре, чем обжиг обычного клинкера, и обязательно на беззольном топливе — мазуте или газе.

Обязательной операцией в производстве белого портландцемента является отбеливание клинкера. С этой целью клинкер подвергают резкому охлаждению водой от 1250-1350 °С до 500-600 °С, после чего его сразу отделяют от воды, чтобы оставшаяся вода могла испариться за счет собственного тепла клинкера. При быстром охлаждении белит получается более белым, чем при медленном, когда он способен растворять в себе окислы железа. Кроме того, при быстром охлаждении получается алюмоферрит кальция состава C₆AF₂, вместо C₆A₂F, образующегося при медленном охлаждении; в результате содержащаяся в клинкере окись железа распределяется на меньшее число частиц алюмоферрита.

Вследствие особых требований к сырью и технологическому процессу стоимость белого портландцемента выше стоимости обычного цемента.

6. Цветные портландцементы

оглавление | предыдущий пункт

Цветные портландцементы получают путем совместного помола белого клинкера со свето- и щелочестойкими минеральными красителями: охрой, железным суриком (кремовые и красные оттенки), мытой марганцевой рудой (коричневый цвет), ультрамарином и т. д.

Возможно также получение цветных клинкеров путем введения в безжелезистую сырьевую смесь небольшого количества красящих окислов.

Эффективное окрашивание цветных клинкеров вызывают окислы хрома (желто-зеленый и изумрудно-зеленый цвета), марганца (голубой и бархатно-черный), кобальта (коричневый и ярко-желтый) никеля (светлый зеленовато-желтый) и др. Окрашенные клинкеры дают возможность получать редкие цвета (синие, зеленые, бирюзовые), недоступные при производстве смешанных цветных цементов.

Белые и цветные цементы применяются при наружных и внутренних архитектурно-отделочных работах и при изготовлении облицовочных плиток, лестничных ступеней, подоконных плит, фактурного слон стеновых панелей, искусственного мрамора и т. д. Штукатурка из этих цементов может подвергаться шлифовке, при эксплуатации здания она не требует окраски, а нужна лишь периодическая чистка.

1. Активные минеральные (гидравлические) добавки

оглавление | следующий пункт

Активные минеральные (гидравлические) добавки – это тонкодисперсные природные и искусственные неорганические вещества, которые при затворении водой самостоятельно не твердеют, но будучи добавлены к воздушной извести придают ей гидравлические свойства, т.е. способность твердеть под водой. Эта способность основана на том, что содержащиеся в активных минеральных добавках аморфный кремнезем (SiO₂) и глинозем (Al₂O₃), связывают известь в присутствии воды в нерастворимые гидросиликаты и гидроалюминаты кальция, обладающие гидравлическими свойствами.

Активные минеральные добавки бывают природные и искусственные. К природным относятся некоторые горные породы как осадочного (диатомит, трепел, опока, глиежи), так и вулканического происхождения (вулканические пеплы, туфы, трассы). К искусственным относятся доменные и электротермофосфорные гранулированные шлаки, белитовый (нефелиновый) шлам, искусственно обожженые глинистые материалы, зола-унос некоторых видов твердого топлива. Из всех этих веществ наибольшее значение имеют так называемые пуццоланы (вещества, содержащие SiO₂ в аморфной форме) и доменный гранулированный шлак, содержащий низкоосновные силикаты и алюмосиликаты кальция.

Пуццоланы. Большинство природных пуццолан имеет вулканическую природу (вулканический пепел, трасс), хотя некоторые и являются осадочными породами (диатомит, трепел, опока). Некоторые глины, непригодные в естественном состоянии, становятся пригодными в качестве пуццолан, будучи обожженными. Пуццоланы использовались вместе с известью с древнейших времен, но сегодня они используются в основном для получения пуццоланового портландцемента.

Пуццоланы вулканического происхождения характеризуются содержанием SiO₂+Al₂O₃ – 70-90 %. Активность этих минеральных добавок зависит от скорости охлаждения лавы. Быстро охлажденные вулканические породы почти целиком состоят из стекла, что придает им высокую активность.

В пуццоланах осадочного происхождения содержится SiO₂ – 70-90 %, Al₂O₃ – 3-10 %. Наиболее активная из осадочных пород – трепел, а наиболее распространенная – опока.

Доменные гранулированные шлаки получают в качестве побочного продукта при выплавке чугуна в доменной печи. На 1 т чугуна получается в среднем 0,6-0.7 т шлака. Гидравлические свойства шлаков определяются их минералогическим составом и зависящим от условий охлаждения соотношением кристаллической и стекловидной фаз. Химический состав доменных шлаков может изменяться в широких пределах в зависимости от химического состава руды и флюсов, а также от вида получаемого чугуна. Основными составляющими шлака являются СаО, SiO_2, Al₂O₃ и MgO, в незначительных количествах присутствуют соединения марганца, железа, титана, серы и ряда других элементов.

Шлаки, предназначенные для производства вяжущих материалов, по выходе из домны подвергаются грануляции, в результате которой они превращаются в рыхлый мелкозернистый продукт (до 10 мм), что облегчает их дальнейшую переработку. Однако грануляция имеет и другую цель – за счет быстрого охлаждения получить стекловидную структуру шлака и, тем самым, значительно повысить его гидравлическую активность. Грануляция осуществляется на установках мокрой, полусухой и сухой грануляции.

При мокрой грануляции расплавленный шлак выливают в бассейн с водой, и в процессе охлаждения он превращается в гранулы.

Шлак полусухой грануляции, получают предварительным охлаждением водой, последующим механическим дроблением и отбрасыванием полученных гранул с целью окончательного остывания их в воздухе.

При сухой грануляции поток шлакового расплава разбивается на мелкие капли сильной струей воздуха или пара. Охлаждение капель происходит в воздухе.

2. Пуццолановый портландцемент

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Пуццолановый портландцемент (ппц) относится к сульфатостойким видам цемента. Его получают путем совместного помола портландцементного клинкера нормированного состава (C₃A≤8 %, Al₂O₃≤5 %, MgO≤5 %) и 20-40 % пуццоланы. При помоле добавляют гипс в количестве, необходимом для регулирования сроков схватывания, однако общее содержание SO₃ в ппц не должно превышать 3,5%.

При твердении пуццоланового портландцемента взаимодействие начинается с реакций между водой и минералами портландцементного клинкера. При этом образуются те же продукты, что и при гидратации портландцемента: гидрат окиси кальция, двухкальциевый гидросиликат С₂SН₂ и высокоосновные гидроалюминаты и гидроферриты кальция. Вслед за этим аморфный кремнезем пуццоланы, реагируя с образовавшимися Са(ОН)₂ и 3CaO·Al₂O₃·6Н₂О (С₃АН₆), переводит их в малорастворимые низкоосновные гидросиликаты и гидроалюминаты кальция:

Са(ОН)₂ + SiO₂ + Н₂О = CaO· SiO₂· Н₂О,

3CaO·Al₂O₃·6Н₂О + SiO₂ = nCaO·Al₂O₃· xН₂О + m CaO· SiO₂· yН₂О, где n+m=3, x+y=6.

Свойства пуццолановых портландцементов. Поскольку в составе продуктов гидратации ппц отсутствует растворимый гидрат окиси кальция, а вместо высокоактивного С₃АН₆ образуются менее активные гидросиликаты и гидроалюминаты кальция, он является более стойким, чем портландцемент, к выщелачиванию и сульфатной коррозии

По сравнению с портландцементом пуццолановый портландцемент твердеет медленнее и имеет меньшую прочность, характеризуемую двумя марками – 300 и 400 (ГОСТ 22266—94). Медленное нарастание прочности особенно в первые сроки твердения объясняется тем, что пуццолана замещает часть более активной клинкерной составляющей. Однако по мере того как кремнезем взаимодействует с выделяющимся гидратом окиси кальция, твердение этого цемента ускоряется и отставание в наборе прочности от портландцемента уменьшается. Пониженная прочность ппц объясняется также более высокой водопотребностью пуццолановых портландцементов, составляющей 30-40 %, вместо 24-28 % у портландцемента. Это вызывает необходимость увеличивать расход ппц в бетоне на 15—26 % по сравнению с портландцементом той же марки. При твердении пуццоланового портландцемента выделяется меньше тепла, чем при твердении портландцемента. Снижение тепловыделения по сравнению с портландцементом, изготовленным из того же клинкера, составляет примерно 0,5 % на каждый процент содержания добавки. Сроки схватывания у ппц такие же, как и у портландцемента.

Усадка и набухание пуццоланового портландцемента более высокие, чем у портландцемента, причем в случае добавок осадочного происхождения эти деформации наибольшие.

Морозостойкость и воздухостойкость бетонов на ппц значительно ниже, чем бетонов на портландцементе. Преждевременное высыхание отрицательно сказывается на твердении пуццоланового цемента и вызывает значительные усадочные деформации. Поэтому его следует защитить от высыхания и по возможности длительное время выдерживать во влажном состоянии. Благодаря тому, что гидравлическая добавка под влиянием известковой воды сильно набухает, пуццолановый портландцемент имеет повышенную водонепроницаемость.

Поскольку расходы по получению клинкера выше, чем расходы по добыче, доставке, дроблению и сушке добавки, себестоимость ппц ниже себестоимости портландцемента.

Применение. Пуццолановый портландцемент применяют для подводных и подземных частей бетонных и железобетонных конструкций, особенно если последние подвергаются действию мягких пресных и сульфатных вод. Его можно использовать и для внутренних зон бетона гидротехнических сооружений. Вследствие пониженной морозостойкости и воздухостойкости этот цемент не рекомендуется использовать в наземных бетонных и железобетонных конструкциях в условиях воздушного твердения. Наблюдающееся при этом быстрое высыхание может приостановить твердение и вызвать значительную усадку. Пуццолановый портландцемент малопригоден для частей сооружений, находящихся в зоне переменного уровня воды, в условиях попеременного увлажнения и высыхания, замораживания и оттаивания.

3. Шлакопортландцемент

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Шлакопортландцемент (шпц) получают путем совместного помола портландцементного клинкера и гранулированного доменного шлака (от 20 до 80 %) с добавлением гипса до 5 % от массы сухой смеси. Допускается замена части шлака (до 10 % от массы цемента) пуццоланой.

Гидратация шлакопортландцемента. При гидратации клинкерной части шлакопортландцемента образуются те же кристаллогидраты, что и при твердении портландцемента: гидрат окиси кальция, гидроалюминаты, гидросиликаты и гидроферриты кальция. Под воздействием насыщенного раствора извести активизируется стекловидная фаза доменного шлака и вступает в процессы гидратации и гидролиза с образованием гидроалюминатов и гидросиликатов кальция, вначале более основных, а по мере снижения концентрации извести в реагирующей среде — низкоосновных.

В шлакопортландцементе гипс не только замедляет схватывание, но и выступает в начальный период наряду с Ca(OH)₂ в роли активизатора твердения шлака. В дальнейшем и гипс и известь непосредственно реагируют со шлаковыми составляющими, образуя типичные для шпц продукты: гидрогеленит и гидрогранаты. При твердении шлакопортландцемента образуются гидросиликаты меньшей основности, чем при твердении портландцемента.

Свойства шлакопортландцемента. Достоинства шлакопортландцемента перед портландцементом заключаются, во-первых, в более высокой водостойкости в пресных и сульфатных водах, что обусловлено низким содержанием в цементном камне гидрата окиси кальция и меньшей основностью силикатов; во-вторых, в более низкой стоимости (до 80 % клинкера заменяется более дешевым шлаком). Стоимость шлакопортландцемента, содержащего 50—70% шлака, на 30—40% ниже стоимости портландцемента. Тепловыделение шпц, особенно в течение первых 1—3 суток, значительно меньше тепловыделения портландцемента, что при бетонировании массивных конструкций является крайне желательным. Высокая адгезия к стальной арматуре и способность при пропаривании набирать прочность быстрее портландцемента позволяют с успехом применять шлакопортландцемент на заводах железобетонных изделий. К преимуществам шлакопортландцемента перед портландцементом следует отнести также меньшие значения деформаций усадки и набухания.

К недостаткам шлакопортландцемента можно отнести пониженную по сравнению с портландцементом активность, в результате чего бетоны на этом цементе имеют более низкие характеристики прочности, морозостойкости, водонепроницаемости. При нормальных и особенно при низких положительных температурах шлакопортландцемент твердеет медленнее портландцемента. Марки шпц по прочности согласно ГОСТ 10178—85: 300, 400, 500. По прочности и морозостойкости шлакопортландцемент превосходит пуццолановый портландцемент, но уступает ему по водонепроницаемости.

В отношении других свойств шлакопортландцемент незначительно отличается от портландцемента. Он должен иметь те же сроки схватывания и равномерность изменения объема. Шпц имеет водопотребность 20-25 %, что несколько меньше, чем у портландцемента. Плотность шлакопортландцемента в зависимости от содержания шлака колеблется в пределах 2,8—3,0 г/см³. Объемная масса - в рыхлом состоянии 900—1200 кг/м³, а в уплотненном 1400—1800 кг/м³. По цвету шпц несколько светлее портландцемента.

Применение шлакопортландцемента. Шлакопортландцемент используют для изготовления бетонных и железобетонных изделий, при каменной кладке и в качестве штукатурного материала. Из бетонов на его основе возводят массивные наземные, подземные и подводные сооружения, подвергающиеся воздействию агрессивной водной среды. Многие крупнейшие гидроэлектростанции возведены с применением шлакопортландцемента.

Не рекомендуется применять шлакопортландцемент в конструкциях и сооружениях, подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию, увлажнению и высыханию.

4. Сульфатостойкий шлакопортландцемент

оглавление | предыдущий пункт

В отличие от шлакопортландцемента сульфатостойкий шлакопортландцемент готовят из клинкера нормированного состава (C₃A≤8 %, Al₂O₃≤5 %, MgO≤5 %) и с содержанием доменного шлака от 40 до 60 %. Замена части шлака пуццоланой, также как и в случае шлакопортландцемента, допускается в количестве не более 10 %.

Сульфатостойкий шлакопортландцемент согласно ГОСТ 22266-94 имеет две марки: 300 и 400. Он применяется в основном для подземных и подводных частей бетонных и железобетонных конструкций, подвергающихся воздействию сульфатных и пресных вод.

Глиноземистый цемент представляет собой быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, являющееся продуктом тонкого измельчения обожженной до плавления или спекания сырьевой смеси, составленной из бокситов и известняков и рассчитанной на преобладание в готовом продукте иизкоосновных алюминатов кальция.

1. Химический состав глиноземистого цемента

оглавление | следующий пункт

В настоящее время глиноземистые цементы получают во многих странах разными методами и из различного сырья, вследствие чего химический состав их колеблется в очень широких пределах: Al₂O₃ – 35-80 %, CaO – 16-42 %, SiO₂ – 0,05-16 % Fe₂O₃ – 0,1-18 %. В качестве случайных примесей могут присутствовать окиси магния, натрия, калия, двуокись титана и серный ангидрид. В зависимости от содержания Al₂O₃ глиноземистые цементы по ГОСТ 969-91 подразделяются на две группы:

1. Обычный глиноземистый (ГЦ) с содержанием Al₂O₃ не менее 35 %.
2. Высокоглиноземистые (ВГЦ), в которых содержание Al₂O₃ должно быть не менее: для вида ВГЦ I – 60, ВГЦ II – 70 и ВГЦ III – 80 %.

2. Минералогический состав глиноземистого цемента

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Составы глиноземистых цементов располагаются большей частью в поле кристаллизации однокальцневого алюмината. Однако, помимо СА, в глиноземистых цементах часто присутствуют в значительных количествах С₂АS, С₅А₃, С₃А₅, СА₂, С₂S и т. д.

Однокальциевый алюминат СаО ·Al₂O₃ является главной составной частью глиноземистых цементов, однако он редко наблюдается в чистом виде. Как правило, СА образует твердые растворы с однокальциевым ферритом (до 15 %), окисью железа (до 10 %) и другими соединениями.

Однокальциевый алюминат имеет высокую гидратационную активность.

3. Сырьевые материалы для производства глиноземистого цемента

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Сырьем для производства глиноземистого цемента служат бокситы и известняки.

Бокситами называются горные породы, состоящие в основном из гидратов окиси алюминия и содержащие и качестве примесей глинистые вещества, кварцсодержащие породы, гидроокиси железа и т. д. В качестве примесей наблюдаются карбонаты кальция и магния, гипс, лимонит, соединения марганца, фосфора, хрома, натрия, калия и других элементов.

К известняку, применяемому для производства глиноземистого цемента, не предъявляется каких-либо особых требовании, кроме ограничения содержания SiO₂ до 1,5 % и МgО — до 2 %.

4. Способы производства глиноземистого цемента

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Глиноземистый цемент получается двумя способами: плавлением или спеканием соответствующих сырьевых смесей. Выбор того или другого способа производства зависит в основном от химического состава боксита и типа применяемого теплового агрегата. Производство глиноземистого цемента способом плавления получило более широкое распространение, чем производство его по способу спекания. В России глиноземистый цемент производится путем бокситной плавки чугуна в доменной печи.

При получении глиноземистого клинкера и чугуна в доменной печи сырьевая смесь составляется из железистого боксита, известняка, металлического лома и кокса. Шлак и чугун образуют в печи два слоя и удаляются из нее периодически. Температура удаляемого шлака составляет 1600-1700 °С. Количество выходящего из доменной печи чугуна примерно равно количеству получающегося цемента.

Плавленый глиноземистый цемент можно получать и в обычных вращающихся печах.

Способ спекания не получил широкого распространения из-за повышенных требований к сырью и ряда технологических трудностей.

5. Процессы при обжиге сырьевых смесей глиноземистого цемента

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

В процессе нагревания из сырьевой смеси удаляется вода, а при температуре примерно 900 °С начинается разложение СаСО₃ и реакция между СаО и Al₂O₃ с образованием в качестве первичной фазы однокальциевого алюмината СаО·Al₂O₃. При температурах 1000-1100 °С образуется СА₂, а выше 1200 °С— С₅А₃ и С₃А. Ферриты кальция образуются при температурах 900-1200 °С, а алюмоферриты кальция— при температурах выше 1200 °С.

6. Помол глиноземистого клинкера

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Плавленый глиноземистый клинкер отличается высокой твердостью (7,0—7,5 по шкале Мооса), вследствие чего измельчение его сопровождается более высоким расходом электроэнергии, чем при помоле портландцемента. Дробление и помол клинкера осуществляются в тех же агрегатах, что и при производстве портландцемента.

7. Гидратация и твердение глиноземистого цемента

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

При твердении глиноземистого цемента наиболее важное значение имеют процессы гидратации алюминатов кальция и тип образующихся кристаллогидратов.

Однокальциевый алюминат в процессе гидратации образует пересыщенный раствор с молекулярным отношением СаО : Al₂O₃ близким к единице, из которого выкристаллизовывается в виде мелких пластинчатых кристалликов гидроалюминат кальция состава СаО·Al₂O₃·10Н₂О. С течением времени выделившаяся твердая фаза перекристаллизовывается с образованием пластинчатых кристаллов С₂АН₈ и геля гидрата окиси алюминия. Одновременно увеличивается отношение СаО к Al₂O₃ в растворе до 2-4 и из него кристаллизуются С₂АН₈ и С₄АН₁₂, а также С₃АН₁₂, являющийся твердым раствором двух- и четырехосновного гидроалюминатов кальция. Однокальциевый алюминат схватывается медленно, но твердеет очень быстро.

8. Строительно технические свойства глиноземистого цемента

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Плотность глиноземистого цемента равна 2,8-3,2 г/см³.

Нормальная густота глиноземистого цемента несколько выше, чем у портландцемента, и составляет 23-28 %. Глиноземистый цемент связывает при твердении больше воды, чем портландцемент. В условиях неполной гидратации, которая обычно имеет место на практике, количество связанной воды составляет около 50 %.

Сроки схватывания. По ГОСТ 969-91 начало схватывания глиноземистого цемента должно наступать не ранее 45 мин, а конец — не позднее 10 ч после затворения его водой. Начало схватывания высокоглиноземистого цемента должно наступать не ранее 30 мин, а конец — не позднее 12 ч (ВГЦ I) и 15 ч (ВГЦ II и ВГЦ III).

Прочность. Отличительным свойством глиноземистого цемента является очень быстрое нарастание прочности при его твердении. Уже к суточному возрасту прочность изделий из глиноземистого цемента составляет 50—90 % от марочной. Согласно стандарту глиноземистый цемент выпускается трех марок: 40, 50 и 60. Марка показывает нижний предел прочности при сжатии в МПа при стандартном испытании в возрасте 3 суток. Марки высокоглиноземистого цемента следующие: ВГЦ I – 35; ВГЦ II – 25 и 35; ВГЦ III – 25.

Объемные деформации при твердении. В возрасте до 1 суток камень глиноземистого цемента уменьшается в объеме, а в последующие сроки наблюдается некоторое его разбухание, величина которого не превышает происшедшей усадки, и в результате имеет место общее уменьшение объема. При последующем твердении изделия на глиноземистом цементе, также как и в случае портландцемента, при хранении в воде набухают, а на воздухе дают усадку.

Стойкость в агрессивных средах. Несмотря на присутствие в преобладающем количестве гидроалюминатов кальция, затвердевший глиноземистый цемент обладает более высокой, чем портландцемент и другие вяжущие вещества, сульфатостойкостью, причиной чего считают образование на кристаллах гидроалюминатов кальция защитной пленки из А1(ОН)₃, которая не позволяет им вступать в реакцию с сульфатами. Благодаря повышенной плотности и водонепроницаемости бетона на глиноземистом цементе, отсутствию в составе цементного камня свободной гидроокиси кальция и незначительной растворимости в воде гидроалюминатов кальция глиноземистый цемент отличается высокой стойкостью и в других агрессивных средах, уступая, однако, портландцементу по стойкости в отношении щелочей и концентрированных минеральных кислот. Находящиеся в воде щелочные соединения (карбонаты, гидроокиси) вступают во взаимодействие с гидратом окиси алюминия и гидроалюминатами кальция, образуя хорошо растворимые в воде щелочные алюминаты

K₂CO₃ + CaO·Al₂O₃·n Н₂О → K₂O·Al₂O₃·mН₂О + CaCO₃ + (n-m)Н₂О.

Постепенно защитные пленки па кристаллах гидроалюминатов кальция разрушаются, и цементный камень подвергается одновременному воздействию различных видов коррозии. Поэтому важно не только предохранять бетоны и растворы на глиноземистом цементе от воздействия щелочных вод, но и избегать использования заполнителей, содержащих растворимые в воде щелочные соединения.

Тепловыделение. Глиноземистый цемент характеризуется значительным тепловыделе-нием при твердении, причем теплота выделяется с высокой скоростью (за одни сутки выделяется 70-80 % общего количества теплоты), что приводит к сильному разогреву бетона. Это свойство препятствует использованию глиноземистого цемента для бетона массивных сооружений.

Морозостойкость. Глиноземистый цемент в отношении морозостойкости превосходит портландцемент. Бетоны на глиноземистом цементе отличаются высокой морозостойкостью.

Жаростойкость. Бетоны на глиноземистом и особенно высокоглиноземистом цементах характеризуются высокой жаростойкостью. Огнеупорность высокоглиноземистого цемента, согласно ГОСТ 969-91, должна быть не менее, ^оС: ВГЦ I – 1580; ВГЦ II – 1670; ВГЦ III – 1750.

9. Смешанные вяжущие на основе глиноземистого цемента

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Имеется целый ряд вяжущих веществ, в состав которых входит глиноземистый цемент. Это шлако-глиноземистый, песчано-глиноземистый, ангидрито-глиноземистый и расширяющиеся цементы. Смешанные цементы или характеризуются невысокой стоимостью, вследствие использования песка и шлака, или обладают важными специфическими свойствами, как ангидрито-глиноземистый и расширяющиеся цементы.

10. Применение глиноземистого цемента

оглавление | предыдущий пункт

Глиноземистый цемент стоит в 3-4 раза дороже портландцемента, поэтому применяется он лишь в тех случаях, когда экономически выгодно использовать его специфические свойства.

Быстрое твердение и высокая прочность делают глиноземистый цемент ценным материалом при проведении различных восстановительных работ: при ликвидации прорывов плотин, труб, для ремонта дорог и мостов, при срочном возведении фундаментов и т. п.

Повышенная химическая стойкость позволяет применять глиноземистый цемент для тампонирования нефтяных и газовых скважин. Широкое применение получил он на предприятиях пищевой промышленности (сахарной, консервной и т. п.), на бумажных и фотофабриках, на травильных и красильных предприятиях для изготовления реакционных чанов и вытяжек, для футеровки шахтных колодцев, туннелей и во многих других отраслях народного хозяйства.

На основе глиноземистого цемента производится огнеупорный бетон. Применяется он при зимнем бетонировании и для торкретирования.

Цементный камень, приготовленный на основе практически всех гидравлических вяжущих веществ, испытывает усадочные деформации. Это может приводить к появлению усадочных тре-щин в местах стыковки элементов конструкции. Надежное уплотнение стыков может быть осуще-ствлено лишь безусадочными или расширяющимися цементами. В настоящее время известно нес-колько видов расширяющихся цементов: 1) на основе глиноземистого цемента: гипсоглиноземис-тый цемент; 2) на основе портландцемента: обычный расширяющийся портландцемент и напрягающий цемент.

В большинстве случаев основной причиной увеличения объема цементного камня является образование расширяющегося соединения – гидросульфоалюмината кальция. Процесс расширения может различаться по скорости. Если скорость роста кристаллов сульфоалюмината кальция достигает максимума в тот период, когда структура цементного камня обладает уже заметной жесткостью, то кристаллы сульфоалюмината кальция приходят в соприкосновение с элементами жесткого каркаса камня и расширяют его. Если же кристаллы сульфоалюмината кальция завершают свой рост в еще пластичном, слабо структурированном тесте, то они лишь сжимают гелеобразную массу, уплотняя ее, без расширения системы в целом. Для различных видов расширяющихся цементов период наиболее интенсивного и безопасного расширения цементного камня, приготовленного на их основе, равен 1-7 суток.

1. Гипсоглиноземистый цемент

оглавление | следующий пункт

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент является быстротвердеющим гидравлическим вяжущим, получаемым путем совместного помола или смешения высокоглиноземистого шлака и природного двуводного гипса.

Содержание гипса в смеси составляет примерно 30 %. Необходимым условием проявления эффекта расширения у образцов из гипсоглиноземистого цемента является хранение их в воде. При твердении в воздушных условиях развиваются усадочные деформации. Расширение заканчивается в первые 1-3 сутки твердения. Относительная величина линейного расширения через трое суток лежит в пределах 0,1-0,7 %. Гипсоглиноземистый цемент предназначен для получения безусадочных и расширяющихся водонепроницаемых растворов, бетонов и штукатурок, для гидроизоляции подвалов, шахт, уплотнения швов и т. п.

2. Расширяющийся портландцемент

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Расширяющийся портландцемент является гидравлическим вяжущим веществом, получаемым путем совместного помола портландцементного клинкера, высокоглиноземистого шлака, гипса и активной гидравлической добавки. Содержание отдельных компонентов в смеси должно находиться в следующих пределах: портландцемент — 60-65 %, глиноземистый шлак —5-7 %, двуводный гипс — 7-10 %, гидравлическая добавка — 20-25 %. Портландцемент должен содержать не менее 7 % алюминатов кальция и более 45 % C₃S. В качестве добавок используется трепел, бентонит, опока и другие вещества. Назначение гидравлической добавки в цементе – поглощать окись кальция, выделяющуюся при гидратации C₃S, и обеспечивать высокую скорость растворения алюминатов кальция и образования гидросульфоалюмината кальция.

Расширяющийся портландцемент предназначен для получения безусадочных и расширяющихся водонепроницаемых растворов и бетонов, для заделки швов, изготовления железобетонных деталей и конструкций и ряда других целей.

3. Напрягающий цемент

оглавление | предыдущий пункт

Напрягающий цемент предназначен для изготовления специальных железобетонных изделий, арматура которых напряжена в нескольких направлениях. Силы, вызывающие напряжение арматуры, возникают при расширении цементного камня. Это явление получило название самонапряжения, а железобетон — название самонапряженного. Осуществление подобного трехосного напряжения арматуры механическим путем связано с большими трудностями.

Напрягающий цемент представляет собою тонкомолотую смесь, состоящую из 65 % портландцементного клинкера, 20 % шлака глиноземистого цемента и 15 % гипса. Причиной расширения считается образование трехсульфатной формы гидросульфоалюмината кальция. Величина давления, развиваемого образцами из напрягающего цемента при твердении, достигает 9-10 МПа. Изделия характеризуются высокой водонепроницаемостью.