7.1. Общие понятия
Неорганическими вяжущими веществами называют порошкообразные материалы, которые при смешивании с водой образуют вязко-пластичное тесто, способное со временем самопроизвольно или в определенных условиях переходить из тестообразного в камневидное состояние (затвердевать). Эти способности обуславливают возможность смешения теста с зернами песка, гравия, щебня и последующего скрепления их между собой (омоноличивания в единое твердое тело) при затвердевании теста. На этом основан принцип получения самых распространенных строительных материалов - бетонов, строительных растворов и многих других искусственных материалов.
Получение твердого тела с помощью любых минеральных вяжущих основано на явлении кристаллизации. При гидратном твердении в результате гидратации молекулы гидратов солей образуют зародыши кристаллов, которые начинают расти. Когда они заполняют весь свободный объем в системе, тесто начинает терять пластичность – это начало схватывания. После этого кристаллы начинают переплетаться, срастаться, пока тесто окончательно на потеряет пластичность – конец схватывания. Почему так важны сроки схватывания? До начала схватывания смесь (тесто) можно перемещать, транспортировать, укладывать. Как только началось схватывание, вмешательство в структуру может сильно повредить, привести к снижению качества. Окончание схватывания говорит о том, что изделие набрало некоторую структурную прочность, значит, его уже можно распалубливать.
Неорганические вяжущие вещества делятся на три группы: воздушные, гидравлические и вяжущие гидротермального синтеза (автоклавные).
7.2. Воздушные вяжущие вещества
Воздушные вяжущие вещества характеризуются тем, что, будучи смешаны с водой, самопроизвольно твердеют и длительно сохраняют прочность лишь в воздушной среде. При систематическом увлажнении бетоны, изделия и конструкции на воздушных вяжущих сравнительно быстро теряют прочность и разрушаются. К воздушным вяжущим относят гипсовые вяжущие, воздушная известь, магнезиальные вяжущие и жидкое стекло.
Гипсовые вяжущие
Гипсовые вяжущие в зависимости от температуры тепловой обработки разделяются на две группы: низкообжиговые (строительный гипс, технический (высокопрочный) гипс, формовочный гипс) и высокообжиговые (ангидритовый цемент и эстрих-гипс).
Строительным гипсом называют порошкообразный материал белого или сероватого цвета, состоящий в основном из кристаллов β-модификации CaSО4·0,5H2О, содержит также некоторое количество ангидрида (CaSО4) и частицы неразложившегося сырья CaSО4·2H2О.
Строительный гипс изготовляют из природного двуводного гипса, глиногипса, а также некоторых отходов промышленности: фосфогипса (отход при производстве суперфосфатов), борогипса (отход от производства борной кислоты) и др. Сырье обжигают в варочных котлах или печах при 130...150 °С: при первом случае гипсовый камень сначала размалывают, а потом в виде порошка нагревают в котлах; во втором куски гипса различных размеров обжигают в шахтных, вращающихся, камерных и др. печах, а затем измельчают в порошок. Имеются промышленные установки, в которых совмещены операции сушки, помола и обжига. При этой температуре происходит дегидратация двуводного гипса: CaSО4·2H2О = CaSО4·0,5H2О + 1,5Н2О.
Схватывание и твердение полуводного гипса обусловлено переходом его при взаимодействии с водой в двугидрат по схеме
CaSО4·0,5Н2О + 1,5Н2О = CaSO4·2Н2О.
При этом выделяется 133,14 кДж/кг теплоты. Молекулы CaSO4·2Н2О обеспечивают явление кристаллизации.
После окончания схватывания в структуре идет процесс набора прочности. Для строительного гипса это набор (твердение) заканчивается через 2 ч. В результате образуется твердое тело с высокой пористостью, достигающей 40…60 % и более, и прочностью на сжатие от 2 до 12 МПа (высокопрочный гипс – до 25 МПа). Прочность при растяжении камня из полуводного гипса в 6…9 раз меньше прочности при сжатии. Прочность затвердевшего гипса зависит от его влажности (коэффициент размягчения колеблется в пределах 0,3…0,45), что можно объяснить растворением двуводного гипса в местах контакта кристаллических сростков в структуре гипсового камня, вызывающим уменьшение его прочности.
При твердении строительный гипс расширяется на 0,05…0,15 %, что благоприятствует изготовлению архитектурных деталей способом литья и плотному заполнению трещин, швов, раковин и т.д. при отделке поверхностей.
Достоинства: гипсовые вяжущие вещества отличаются от всех известных минеральных вяжущих веществ быстрым твердением (обычно начало схватывания гипсового теста наступает через 4…5 мин, а конец схватывания – через 10…15 мин после затворения водой), хорошими формовочными свойствами и наибольшей экономичностью. Это позволяет сравнительно просто и в короткие сроки производить на их основе различные виды изделий с невысокой плотностью (800...1500 кг/м3), достаточной прочностью, хорошими акустическими и теплофизическими свойствами, большой долговечностью при службе их в воздушно-сухой среде. Они легко поддаются механической обработке (пилению, сверлению и т.д.). Однако из-за низкой водо- и морозостойкости гипсовые изделия можно использовать при относительной влажности воздуха не более 65 % (для эксплуатации в помещениях большей влажности необходима гидрофобизация). Кроме этого, следует учитывать, что гипс ускоряет коррозию металла.
Нормативные требования к гипсовым вяжущим предъявляются по следующим показателям: тонкости помола, срокам схватывания, прочности при сжатии.
Применяют строительный гипс для изготовления: гипсокартонных листов (гипсовая сухая штукатурка); плит гипсовых для перегородок; гипсобетонных панелей; гипсоволокнистых листов; гипсовых блоков (камней); звукопоглощающих плит; декоративных плит; санитарнотехнических кабин; вентиляционных блоков; панелей основания пола. Также строительный гипс вводят в состав сухих строительных смесей, предназначенных для оштукатуривания стен и потолков, для подготовки оснований под малярные работы внутри помещений с нормальной влажностью; для получения гипсоцементнопуццолановых вяжущих (ГЦПВ).
Высокообжиговые (ангидритовые) гипсовые вяжущие получают обжигом при высоких температурах (600…900 °С); в них преимущественно входит безводный гипс (ангидрит CaSО4); отличаются они медленным твердением. Высокообжиговыми являются:
а) ангидритовое вяжущее (ангидритовый цемент) – 600…750 °С;
б) высокообжиговый гипс (эстрих-гипс) – 800…1200 °С.
Высокообжиговый гипс медленно схватывается и твердеет, но его водостойкость и прочность при сжатии выше строительного гипса – 10…20 МПа. Поэтому его применяют при устройстве бесшовных полов, в растворах для штукатурки и кладки, для изготовления "искусственного мрамора".
Воздушная известь
Известь - древнейшее вяжущее вещество. Ее применяли за несколько тысяч лет до нашей эры. Воздушная известь состоит преимущественно из оксидов кальция и магния (СаО + MgO). Это продукт обжига при температуре 900…1200 °С кальциево-магниевых карбонатных горных пород (мела, известняка, доломитизированного известняка, доломита - СаСО3 и MgCO3·СаСО3) с разложением их на СаО и СО2 по реакции:
СаСО3 = СаО + СО2↑ - 425,2 ккал/кг (1777 кДж/кг).
В результате обжига в печах различных типов (шахтных, вращающиеся, в кипящем слое, на спекательных решетках и т.д.) получают комовую негашеную известь в виде кусков различной величины (до 60 мм). Истинная плотность негашеной извести колеблется в пределах 3,1…3,3 г/см3 и зависит главным образом от температуры обжига, наличия примесей, недожога и пережога. Средняя плотность комовой негашеной извести в куске в большой мере зависит от температуры обжига и возрастает с 1,6 г/см3 (известь, обожженная при температуре 800 °С) до 2,9 г/см3 (длительный обжиг при температуре 1300 °С).
При тонком измельчении комовой извести получают известь негашеную молотую (кипелку). Насыпная плотность в рыхлонасыпанном состоянии 900…1100, в уплотненном 1100…1300 кг/м3. Молотую негашеную известь обычно используют сразу после помола, так как вследствие поглощения влаги из воздуха она теряет свои вяжущие свойства.
При взаимодействии негашеной извести с водой (этот процесс называется гашением) по реакции
СаО + Н2О = Са(ОН)2 + 277 ккал/кг (1158 или, по другим данным, 950 кДж/кг) получают известь гидратную (пушонку) Са(ОН)2 + Mg(ОН)2 в виде высокодисперсного
сухого порошка. В процессе гашения идет самопроизвольный распад кусков извести на тонкодисперсные частички размером не более 5…20 мк (тоньше, чем у цемента) и образуется тончайший порошок с удельной площадью поверхности до 10000 см2/г и насыпной плотностью 400…450 кг/м3. Воздушная известь является единственным вяжущим веществом, которое превращается в тонкодисперсное состояние химическим диспергированием. При этом известь увеличивается в объеме в 2…3,5 раза. Истинная плотность гидратной извести зависит от степени ее кристаллизации и равна для Са(ОН)2, кристаллизованной в форме гексагональных пластинок, — 2,23, аморфной — 2,08 г/см3. Гашение извести в порошок осуществляют в специальных гасильных аппаратах (гидраторах) периодического и непрерывного действия.
Существуют два вида твердения извести. При использовании гашеной извести происходит карбонатное твердение за счет образования карбоната кальция по реакции Са(ОН)2 + СО2 + nН2О = СаСО3 + (n+1)Н2О.
Прочность при сжатии растворов и бетонов на гашеной извести при твердении в обычных условиях (10…20 °С) в течение месяца достигает небольших значений порядка 0,5…1 МПа. С помощью искусственной карбонизации можно получать бетоны с прочностью до 30…40 МПа. При длительном твердении в течение многих десятков (а иногда и сотен) лет благодаря взаимодействию песка с гидроксидом кальция прочность возрастает до 6…7 МПа.
При использовании молотой негашеной извести происходит гидратное твердение. Эффект твердения обусловливается взаимным сцеплением и срастанием образующихся в результате взаимодействия извести с водой при правильно подобранном водо-известковом отношении (0,9…1,5) субмикроскопических частичек гидроксида кальция CaO·Н2O, срастающихся между собой и быстро образующих прочный кристаллический сросток. Растворы на молотой негашеной извести схватываются через 15…60 мин после затворения. Саморазогревание материала (раствора или бетона) при этом способствует ускорению твердения и росту прочности раствора, что особенно важно при зимних работах (каменной кладке, штукатурке и др.). Через 28 суток твердения на воздухе прочность растворов при сжатии достигает 2…3 МПа, т.е. втрое больше, чем на гашеной. С течением времени гидратное твердение переходит в карбонатное.
Во влажных условиях известковые строительные растворы и бетоны постепенно теряют прочность и разрушаются. Разрушение при этом наступает особенно быстро, если бетоны то замерзают, то оттаивают. Чем активнее в растворах и бетонах прошли процессы карбонизации извести, тем они более водостойки и морозостойки. Об этом убедительно свидетельствует длительная сохранность многих фасадов зданий, оштукатуренных известковыми растворами.
Важнейшие эксплуатационно-технические показатели воздушной извести:
- содержание активных СаО + МgO (активность извести): по активности известь делится на 3 сорта: 1-й сорт – не менее 90 % СаО + МgO; 2-й – 80 % и 3-й – 70 %;
- по содержанию MgO различают кальциевую (или маломагнезиальную – не более 5 %), магнезиальную (5…20 %) и доломитовую (20…40 %) воздушную известь;
- температура и время гашения извести: быстрогасящаяся – не более 8 мин, среднегасящаяся – не более 25 мин, медленногасящаяся – более 25 мин.
- содержание непогасившихся зерен: при гашении извести необходимо стремиться к полному переводу оксидов кальция и магния в гидроксиды, поскольку непогасившиеся частицы могут впоследствии отрицательно влиять на качество затвердевших растворов и бетонов (дути-
ки);
- остаток на сите № 02 порошкообразной извести должна быть не более 1,5 %; №008 - не более 15 %.
- равномерность изменения объема, которая определяется как и для цемента, но с некоторыми изменениями.
Широкое применение извести в строительстве обусловлено тем, что она является местным вяжущим веществом. Сырье и топливо для ее получения есть почти повсюду, а организация производства связана с относительно невысокими капиталовложениями. Из строительной воздушной извести изготовляют:
1) растворы, предназначенные для наземной кладки частей зданий и штукатурок, работающих в воздушно-сухих условиях.
2) бетоны низких марок, применяемые в конструкциях, работающих в воздушно-сухих условиях;
3) известковые красочные составы;
4) смешанные гидравлические вяжущие (известково-шлаковые и известковопуццолановые цементы);
5) вяжущие автоклавного твердения.
Магнезиальное вяжущее
Магнезиальные вяжущие вещества - каустический магнезит и каустический доломит - тонкие порошки оксида магния MgO. Магнезиальное вяжущее получают путем умеренного обжига (при температуре 750-850°С) магнезита (реже доломита): MgCО3 = MgO + СО2↑.
Магнезиальное вяжущее чаще всего затворяют водным раствором хлористого магния MgCl2 (или других магнезиальных солей). Это ускоряет твердение и значительно повышает прочность, так как наряду с гидратацией оксида магния по реакции MgO + Н2О = Mg(ОН)2 происходит образование гидрохлорида магния 3MgO·MgCl2·6H2О. При затворении же водой оксид магния гидратируется очень медленно.
Магнезиальное вяжущее отличается высокой прочностью, достигающей при сжатии 60100 МПа, хорошо сцепляется с деревом, поэтому его можно применять для изготовления фибролита и магнезиально-опилочных (ксилолитовых) полов - монолитных и плиточных. Жидкое стекло
Жидкое стекло представляет собой коллоидный водный раствор силиката натрия Na2O·(2,5…3)SiO2 или силиката калия К2O·(3…4)SiO2, получаемый варкой стекла из кварцевого песка SiO2 и соды Na2СO3 в стеклоплавильных печах, как обычное стекло, с последующим растворением застывшего расплава при повышенной температуре и давлении 0,6-0,7 МПа. Жидкое стекло имеет желтый или коричневый цвет, плотность 1,3-1,5 г/см3 при содержании воды 50-70%. Силикаты натрия и калия в воде подвергаются гидролизу: Na2SiO3 + 3Н2О = 2NaOH + SiО2·2H2О.
Выделяющийся гель кремневой кислоты SiО2·2H2О и обладает вяжущими свойствами. Для ускорения твердения жидкого стекла к нему добавляют кремнефтористый натрий Na2SiF6, ускоряющий выпадение геля кремневой кислоты и гидролиз жидкого стекла.
Натриевое жидкое стекло применяют для изготовления кислотоупорных и жароупорных бетонов, для уплотнения грунтов. Калиевое стекло, более дорогое, применяют преимущественно в силикатных красках.
Кислотоупорный кварцевый цемент - это порошкообразный материал, получаемый путем совместного помола чистого кварцевого песка и кремнефтористого натрия Na2SiF6(возможно смешение раздельно измельченных компонентов). Кислотоупорный цемент затворяют водным раствором жидкого стекла, которое и является вяжущим веществом. Сам же порошок вяжущими свойствами не обладает. Кислотоупорный цемент применяют для изготовления кислотостойких растворов и бетонов, замазок. При этом берут кислотостойкие заполнители:
кварцевый песок, гранит, андезит и т.п.
7.3. Гидравлические вяжущие
Гидравлические вяжущие твердеют и длительное время сохраняют прочность (или даже повышают ее) не только на воздухе, но и в воде. Их можно разделить на три основные группы: гидравлическая известь и романцемент, силикатные цементы (портландцемент и его разновидности) и алюминатные цементы (глиноземистый цемент и его разновидности).
Гидравлическая известь и романцемент
Гидравлическую известь получают обжигом в шахтных печах не до спекания (900…1100 °С) мергелистых известняков с содержанием глины 6…20 %. Полученную известь размалывают и применяют в виде порошка либо гасят в пушонку. В процессе обжига мергелистых известняков после разложения карбоната кальция (900 °С) часть образующейся СаО остается в свободном состоянии, а часть соединяется с оксидами SiO2, А12O3 и Fе2О3, входящими в состав глинистых материалов. При этом образуются низкоосновные силикаты (2CaO·SiO2) алюминаты (СаО·Аl2О3) и ферриты (СаО·Fе2О3) кальция, которые и придают извести гидравлические свойства. Предел прочности при сжатии после 28 сут комбинированного (7 сут во влажном воздухе и 21 сут в воде) хранения образцов из раствора 1:3 по массе 2…5 МПа и выше. Гидравлическую известь применяют для изготовления строительных растворов, бетонов низких марок и бетонных камней.
Романцемент - гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким помолом обожженных не до спекания (900 °С) известняковых или магнезиальных мергелей, содержащих более 20 % глины. Образующиеся при обжиге низкоосновные силикаты и алюминаты кальция придают романцементу способность твердеть и сохранять прочность в воде. Романцемент выпускают трех марок: М25, М50 и M100. Он должен выдерживать испытание на равномерность изменения объема. Применяется для изготовления строительных растворов, бетонов, бетонных камней.
Гидравлическая известь и романцемент ранее широко применялись, но теперь эти вяжущие уступили свое место более совершенным гидравлическим вяжущим и прежде всего портландцементу.
Получение известково-шлаковых вяжущих основано на способности тонкоизмельченных гранулированных доменных шлаков твердеть при добавке извести. Обычно шлак размалывают совместно с воздушной известью, содержание которой в вяжущем составляет 20…30 %. При помоле добавляют до 3…5 % гипса для улучшения процессов твердения. Известь, реагируя с низкоосновными алюминатами и силикатами шлака, способствует образованию высокоосновных гидроалюминатов и гидросиликатов кальция. Добавляемый гипс реагирует в водном растворе с алюминатами кальция, образуя гидросульфоалюминат кальция. В результате обоих этих процессов возрастает прочность вяжущего. Известково-шлаковые вяжущие схватываются и твердеют медленно, но при тепловлажностной обработке твердение ускоряется. Они стойки в пресной воде, но имеют низкую морозостойкость. Известково-шлаковые вяжущие применяют в бетонах невысоких марок и в строительных растворах.
Известково-пуццолановые вяжущие изготовляют путем совместного помола трепелов, диатомитов и других активных минеральных добавок с известью. При твердении во влажных условиях или в воде образуются низкоосновные гидросиликаты кальция. На воздухе в сухих условиях гидросиликаты способны дегидратироваться, при этом прочность изделия может сильно снижаться. Прочность этих вяжущих невысока, и они применяются там же, где и известково-шлаковые вяжущие.
Портландцемент
Портландцемент – порошкообразный продукт темно-серого или зеленовато-серого цвета, получаемый тонким измельчением клинкера с добавкой 3…5 % двуводного гипса (гипсового камня). Самое распространенное сегодня вяжущее. Ежегодно в мире выпускается около 3 миллиардов тонн цемента.
Готовый клинкер представляет собой зернистый материал в виде спекшихся гранул размером 10…40 мм ("горошек") темно-серого или зеленовато-серого цвета. Получение портландцементного клинкера включает подготовку (измельчение) сырьевых материалов: известняков (мел, плотный известняк и др.) и глинистых пород (глины, глинистые сланцы), их смешивание в соотношении 3:1 (т.е. берется около 75 % известняка и 25 % глины) по сухому или мокрому способу и обжиг смеси во вращающихся печах при 1450 °С до спекания.
В среднем на 1 т цемента расходуется около 1,5 т минерального сырья. В сырьевую смесь вводят добавки, корректирующие химический состав, регулирующие температуру спекания смеси и кристаллизацию минералов клинкера.
В процессе обжига сырье комкуется при перекатывании, дегидратируется, декарбонизируется, распадается на оксиды, которые вступают в химическое взаимодействие друг с другом с образованием силикатов, алюминатов и алюмоферритов кальция в виде минералов кристаллической структуры, а некоторая часть их входит в стекловидную фазу.
Помол клинкера в тонкий порошок производится преимущественно в трубных (шаровых) мельницах. Природный гипс в портландцемент добавляют для регулирования скорости схватывания и некоторых других свойств. Клинкерный порошок без гипса при смешении с водой быстро схватывается и затвердевает в цементный камень, который характеризуется пониженными техническими свойствами.
Химический состав клинкера:
СаО – 63…66 %,
SiO2 – 21…24 %,
Аl2O3 – 4…8 %
Fe2О3 – 2…4 %,
Минералогический состав клинкера:
Алит 3CaO·SiO2 (С3S) - 45…60 %
Белит 2CaO·SiO2 (С2S) – 20…30 %
Трехкальциевый алюминат 3CaO·Al2O3 (С3А) – 4…12 %
Четырехкальциевый алюмоферрит 4CaO·Al2O3·Fe2O3 (C4AF) – 10…20 % Клинкерное стекло - 5…15 %. Щелочи (Na2O, К2О) до 0,6 %.
Истинная плотность портландцемента (без минеральных добавок) составляет 3,05…3,15. Его насыпная плотность зависит от уплотнения и у рыхлого цемента составляет 1100 кг/м3, у сильно уплотненного - до 1600 кг/м3, в среднем - 1300 кг/м3.
После затворения цемента водой цементное тесто в течение 1…3 ч пластично и легко формуется. В это время происходит гидратация перечисленных нами клинкерных минералов (реакция взаимодействия безводных солей с водой, сопровождается выделением тепла) с образованием гидросиликатов, гидроалюминатов и гидроферритов кальция, а также гидроксида кальция.
Эти соединения выпадают в осадок и образуют кристаллы, которые начинают расти в объеме цементного теста. Этот период называется схватыванием, в это время цементное тесто загустевает, утрачивая подвижность, но его механическая прочность еще невелика. Сроки схватывания зависят от минерального состава клинкера и от тонкости помола цемента. Быстрее всего гидратируется трехкальциевый алюминат, поэтому, чем выше его содержание в клинкере, тем быстрее заканчивается схватывание. Двуводный гипс (или гипсовый камень) служит как раз для замедления гидратации алюмината.
По срокам схватывания цементы подразделяют на:
- медленносхватывающиеся — с нормируемым сроком начала схватывания более 2 ч;
- нормальносхватывающиеся — с нормируемым сроком начала схватывания от 45 мин до 2 ч;
- быстросхватывающиеся — с нормируемым сроком начала схватывания менее 45 мин.
Обычно схватывание портладцемента заканчивается через 5…10 ч после затворения. Когда растущие кристаллы заполняют весь объем цементного теста, они начинают срастаться между собой, образуются кристаллические сростки, обеспечивающие переход загустевшего цементного теста в твердое состояние. Это означает конец схватывания и начало твердения (возрастание прочности вследствие образования пространственной структуры сросшимися кристаллами).
Проектным возрастом бетонов на цементе считают 28 суток – полагается, что к этому времени гидратируются практически все частицы цемента. Однако на самом деле наиболее крупные частицы (более 80 мкм) прогидратированы только снаружи, а внутри остаются негидратированы – это так называемый «клинкерный фонд», который и обеспечивает последующий набор прочности в течении многих лет. Важным также является то, что повышение температуры существенно ускоряет процессы гидратации и твердения цемента, сокращая сроки твердения до 6…10 часов. Этот эффект лежит в основе тепловлажностной обработки бетонных изделий – непременного атрибута индустриального производства бетона и железобетона. Однако расплатой за сокращение сроков твердения и ускоренное изготовление продукции является снижение прочности бетона вследствие повышенной дефектности его структуры из-за возникающих при тепловой обработке температурно-влажностных градиентов.
В результате твердения образуется цементный камень. Его твердая фаза состоит из субмикрокристаллических (гелевых) и кристаллических продуктов гидратации цемента и многочисленных включений в виде негидратированных зерен клинкера (клинкерный фонд). Благодаря этому фонду твердение при благоприятных условиях длится годами – вплоть до полной гидратации цемента.
Кроме того, в структуре цементного камня присутствуют капиллярные и гелевые поры.
Их содержание зависит от водопотребности цемента, которое определяется количеством воды (в % от массы цемента), необходимым для получения цементного теста нормальной густоты. Водопотребность обычного (нормального) портландцемента в пределах от 22 до 28 %. При введении активных минеральных добавок осадочного происхождения (диатомита, трепела, опоки) водопотребность цемента повышается и может достигнуть 32…37 %. Сроки схватывания и водопотребность цемента зависят от тонкости его помола – остаток на сите № 008 не более 10…15 %. Удельная поверхность цемента такого помола составляет обычно 2500…3000 см2/г. Чем выше тонкость помола, тем выше водопотребность цемента, выше пористость и ниже прочность цементного камня. Для снижения водопотребности цемент пластифицируют или гидрофобизируют.
Важным в процессах твердения является также равномерность изменения объема цемента, определяемая в тесте нормальной густоты.
Прочностные свойства портландцемента оцениваются классом и активностью. Класс цемента – это значение из унифицированного ряда, определяемое по средней величине предела прочности при сжатии (в МПа) цементно-песчаного раствора состава 1:3 при В/Ц = 0,5, испытанного в проектном возрасте (2, 7 или 28 суток) твердения под водой. По прочности на сжатие в возрасте 28 сут цементы подразделяют на классы 22,5; 32,5; 42,5; 52,5. В нормативных документах на цементы конкретных видов могут быть установлены дополнительные классы прочности. Для некоторых специальных видов цементов с учетом их назначения классы прочности не устанавливают. Активность – это конкретное значение прочности, не приведенное к унифицированному ряду.
По назначению цементы подразделяют на общестроительные и специальные.
По виду клинкера цементы подразделяют на основе:
- портландцементного клинкера;
- глиноземистого (высокоглиноземистого) клинкера; - сульфоалюминатного (-ферритного) клинкера.
По скорости твердения общестроительные цементы подразделяют на:
- нормальнотвердеющие с нормированием прочности в возрасте 2 (7) и 28 сут;
- быстротвердеющие с нормированием прочности в возрасте 2 сут, повышенной по сравнению с нормальнотвердеющими, и 28 сут.
По вещественному составу цементы подразделяют на пять типов:
- ЦЕМ I - портландцемент;
- ЦЕМ II - портландцемент с минеральными добавками;
- ЦЕМ III - шлакопортландцемент; - ЦЕМ IV - пуццолановый цемент; - ЦЕМ V - композиционный цемент.
В маркировке цемента указывается его тип, класс по прочности, подкласс по скорости твердения: Н (нормальнотвердеющий) и Б (быстротвердеющий) и обозначение нормативного документа, по которому поставляют цемент.
Разновидности портландцемента: шлаковый портландцемент; пуццолановый портландцемент; гипсоцементнопуццолановые вяжущие (ГЦПВ); быстротвердеющий (БТЦ), особобыстротвердеющий высокопрочный (ОБТЦ) и сверхбыстротвердеющий (СБТЦ) портландцементы; пластифицированный и гидрофобный портландцементы; вяжущие низкой водопотребности (ВНВ); сульфатостойкий портландцемент; белый и цветные портландцементы; тампонажный портландцемент; портландцемент с умеренной экзотермией; магнезиальный портландцемент и др.
Коррозия цементного камня вызывается воздействием агрессивных газов и жидкостей на составные части затвердевшего портландцемента, главным образом на Са(ОН)2 и 3СаО·А12O3·6Н2O. Встречаются десятки веществ, могущих воздействовать на цементный камень и оказаться для него вредным. Несмотря на разнообразие агрессивных веществ, основные причины коррозии можно разделить на три вида:
1) разложение составляющих цементного камня, растворение и вымывание гидроксида кальция (выщелачивание);
2) образование легкорастворимых солей в результате взаимодействия гидроксида кальция и других составных частей цементного камня с агрессивными веществами и вымывание этих солей (кислотная, магнезиальная коррозия);
3) образование в порах новых соединений, занимающих большой объем, чем исходные продукты реакции; это вызывает появление внутренних напряжений в бетоне и его растрескивание (сульфоалюминатная коррозия).
Глиноземистый и другие виды цементов
Глиноземистый цемент - быстротвердеющее и высокопрочное гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельченного клинкера, содержащего преимущественно низкоосновные алюминаты кальция. Глиноземистый цемент обладает высокой прочностью только в том случае, если он твердеет при умеренных температурах, не свыше 25 °С. Поэтому глиноземистый цемент нельзя применять для бетонирования массивных конструкций из-за разогрева бетона, а также подвергать тепловлажностной обработке.
Глиноземистый цемент быстро твердеет (на 3 сутки получают марки М400, М500 и М600) при нормальных сроках схватывания. Тепловыделение глиноземистого цемента при твердении примерно в 1,5 раза больше, чем у портландцемента. Бетон на глиноземистом цементе более стоек по сравнению с портландцементом против выщелачивания, а также в растворах сульфата кальция и магния (в частности, в морской воде). Однако затвердевший глиноземистый цемент разрушается в растворах кислот и щелочей, поэтому глиноземистый цемент нельзя смешивать с портландцементом и известью.
С учетом специфических свойств и высокой стоимости глиноземистый цемент предназначается для получения быстротвердеющих, а также жаростойких бетонов и растворов. Кроме того, глиноземистый цемент используется для получения расширяющихся цементов.
7.4. Вяжущие автоклавного твердения
Вяжущие автоклавного твердения - это вещества, способные образовывать плотный, прочный камень в условиях гидротермального синтеза, происходящего при автоклавной обработке. В эту группу входят: известково-кремнеземистые, известково-зольные, известковошлаковые вяжущие, нефелиновый цемент и др. По существу их тоже можно отнести к гидравлическим вяжущим, поскольку во влажных условиях они также способны сохранять прочность.
Это продукт совместного или раздельного помола извести и кремнеземсодержащего компонента до удельной поверхности смеси 2000…4000 см2/г. Известь, как правило, применяется молотая негашеная, поскольку она обеспечивает получение более прочных и долговечных изделий по сравнению с гашеной известью. В качестве кремнеземистого компонента используется преимущественно кварцевый песок, содержащий не менее 75 % кварца, а также другие природные и искусственные кремнеземистые материалы – трепел, опока, маршалит, диатомит, шлаки, золы от сжигания угля, торфа и сланца, содержащие SiO2 не менее 45 %; продукты обогащения руд, содержащие SiO2 не менее 60 %.
На основе известково-песчаного вяжущего производятся силикатные бетоны. При этом само вяжущее изготовляется непосредственно на предприятиях по производству силикатобетонных изделий.
Гидросиликатным, или синтезным твердением называют процесс взаимодействия извести, кремнезема SiO2 и воды при температуре 174,5…200 °С с образованием гидросиликатов кальция, обеспечивающих высокую прочность получаемому материалу:
Ca(OH)2+SiO2+(n-1)H2O → CaOSiO2nH2O
Представленная реакция происходит и в естественных условиях, но очень медленно, иногда в течении веков. Зато при температуре 170 ºС и выше реакция занимает всего 6…12 часов, поскольку кремнезем приобретает химическую активность.
Для того, чтобы разогреть изделие до 170 ºС и при этом не потерять влагу, необходимо избыточное давление 0,8…1,2 МПа, поэтому для реализации гидротермального синтеза применяют запаривание изделий в автоклавах. Автоклав представляет собой горизонтально расположенный герметичный стальной цилиндр диаметром 2 и более метра, длиной до 30 м, закрытый с одной или обеих сторон крышками. В автоклав на специальных вагонетках загружают изделия, герметично закрывают крышку и нагнетают водяной пар до заданного давления. Роль давления при этом сводится только к сохранению жидкой воды в материале в условиях высоких температур. При атмосферном давлении вода бы испарялась и полностью прекращались реакции, связанные с образованием цементирующих веществ.
Производство вяжущих автоклавного твердения обходится значительно дешевле, чем клинкерных, поскольку значительно ниже температура обжига и количество обжигаемого материала. При этом по качеству силикатные бетоны нисколько не уступают цементным. Стоимость силикатобетонных изделий, в том числе крупных армированных, обычно на 20…30 % меньше стоимости бетонных на основе цемента. Строительные же их качества равноценны.
Что бы оставить комментарий войдите
Комментарии (0)