Портал о строительстве и ремонтных работах

Архивы за Сентябрь 2015

Многие вяжущие вещества при твердении дают усадку. Этого можно избежать применением расширяющихся цементов, кото­рых насчитывается более 50 разновидностей. В большинстве случа­ев расширение при твердении цементного камня связано с обра­зованием гидросульфоалюмината кальция (ГСАК), объем которого значительно превышает объем исходных твердых продуктов реакции. Образование ГСАК происходит в системе, содержащей алюминаты кальция (соединения с общей формулой «СаО • /иАЬ03) и CaS04 в присутствии воды. Такие вещества содержатся, в частности, в портландцементе. При гидратации портландцемента ГСАК обра­зуется по реакции:

ЗСаО • А1203 • 6Н20 + 3(CaS04- 2Н20) + 19Н20 — э
-> ЗСаО • А1203 • 3CaS04 ■ 31Н20

Количества ГСАК в обычном ПЦ недостаточно для расшире­ния. Чтобы его получить, нужно к ПЦ добавить расширяющую добавку, включающую в себя недостающие компоненты (кальци­евый — СаО, алюминатный — А1203 и сульфатный — CaS04) в нужном количестве и соотношении. Расширяющую добавку полу­чают различными способами. В качестве вещества, содержащего CaS04, обычно берут природный гипс, ангидрит или побочные продукты некоторых производств. Алюминаты кальция входят в состав глиноземистого цемента или его клинкера (глиноземисто­го шлака). Их получают также путем плавления или спекания бок­сита и мела.

Путем обжига смеси из трех составляющих (боксита, мела и гипса) получают продукт, состоящий из сульфоалюмината каль­ция (ЗСаО • ЗА1203 • CaS04). На его основе можно создавать как рас­ширяющую добавку, так и расширяющийся цемент.

Большинство расширяющихся цементов производятся на базе портландцемента и глиноземистого цемента путем введения до­бавок, которые либо размалываются отдельно и перемешиваются с готовым цементом, либо размалываются совместно с клинке­ром. Реже добавки вводятся в сырьевую смесь с целью получения клинкера расширяющегося цемента.

В зависимости от степени расширения цементы подразделяются на безусадочные, расширяющиеся и напрягающие. Последние обла­дают самой большой энергией расширения и способны натягивать арматуру для создания предварительного напряжения в бетоне.

Гипсоглиноземистый цемент (ГГЦ) является быстротвердеющим гидравлическим вяжущим, получаемым путем совместного помо­ла или смешения высокоглиноземистого шлака (70 %) и природ­ного двуводного гипса (30 %). Расширение образцов из ГГЦ на­блюдается при твердении в воде. В воздушных условиях происхо­дит усадка. Расширение заканчивается через 1…3 сут твердения. Относительное удлинение через 3 сут составляет 0…0,7 %.

Расширяющийся портландцемент (РЦ) получают путем совмест­ного помола портландцементного клинкера (60…65%), высоко­глиноземистого шлака (5…7%), двуводного гипса (7… 10%) и активной минеральной добавки (20… 25 %). Гидравлическая добавка связывает Са(ОН)2, выделяющийся при гидратации C3S, и уско­ряет растворение алюминатов кальция и образование ГСАК.

Напрягающий цемент (НЦ) 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 по­лучил название самонапряженного. Напрягающий цемент пред­ставляет собою тонкомолотую смесь, состоящую из 65 % порт­ландцементного клинкера, 20 % глиноземистого шлака и 15 % гипса. Давление, развиваемое образцами из напрягающего цемента при твердении, достигает 9… 10 МПа.

Глиноземистые цементы — это сверхбыстротвердеющие гидрав­лические вяжущие вещества, являющиеся продуктами помола обожженной до плавления или спекания сырьевой смеси, состав­ленной из бокситов (А1203- яН20) и известняков (СаС03). В зави­симости от содержания А1203 глиноземистые цементы подразде­ляются на глиноземистый цемент (ГЦ) с содержанием А1203 не менее 35 % и высокоглиноземистые цементы (ВГЦ) с содержа­нием А1203 не менее: для вида ВГЦ I — 60, ВГЦ II — 70 и ВГЦ III — 80%.

Получение ГЦ. Получение ГЦ возможно либо плавлением, либо спеканием сырьевых смесей. В России ГЦ производят в основном 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 раздельно. Температура удаляемого шлака составляет 1 600… 1 700 °С.

Количество выходящего из доменной печи чугуна примерно рав­но количеству получающегося цемента. Помол глиноземистого клин­кера сопровождается высоким расходом электроэнергии из-за высокой твердости (7…7,5 по шкале Мооса).

Минералогический состав ГЦ. Минералогический состав ГЦ характеризуется преобладанием низкоосновных алюминатов каль­ция, главным образом, однокальциевого алюмината СаО • А1203 (СА). Однако часто присутствуют C2AS, С5А3, С3А5, СА2, C2S.

Твердение. Однокальциевый алюминат схватывается медленно, но твердеет очень быстро. В процессе гидратации СА из пересы­щенного раствора выкристаллизовывается гидроалюминат каль­ция Са0А1203- 10Н2О, с течением времени переходящий в пла­стинчатые кристаллы С2АН8 и гель А1(ОН)3. Одновременно из ра­створа кристаллизуются С2АН8, С4АН12, С3АН]2.

Свойства ГЦ. Плотность (2,8…3,2 г/см3), водопотребность (23…28 %) и сроки схватывания ГЦ имеют близкие к ПЦ значе­ния. Отличительной особенностью ГЦ и ВГЦ является очень быс­трое нарастание прочности при твердении. Уже к суточному воз­расту прочность изделий из ГЦ составляет 50…90 % от марочной. ГЦ выпускается трех марок: 40, 50 и 60, а ВГЦ — двух марок: 25 и 35. Марка показывает нижний предел прочности при сжатии, МПа, при стандартном испытании в возрасте 3 сут. Стойкость ГЦ в суль­фатных и пресных водах выше, чем ПЦ и других вяжущих ве­ществ, причиной чего считают образование на кристаллах гидро­алюминатов кальция защитной пленки из А1(ОН)3 и отсутствие в цементном камне Са(ОН)2. ГЦ характеризуется значительным теп­ловыделением при твердении, причем теплота выделяется с вы­сокой скоростью, что препятствует использованию глиноземис­того цемента для бетона массивных сооружений. Бетоны на ГЦ имеют высокую морозо — и жаростойкость.

Применение ГЦ. Применение ГЦ ограничивается его стоимос­тью, которая в 3 — 4 раза выше, чем ПЦ. Он применяется в тех случаях, когда необходимы его специфические свойства, напри­мер при проведении аварийных и срочных работ, для тампониро­вания нефтяных и газовых скважин, получения огнеупорного бе­тона. Используется ГЦ также в составе смешанных вяжущих ве­ществ.

Активные минеральные (гидравлические) добавки — это тонко­дисперсные минеральные вещества, которые при затворении во­дой самостоятельно не твердеют, но, будучи добавленными к воз­душной извести, придают ей способность твердеть в воде. Эта спо­собность основана на том, что содержащиеся в активных мине­ральных добавках кремнезем (Si02) и глинозем (А1203) 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 вулканического (вулканические пеплы, туфы, трассы), так и осадочного (диатомит, трепел, опока, глиежи) происхождения. К искусственным относятся доменные и электротермофосфорные гранулированные шлаки, нефелиновый шлам, искусственно обо — жженые глинистые материалы, зола-унос. Среди этих веществ наи­большее значение имеют пуццоланы — быстро охлажденные веще­ства вулканического происхождения, содержащие Si02 и А1203 в аморфной форме и имеющие высокую активность, и доменный гранулированный шлак, получаемый в качестве побочного про­дукта при выплавке чугуна.

Основными составляющими шлака являются CaO, Si02 А1203 и MgO. Расплавленный шлак, выливаемый из домны, разбивают на гранулы (гранулируют), в результате чего облегчается его даль­нейшая переработка. Грануляция имеет и другую цель — за счет быстрого охлаждения получить стекловидную структуру шлака и тем самым повысить его гидравлическую активность.

Пуццолановый портландцемент (ППЦ) относится к сульфато­стойким видам цемента. Его получают путем совместного помола портландцементного клинкера нормированного состава (С3А < 8 %, А1203< 5%, MgO < 5 %) и 20…40% пуццоланы. При помоле до­бавляют гипс для регулирования сроков схватывания. При тверде­нии ППЦ вначале образуются те же продукты, что и при гидрата­ции ПЦ. Вслед за этим аморфный кремнезем пуццоланы, реаги­руя с образовавшимися Са(ОН)2 и ЗСаО ■ А1203 • 6Н20, переводит их в малорастворимые низкоосновные гидросиликаты и гидро­алюминаты кальция (реакции пуццоланизации):

Са(ОН)2 + Si02 + Н20 = СаО • Si02 • Н20

ЗСаО • А1203 • 6Н20 + Si02 = «СаО • А1203 • хН20 +

+ тСаО • Si02 • уН20

Поскольку в составе продуктов гидратации ППЦ отсутствуют растворимый Са(ОН)2 и высокоактивный С3АН6, он более стоек, чем ПЦ, к выщелачиванию и сульфатной коррозии. По сравне­нию с ПЦ он медленнее твердеет, выделяет меньше теплоты и имеет меньшую прочность, характеризуемую марками 300 и 400, что объясняется замещением части клинкера менее активной пуццоланой. ППЦ имеет высокую водопотребность — 30…40% (ПЦ — только 24…28%). Морозостойкость и воздухостойкость бетонов на ППЦ низка, однако водонепроницаемость их выше, чем бетонов на ПЦ, так как гидравлическая добавка под влиянием известковой воды сильно набухает. ППЦ дешевле, чем ПЦ, и его выгодно применять в подводных и подземных частях конструкций, во внутренних зонах бетона гидротехнических сооружений. Вслед­ствие пониженной морозо — и воздухостойкости его не используют в атмосферных условиях и в зоне переменного уровня воды.

Шлакопортландцемент (ШПЦ) получают путем совместного помола портландцементного клинкера и гранулированного домен­ного шлака (от 20 до 80 %) с добавлением гипса. Допускается за­мена части шлака (до 10% от массы цемента) пуццоланой. При гидратации клинкерной части ШПЦ образуются те же кристалло­гидраты, что и при твердении ПЦ. Под воздействием насыщенно­го раствора извести стекловидная фаза доменного шлака активи­зируется и вступает в процессы гидратации и гидролиза с образо­ванием гидроалюминатов и гидросиликатов кальция. В ШПЦ гипс не только замедляет схватывание, но и выступает в начальный период наряду с Са(ОН)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 ШПЦ обра­зуются гидросиликаты меньшей основности, чем при твердении ПЦ.

Преимущества ШПЦ перед ПЦ заключаются, во-первых, в более высокой водостойкости в пресных и сульфатных водах, что обусловлено низким содержанием в цементном камне Са(ОН)2 и меньшей основностью силикатов; во-вторых, в более низкой (на 30…40%) стоимости. Тепловыделение ШПЦ меньше тепловыде­ления ПЦ, что для массивных конструкций является крайне же­лательным. Высокая адгезия к стальной арматуре и способность при пропаривании набирать прочность быстрее ПЦ позволяют при­менять шлакопортландцемент на заводах железобетонных изде­лий. К недостаткам ШПЦ можно отнести пониженную по сравне­нию с ПЦ активность, в результате чего бетоны на этом цементе твердеют медленнее и имеют более низкие характеристики проч­ности, морозостойкости, водонепроницаемости. Марки ШПЦ по прочности: 300, 400, 500. По прочности и морозостойкости ШПЦ превосходит ППЦ, но уступает ему по водонепроницаемости. Во — допотребность ШПЦ (20…25 %) немного меньше, чем у порт­ландцемента.

ШПЦ используют в массивных наземных, подземных и под­водных сооружениях, в частности, при воздействии агрессив­ной среды; для изготовления бетонных и железобетонных изде­лий; в составе кладочных и штукатурных растворов. Не реко­мендуется применять ШПЦ в конструкциях, подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию, увлажнению и высыханию.

Сульфатостойкий шлакопортландцемент в отличие от ШПЦ го­товят из клинкера нормированного состава (С3А < 8 %, А1203< 5 %, MgO < 5%) и с содержанием доменного шлака от 40 до 60%. Сульфатостойкий шлакопортландцемент 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.

Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) является алито-алю — минатным цементом с повышенным содержанием C3S и С3А (в сумме 60…65%) и более тонким по сравнению с ПЦ помолом клинкера (УуД = 3 500…4 500 см2/г).

Скорость твердения БТЦ возрастает со скоростью охлаждения клинкера. При быстром охлаждении от температуры 1 250… 1 300 °С отдельные фазы клинкера остаются в аморфной форме, сохраняя высокую активность. При помоле БТЦ добавляют активные мине­ральные добавки (не более 20 % от массы цемента), которые обес­печивают равномерный рост прочности (без сбросов). В отличие от ПЦ прочность БТЦ нормируется в возрасте 3 и 28 сут. В возра­сте 3 сут БТЦ должен иметь не менее половины (обычно 60… 70 %) марочной (28-суточной) прочности. Стандарт предусматривает две марки БТЦ: 400 и 500. БТЦ предназначен для изготовления сбор­ных железобетонных конструкций и изделий на заводах и полиго­нах, а также для скоростного строительства.

Сульфатостойкий портландцемент изготавливают из клинкера нормированного состава, содержащего: C3S — не более 50 %; С3А — не более 5 %; (С3А + C4AF) — не более 22 %. Минеральные добав­ки не допускаются, так как они снижают морозостойкость бетона. Для этого цемента характерны пониженное тепловыделение и за­медленное твердение в начальные сроки. Сульфатостойкий порт­ландцемент выпускается одной марки — 400. Он 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.

Пластифицированный портландцемент получают введением при помоле клинкера пластифицирующей поверхностно-активной добавки в количестве 0,15…0,30% от массы цемента. В качестве таких добавок часто применяют технические лигносульфонаты. До­бавка облегчает помол клинкера и придает растворным и бетон­ным смесям повышенную подвижность. Пластифицирующий эф­фект позволяет либо сократить расход цемента (при водоцемент­ном отношении В/Ц = const), либо повысить прочность, морозо­стойкость и водонепроницаемость бетона, уменьшив В/Ц.

Гидрофобный портландцемент получают при добавлении к це­менту в процессе помола клинкера и гипса гидрофобизующих добавок (асидола, мылонафта, олеиновой кислоты, кубовых ос­татков синтетических жирных кислот и др.) в количестве 0,06…0,30% от массы цемента.

Гидрофобизующие добавки образуют на зернах цемента тон­чайшие адсорбционные слои, обладающие водоотталкивающими свойствами и понижающие способность цемента смачиваться во­дой. Поэтому гидрофобные цементы не снижают своей активнос­ти в течение одного-двух лет хранения на воздухе, в то время как обычные цементы уже через 1…3 мес теряют до 30% и более начальной прочности.

В начале процесса твердения вода проникает к зерну цемента путем диффузии через адсорбционные пленки, при этом не­сколько замедляется рост прочности. По мере гидратации и уве­личения в объеме новообразований гидрофобные слои разры­ваются и твердение протекает нормально. Благодаря воздухо­вовлекающей способности этих добавок пористость бетона уве­личивается на 3… 5 % по объему, что несколько понижает проч­ность, но из-за снижения доли открытых пор уменьшается во — допоглощение, повышается водонепроницаемость и морозостой­кость бетона. Гидрофобизующие добавки облегчают процесс помола, предотвращают слипание частиц цемента и налипание их на мелющие тела.

Белый портландцемент бывает двух видов: с активными мине­ральными добавками (до 20 %) и без добавок. Этот цемент полу­чают из сырья с малым содержанием красящих оксидов (FeO, МпО и др.). Используют чистый известняк или мел и белую глину — каолин. Клинкер белого цемента состоит из алита, белита и алю­минатов кальция при почти полном отсутствии алюмоферритной фазы. Чтобы исключить загрязнение цемента железом и его окси­дами при помоле, мельницы футеруют фарфоровыми или крем­невыми плитами. Применяют мелющие тела из фарфора или вы­сокоглиноземистого материала — уралита. Обжиг клинкера про­изводят на беззольном топливе — мазуте или газе. Клинкер под­вергают так называемому отбеливанию — резкому охлаждению от 1 250… 1 350 до 500…600°С, в результате которого белит теряет способность растворять оксидами железа. Марки белого портланд­цемента: 400 и 500. По белизне белый портландцемент подразде­ляется на три сорта.

Цветные портландцементы получают двумя способами:

1) совместным помолом белого клинкера с минеральными красителями (охрой, железным суриком, марганцевой рудой, уль­трамарином и др.);

2) путем введения в безжелезистую сырьевую смесь красящих пигментов (оксидов хрома, марганца, кобальта, никеля и др.). Ок­рашенные клинкеры дают редкие и насыщенные цвета, недоступ­ные при первом способе. Марки цветного портландцемента: 300, 400 и 500.

Получение портландцемента. Сырьевая смесь для получения порт­ландцемента (ПЦ) состоит чаще всего из известняка (75…78 %), содержащего СаС03, и глины (22…25%). Глина дает при разло­жении нужного количества кислотных оксидов Si02, А1203 и Fe203, которые должны связать всю свободную известь (СаО), образую­щуюся при разложении СаСОэ, в труднорастворимые соедине­ния: ЗСаО ■ Si02; 2СаО • Si02; ЗСаО ■ А1203; 4СаО • А1203 • Fe203.

Приготовление сырьевой смеси, выполняется мокрым (с до­бавлением воды при смешении и измельчении сырьевых компо­нентов) или сухим способом с получением либо жидкого про­дукта (шлама), либо сухой сырьевой муки.

Химический состав сырья и получаемого из него клинкера ха­рактеризуют содержанием оксидов в процентах. Необходимыми оксидами являются оксид кальция СаО (63… 66 %), кремнезем Si02 (21… 24 %), глинозем А1203 (4… 8 %) и оксид железа Fe203 (2… 4 %). Другие оксиды нежелательны. Их содержание ограничивается сле­дующими пределами: MgO < 5 %; S03 = 1,5…3,5 %; (Na20 + K20) < < 0,6 %. Превышение указанных пределов может привести к уве­личению объема цементного камня при твердении. Это также про­исходит, если часть СаО остается несвязанной.

Обжиг проводят исключительно во вращающихся печах, кото­рые позволяют обжигать как жидкую смесь (шлам), так и сырье­вую муку. При обжиге происходит диссоциация углекислого каль­ция (СаС03 = СаО + С02) и разложение минералов глины на кислотные оксиды Si02, А1203 и Fe203, вступающие во взаимо­действие с основным оксидом СаО. Этот процесс завершается в зоне наиболее высокого нагрева (1 450 °С), где происходит спека­ние материала, т. е. превращение его из порошкообразного в кам­неподобное состояние в результате застывания расплава, кото­рый образуется в небольшом количестве (20…30%). Продукт об­жига, выходящий из печи, представляет собой очень твердые ока­танные гранулы, называемые клинкером. Клинкер охлаждают до температуры 50… 150 °С и подвергают помолу в шаровых мельни­цах, однако не сразу, а через 3…4 дня, что повышает качество цемента.

Помол клинкера производится в основном в шаровых мельни­цах. При помоле добавляют до 5 % природного гипса для увеличе­ния сроков схватывания. Без добавки гипса портландцемент схва­тывается практически мгновенно. Допускается введение при по­моле до 20 % по массе активных минеральных добавок. Содержа­ние добавки указывается обозначением ДО, Д5 и Д20 после обо­значения марки цемента, например: ПЦ 400-Д20.

Процессы, происходящие при твердении портландцемента. Ми­нералогический состав портландцементного клинкера (табл. 8.5) представлен четырьмя индивидуальными веществами (минерала­ми), условно названными алитом, белитом, алюминатом и цели — том. По химическому составу они близки соответственно к трех­кальциевому силикату, двухкальциевому силикату, трехкальцие­вому алюминату, четырехкальциевому алюмоферриту и в целях упрощения отождествляются с ними (табл. 8.5).

Химические процессы при твердении портландцемента для ми­нералов C2S и С3А заключаются в присоединении воды; для C3S и C4AF — в гидролизе — разложении химического соединения и присоединении воды к продуктам разложения.

Физические процессы при твердении портландцемента и других В В заключаются в превращении дисперсной смеси порошка вяжу­щего с водой в сплошное камневидное тело.

Французский ученый Ле Шателье в 1887 г. предложил теорию твердения вяжущих веществ, в соответствии с которой процесс твердения объясняется разницей в растворимости исходного вя­жущего вещества и продуктов его гидратации. Теорию Ле Шателье можно свести к трем основным положениям.

1. Исходное вещество, всегда более растворимое, образует на­сыщенный раствор, который является пересыщенным по отно­шению к менее растворимому конечному продукту. Последний в растворе находиться не может, но он в этом растворе образуется в результате реакции гидратации, а значит, должен сразу же выпа­дать в осадок.

2. Осадок образуется в виде кристаллов, распределенных по все­му объему системы и связанных в кристаллический сросток, чем и объясняются высокие механические свойства затвердевшей массы.

3. Растворение исходного вещества и выделение из раствора новообразований является взаимообусловленным и происходит одновременно в течение всего процесса твердения.

Теория Ле Шателье объясняет процесс твердения строитель­ного гипса (см. подразд. 8.2), однако ее нельзя применить к порт­ландцементу, так как в продуктах его гидратации практически не обнаруживается кристаллических образований, а в основном только аморфная масса.

В 1893 г. немецкий ученый Михаэлис, высказал теорию, со­гласно которой продукты гидратации образуются не в кристалли­ческой форме, а в виде микроскопических (коллоидных) частиц, которые, заполняя пространство между зернами цемента, сбли­жаются и удерживают воду в узких промежутках между собой. Свя­занная таким образом вода, в свою очередь, прочно удерживает частицы на очень близком расстоянии друг от друга, образуя в совокупности с ними единую систему, называемую гелем. Обра­зующийся гель, обладая поначалу высокими пластическими свой­ствами, постепенно теряет воду в результате продолжающейся гидратации, связывания новыми коллоидами и испарения. Про­исходит сближение частиц и их срастание за счет медленной кри­сталлизации растворимых (даже незначительно) соединений, в результате чего цементный камень приобретает высокую механи­ческую прочность. Однако теория Михаэлиса, объясняющая про­цесс твердения портландцемента, не применима к строительно­му гипсу, в затвердевшем камне которого имеются только крис­таллические образования и совершенно нет коллоидного веще­ства.

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.

А. А. Байков отметил, что растворимость вещества увеличива­ется с уменьшением размера частиц, а следовательно, коллоид­ные частицы могут растворяться, образуя по отношению к зер­нам кристаллов (частицам огромным по сравнению с коллоида­ми) пересыщенный раствор, в котором последние растворяться не могут, а могут только из него выделяться. Таким образом, про­цесс коллоидации, по А. А. Байкову, имеет место всегда, только в случае гипса образующиеся коллоиды сравнительно легко раство­ряются в воде, и поэтому гипсовый гель переходит в кристалли­ческое состояние, в случае же портландцемента получается гель, практически не растворимый в воде, и кристаллизации не проис­ходит.

Свойства портландцемента. Плотность портландцемента состав­ляет 3,05…3,20 г/см3. Тонкость помола характеризуется удельной поверхностью 2500…3 000 см2/г и остатком на сите № 008, не превышающим 15 % от массы пробы. Водопотребность составляет 24… 28 %. Начало схватывания должно наступать не ранее чем че­рез 45 мин, а конец схватывания — не позднее чем через 10 ч с начала затворения. Схватывание ускоряется при повышении тон­кости помола цемента и содержания в нем С3А. Прочность (актив­ность[3]) портландцемента оценивают испытанием стандартных образцов-балочек размерами 4x4x16 см в возрасте 28 сут.

Активность портландцемента составляет обычно от 40 до 60 МПа и более. В соответствии с этим отечественные заводы выпускают портландцемент марок 400, 500, 550 и 600.

Скорость твердения портландцемента возрастает с повышени­ем тонкости помола и температуры. По значению теплового эф­фекта при гидратации можно судить о химической активности клинкерных минералов и об их влиянии на скорость твердения (см. табл. 8.5).

Алито-алюминатные цементы (с повышенным содержанием C3S и С3А) дают быстрое увеличение прочности в первые сроки твердения (до 7 дней) и медленное увеличение прочности в даль­нейшем. У белито-целитовых цементов (с повышенным содержа­нием C2S и C4AF) наблюдается замедленное твердение. При хра­нении на воздухе составы на портландцементе дают усадку (умень­шение объема), а при хранении в воде — набухание (увеличение объема).

Гидравлическая известь. Сырьем для производства гидравли­ческой извести служат мергелистые известняки, т. е. известняки, содержащие глинистые и другие вещества в значительном коли­честве. По мере повышения содержания глинистых и кремнезе­мистых примесей в продукте обжига содержится все меньше сво­бодной извести и больше силикатов, алюминатов и ферритов кальция. Вместе с тем уменьшается способность извести к гаше­нию и увеличивается ее способность к гидравлическому тверде­нию.

Производство гидравлической извести складывается из обжига сырья (при 900… 1 100°С), гашения продукта обжига, отделения непогасившихся частиц, их помола и смешения измельченных зе­рен с погасившимся материалом. Иногда выпускаются два раз­дельных продукта. Гидравлическая известь состоит из СаО, сили­ката 2СаО • Si02 (C2S), алюмината СаО ■ А1203 (СА) и феррита каль­ция 2СаО • Fe203 (C2F).

Процесс твердения гидравлической извести сочетает в себе воздушное твердение с участием Са(ОН)2 (см. подразд. 8.6) и гид­равлическое твердение силикатов, алюминатов и ферритов каль­ция, которые при взаимодействии с водой превращаются в гид­росиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция. Гидрав­лическая известь твердеет быстрее воздушной извести и набирает большую прочность.

Применение извести (воздушной и гидравлической) ограничи­вается в основном строительными растворами, применяемыми для каменной кладки и штукатурных работ. К известковому раствору иногда добавляют строительный гипс или портландцемент. Извес­ти широко используют для производства различных автоклавных строительных материалов, которые называют силикатными.

Вид извести (слабо — или сильногидравлическая) устанавлива­ют по 28-суточной прочности образцов-балочек размерами 40x40x160 мм, изготовленных из известково-песчаного раствора состава 1:3 нормальной густоты. Для слабогидравлической извести Лшт> 0,4; /?сЖ> 1,7; для сильногидравлической извести /?изг> 1; ПсЖ> 5 МПа.

Романцемент. В качестве сырья для производства романцемента служат известковые или магнезиальные мергели, в которых соот­ношение между известковой и глинистой частями таково, что в результате обжига (при температуре 1000…1 100°С), не доводя­щего эти материалы до спекания, получается продукт, в котором почти вся известь связана в силикаты, алюминаты и ферриты каль­ция (C2S, СА, С5А3, C2F). Обожженный продукт при смачивании водой не гасится и поэтому превращается в вяжущее вещество только путем помола. Гидравлические свойства романцемента силь­нее, чем у гидравлической извести, но слабее, чем у портландце­мента. Прочность его в жестком растворе может достигать 10 МПа.

Применяется романцемент в строительных растворах для ка­менной кладки, а в бетоне — для неответственных частей соору­жения.

Сырьевые материалы для производства воздушной извести дол­жны состоять в основном из углекислого кальция (известняк, мел, мрамор и т. д.), однако известковые породы, как правило, содержат примеси глинистых веществ, углекислого магния, квар­ца и др.

Обжиг извести производится в шахтных или во вращающихся печах при температуре 900… 1 300°С. В зоне обжига происходит диссоциация СаС03 и MgC03 по следующим реакциям:

СаС03 -» СаО + С02 MgC03 -» MgO + С02

Глинистые вещества, обычно присутствующие в известняках, участвуют в твердофазовых реакциях с образованием силикатов, алюминатов и ферритов кальция, присутствие которых замедляет и делает менее полным гашение извести.

Гашение извести — это процесс ее взаимодействия с водой по реакции СаО + Н20 = Са(ОН)2, которая протекает с выделением большого количества теплоты и увеличением в объеме твердой фазы в 2 — 3,5 раза. Температура при гашении достигает 100 °С, вызывая кипение воды, поэтому негашеную известь называют кипелкой. Воздействие паров кипящей воды и увеличение объема продуктов реакции приводит к распаду комьев извести на части­цы тонкого порошка. При производстве строительной извести процесс гашения заменяет помол.

Примеси глинистых минералов и кварца, с одной стороны, уменьшают способность извести к гашению, а с другой стороны — сообщают извести гидравлические свойства. Если содержание этих примесей в известняке превышает 6 %, то продукт обжига являет­ся гидравлической известью. Примесь MgC03, дающая в результате обжига магнезию MgO, также снижает скорость гашения. Воздуш­ную известь в зависимости от содержания MgO подразделяют на кальциевую (до 5 %); магнезиальную (5 …20 %); доломитовую (свы­ше 20 до 40 %). При гашении извести, регулируя количество до­бавленной воды, можно получить два продукта: сухой порошок — пушонку (около 75 % воды) или тесто (около 250 %).

Помол извести применяют, когда в сырье содержится значи­тельное количество глинистых и магнезиальных примесей. При этом не образуется отходов, неизбежных при гашении извести. Присутствие 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.

Гидрокарбонатное твердение известковых растворов происхо­дит на воздухе и складывается из двух одновременно протекаю­щих процессов: 1) испарения воды и постепенной кристаллиза­ции гидрата оксида кальция из насыщенного раствора; 2) кар­бонизации Са(ОН)2 углекислотой воздуха по уравнению Са(ОН)2 + + С02= СаС03 + Н20.

Твердение известкового раствора протекает очень медленно из — за образования на поверхности тонкого слоя СаС03, затрудняю­щего испарение воды из раствора и проникновение С02 внутрь.

Гидросиликатное твердение происходит при обработке извест­ково-песчаных изделий в автоклавах (см. подразд. 12.1), где под воздействием пара повышенного давления 0,8… 1,6 МПа и тем­пературы 170…200°С происходит взаимодействие между извес­тью и кремнеземом песка с образованием гидросиликата каль­ция: СаО + Si02 + Н20 -» СаО ■ Si02 • Н20. Помол кварцевого пес­ка приводит к ускорению этой реакции.

Прочность гашеной извести невысока; через 28 сут она состав­ляет 0,5… 1,0 МПа. Прочность молотой негашеной извести при­мерно в 2 — 3 раза выше. Воздушная известь дает при твердении высокую усадку, которую снижают добавлением большого коли­чества песка.

Испытания воздушной извести включают в себя определение степени дисперсности, определение времени гашения, определе­ние содержания непогасившихся зерен, определение влажности гашеной извести.

Оценка качества воздушной извести основана на ее химиче­ском составе и пластических свойствах, а не на прочности. Поэто­му магнезиальная известь, дающая более прочные растворы, рас­ценивается ниже кальциевой извести, а доломитовая — ниже маг­незиальной.

В зависимости от активности (суммарного содержания оксидов кальция и магния) известь подразделяются на три сорта (табл. 8.4).

Жидкое стекло — вязкая прозрачная жидкость, представля­ющая собой раствор в воде так называемого растворимого стек­ла — силиката натрия Na20 • «Si02 (реже — калия К20 • «Si02), где п = Si02/Na20 — силикатный модуль (для Na20/iSi02 п = = 2,0…3,5; для К20 • «Si02 п = 3,5…4,5). Растворимое стекло полу­чают так же, как обычное, — варкой (плавлением) сырьевой ших­ты в стеклоплавильных печах при температуре 1 300… 1 400°С. Шихта натриевого стекла состоит из высушенного и просеянного кварцевого песка и соды Na2C03 (или сульфата натрия Na2S04). Для получения калиевого стекла вместо соды применяют поташ К2С03. Реакция силикатообразования протекает по схеме

nSi02 + Na2C03 Na20 • «Si02 + С02Т

Полное связывание соды завершается при температуре

920.. .950 °С. Получаемый расплав застывает в стеклообразную хруп­кую массу, называемую сили кат-глыбой.

Получение жидкого стекла заключается в растворении сили­кат-глыбы в воде, что выполняется в автоклавах в среде насыщен­ного водяного пара при давлении 0,3…0,7 МПа и температуре

120.. . 150°С. Продолжительность растворения в стационарных ав­токлавах составляет 5… 6 ч, во вращающихся автоклавах — 1… 2 ч. Плотность раствора составляет 1,3… 1,5 г/см3, что соответствует содержанию стекла 50…70%.

Твердение жидкого стекла на воздухе происходит вследствие действия С02 воздуха и высыхания:

Na2O«Si02 + С02+ Н20 -» nSi02-aq + Na2C03

Вяжущие свойства такой системы обусловлены гелем кремне­кисл оты, который при высыхании уплотняется и приобретает значительную прочность. Твердение жидкого стекла в результате высыхания на воздухе — процесс достаточно длительный, так как образующаяся поверхностная плотная корка препятствует высы­ханию геля и проникновению С02 во внутренние слои. Поэтому часто применяют отвердители, которые могут быть газообразны­ми, твердыми или жидкими.

Среди твердых отвердителей наибольшее применение нашли промышленные отходы на основе двухкальциевого силиката: фер — рохромовый шлак и нефелиновый шлам. Твердение происходит по схеме

Na20 • nSi02 + 2СаО • Si02 + Н20 -» СаО • mSi02aq + SiO2aq +

+ (Са, Na2)0 • Si02a^

Продуктами твердения являются гель кремнезема, низкооснов­ные гидросиликаты кальция и натриевокальциевые гидросилика­ты.

Широкое распространение среди жидких отвердителей полу­чили растворы алюмината натрия (Na20Al203) и кремнефтори­стоводородной кислоты (H2SiF6).

Алюмосиликатная композиция отвердевает в результате ряда процессов, которые можно подытожить следующей реакцией:

Na20 • А1203 + Na20 • «Si02 + Н20 Na20 ■ А1203 • 2Si02 • aq +

+ (п — 2)Si02- aq

При твердении кремнефтористосиликатной композиции про­текают две стадии химических процессов, на каждой из которых происходит образование геля кремнекислоты:

Na20 • «Si02+ H2SiF6+ Н20 —> Na2SiF6 + «Si02- aq 2Na20 • «Si02 + Na2SiF6 + 6H20 -> 6NaF + AzSi02- aq

Кислотоупорный цемент состоит из двух компонентов:

1) раствора жидкого стекла со средней плотностью 1,345 г/см3 и п = 2,6…3,0;

2) тонко измельченной смеси, состоящей из 94…96% мине­рального наполнителя, отличающегося высокой кислотостойкос — тью (кварца, кварцитов, вулканической лавы, диабаза, андези­та) и 4…6% ускорителя твердения — кремнефтористого натрия (Na2SiF6).

Компоненты смешивают в соотношении примерно 1:4 (жид­кое : твердое). Добавка Na2SiF6 не только ускоряет процесс твер­дения кислотоупорного цемента, но и повышает его водостой­кость. Начало схватывания кислотоупорного цемента должно на­ступать не ранее чем через 20 мин, конец — не позднее чем через 8 ч. Предел прочности цемента при растяжении в 28-суточном воз­расте должен быть не менее 2,0 МПа. Прочность при сжатии бето­нов на кислотоупорном цементе обычно составляет 20…60 МПа.

Кислотоупорный цемент применяют на химических производ­ствах, где возможен контакт бетона с кислотами. Однако этот це­мент неустойчив в растворах плавиковой, кремнефтористоводо­родной и фосфорной кислот, а также в растворах щелочей.

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 воздуха не более 60%.

Каустический магнезит получают обжигом природного магне­зита MgC03 в шахтных или вращающихся печах при температуре

750.. .850°С и помолом продукта обжига. При обжиге происходит разложение карбоната магния по реакции: MgC03 = MgO + С02.

Каустический магнезит — быстротвердеющее вяжущее, обла­дающее высокой прочностью при сжатии (до 65 МПа).

Каустический доломит отличается от каустического магнезита пониженным качеством и производится ввиду того, что природ­ные запасы магнезита ограничены. Вяжущее (MgO • СаС03) полу­чают обжигом природного доломита (СаС03 • MgC03) при темпе­ратуре не выше 720… 750 °С, с тем чтобы происходила диссоциа­ция только MgC03, а СаС03 не подвергался бы разложению, ина­че получится доломитовая известь. Примесь инертного СаС03 обус­ловливает понижение прочности каустического доломита по срав­нению с каустическим магнезитом примерно в 2 раза.

Магнезиальные вяжущие вещества затворяются растворами MgCl2, MgS04, FeS04 и др. При затворении одной водой проч­ность их получается низкой, так как в воде MgO практически не растворяется. Растворимость MgO в растворе MgCl2 достаточно высока. Поэтому из пересыщенного раствора MgO в хлористом магнии выделяется практически нерастворимый в воде Mg(OH)2. Параллельно образуется оксихлорид магния 3MgO — MgCl2-6H20.

Магнезиальные вяжущие вещества применяют для изготовле­ния штукатурок, искусственного мрамора, лестничных ступеней. На основе древесных волокон или стружки готовят стеновой ма­териал — фибролит, а на основе мелкого древесного заполнителя (опилок и др.) — материал для бесшовных полов и прессованных половых плиток — ксилолит. В ксилолит добавляют также мине­ральные наполнители: песок, трепел, асбест, тальк и красители (см. подразд. 12.5).

Классификация гипсовых вяжущих веществ. Гипсовые вяжущие вещества подразделяются на низкообжиговые (строительный и тех­нический гипсы) и высокообжиговые (ангидритовый цемент и эстрихгипс).

Строительный гипс получают из минерала гипса CaS04-2H20 и некоторых отходов производства, содержащих CaS04.

Получение строительного гипса включает в себя дробление, сушку, помол и обжиг природного гипса. Применяются большей частью три технологические схемы получения строительного гип­са:

1) дробление —сушка—помол —обжиг;

2) дробление — обжиг — помол;

3) дробление — помол и обжиг в одном аппарате.

Обжиг ведут в варочных котлах, сушильных барабанах, шахт­ных мельницах. При температуре ПО… 180°С отделяется вода и дигидрат переходит в полугидрат:

CaS04 — 2Н20 -» CaSO40,5H2O + 1,5Н20

Установлено существование двух модификаций полугидрата (а и (3), которые отличаются структурой кристаллической решетки (a-кристаллы имеют кубическую форму; (3-кристаллы имеют форму параллелепипедов). Модификация [3, из которой состоит строи­тельный гипс, получается в аппаратах, сообщающихся с атмос­ферой, когда кристаллизационная вода выделяется в виде пара и удаляется в атмосферу. Модификация а образуется при повышен­ном давлении в закрытых аппаратах (автоклавах), когда вода вы­деляется в жидком состоянии и исходный продукт разделяется на две фазы: жидкую и твердую.

В автоклавах получают технический (высокопрочный) гипс, от­личающийся высокой прочностью.

Химические процессы при твердении строительного гипса зак­лючаются в гидратации гипса и превращении его в дигидрат:

CaSO40,5H2O + 1,5Н20 = CaS04-2H20

На эту реакцию требуется 18,6 % воды от массы гипса. Обычно к гипсу добавляют от 50 до 70 % воды, иначе тесто получается слишком жестким. Избыточная вода распределяется в виде мель­чайших частиц в объеме теста, образуя поры.

Приготовленное тесто через несколько минут схватывается (те­ряет пластичность) и начинает набирать прочность (твердеть). До начала схватывания тесто можно перемешивать, укладывать в форму, уплотнять. После наступления схватывания этого делать нельзя, иначе будут разрушены успевшие образоваться, но еще слабые кристаллизационные контакты и прочность гипсового кам­ня будет снижена.

Физические процессы твердения Ле Шателье объяснял следу­ющим образом. Полуводный гипс CaSO40,5H2O при затворении водой растворяется в ней до образования насыщенного раствора с концентрацией около 7,4 г СаО на 1 л воды. Такой раствор для CaS04-2H20 является пересыщенным, так как растворимость дигидрата составляет только 2,05 г СаО на 1 л. Следовательно, дигидрат, образуясь в растворе в результате гидратации полугид — рата, будет выделяться из раствора в виде кристаллов. Образовав­шийся недостаток полугидрата в растворе восполняется растворе­нием оставшегося вяжущего, и концентрация раствора сохраня­ется неизменной (7,4 г СаО на 1 л) до завершения гидратации и полного перехода вяжущего в кристаллы дигидрата. Эти кристал­лы сначала отделены друг от друга тончайшими прослойками насы­щенного раствора дигидрата с концентрацией 2,05 г СаО на 1 л. Дальнейший рост прочности происходит в результате испарения воды и сращивания кристаллов в кристаллический сросток.

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

Отличительной особенностью строительного гипса является увеличение объема теста (до 1 %) при твердении. Благодаря этому гипсовая штукатурка не растрескивается. При увлажнении затвер­девшего гипса его прочность снижается в 2 — 3 раза вследствие частичного растворения дигидрата и разрушения структуры крис­таллического сростка. Изделия из строительного гипса отличают­ся высокой пористостью (40… 50 %) и соответственно низкой теп­лопроводностью.

Водопотребность гипса (количество воды, необходимой для по­лучения теста стандартной густоты) составляет 50…70% от массы гипса. По прочности строительный гипс подразделяется на 12 ма­рок: от Г-2 до Г-25 (число означает гарантированный предел проч­ности, МПа, при сжатии стандартных образцов в возрасте 2 ч).

Применяют строительный гипс главным образом во внутрен­них частях зданий с относительной влажностью воздуха не более 60 %. Для устройства внутренних перегородок, полов, подвесных потолков, а также в качестве сухой штукатурки широко использу­ются гипсокартонные листы (ГКЛ). Для устройства внутренних стен применяются также гипсовые пазогребневые плиты. Строитель­ный гипс используется в гипсовых или известково-гипсовых ра­створах, применяемых для штукатурных работ. Гипсовые раство­ры могут приготавливаться непосредственно на строительных объектах или доставляться на них в виде сухих смесей. Широко используется гипс для изготовления декоративных деталей и от­делочных материалов (например, искусственного мрамора).

Ангидритовый цемент получают обжигом природного гипса при температуре 600… 700 °С с последующим помолом. Он состоит глав­ным образом из безводного CaS04 и является мертвообожженным
гипсом, который схватывается и твердеет только с добавкой ката­лизатора (различных сульфатов, извести, обожженного доломи­та, доменного шлака и др.), который вводится в ангидритовый цемент при помоле.

Водопотребность ангидритового цемента — 30…40%. Порис­тость затвердевшего камня — 30… 35 %, а его прочность достигает 20 МПа и более. Ангидритовый цемент в противоположность стро­ительному гипсу не отличается быстрым схватыванием и практи­чески не увеличивается в объеме при твердении. Являясь воздуш­ным вяжущим веществом, он, тем не менее, обладает более вы­сокой, чем строительный гипс, водостойкостью.

Ангидритовый цемент применяется в строительных растворах в основном для кирпичной кладки и штукатурки.

Эстрих-гипс (гидравлический гипс) получают обжигом природ­ного гипса или ангидрита при температуре 800… 1 000°С и после­дующим помолом продукта обжига. При обжиге эстрих-гипса про­исходит не только получение безводного (мертвообожженного) CaS04, но и частичное разложение сернокислого кальция с обра­зованием свободной извести (СаО), являющейся катализатором твердения подобным добавкам к ангидритовому цементу.

По свойствам эстрих-гипс аналогичен ангидритовому цемен­ту, но отличается от него небольшой усадкой при твердении и более высокой водостойкостью, за что назван гидравлическим гипсом, хотя остается воздушным вяжущим.

Затвердевший эстрих-гипс характеризуется высоким сопротив­лением истиранию, благодаря чему он применяется для изготов­ления набивных (уплотняемых трамбованием) полов.

Испытания гипсовых вяжущих веществ. Определение водопотреб — ности производят с помощью вискозиметра Суттарда (рис. 8.1), в цилиндр которого заливают приготовленное тесто. Цилиндр под­нимают вертикально вверх через 45 с после начала затворения. Нор­мальной считается густота при диаметре лепешки (180 ± 5) мм.

Определение сроков схватывания производят с помощью при­бора Вика (рис. 8.2). Тесто нормальной густоты помещают в коль­цо 5. Иглу 6 прибора доводят до соприкосновения с поверхностью теста и фиксируют стопорным винтом 7 (верхним). Погружение

Рис. 8.1. Вискозиметр Суттарда:

/ — полый металлический цилиндр; 2 —
стеклянная подставка с окружностями
для измерения диаметра образца

Рис. 8.2. Прибор Вика (а) и нако-
нечник укороченной иглы (б):

1 — пестик; 2 — вертикально переме­щающийся стержень; 3 — станина; 4 — подставка кольца; 5 — коническое коль­цо с тестом; б — игла; 7 — стопорный винт стержня; 8 — шкала; 9 — канал для выхода воздуха

иглы производят с интервалом в 30 с, каждый раз — в новое место. Перед погружением иглу тщательно протирают. С наступ­лением начала схватывания игла перестает доходить до дна, с на­ступлением конца схватывания игла погружается в тесто не бо­лее чем на 1 мм.

При определении пределов прочности при изгибе и сжатии на одно испытание вручную го­товят из теста нормальной гус­тоты три образца-балочки раз­мерами 40 х 40 х 160 мм. Уплотня­ют тесто, постукивая пять раз краем формы о стол. Избыток теста срезают линейкой и поверх­ность заглаживают. Через 10…20 мин после конца схватывания образцы освобождают от форм и хранят в помещении для испы­таний.

Испытание образцов-балочек производят в возрасте 2 ч снача­ла на изгиб, а полученные половинки — на сжатие с помощью стандартных пластин с рабочей площадью 25 см2.

Требования к гипсовым вяжущим по прочности, срокам схва­тывания и тонкости помола приведены в табл. 8.1… 8.3.

Пример условного обозначения гипсового вяжущего: Г-25 В III.