→ Строительное материаловедение

Гидравлические вяжущие вещества и их производство

Гидравлическая известь - продукт умеренного обжига (не до спекания) мергелистых известняков, содержащих от 6 до 20% глинистых примесей. Обычный интервал температур обжига составляет 900-1100°С, что зависит от состава сырья. Продукт обжига содержит не только свободную известь, но и химические соединения с оксидами глины: силикаты 2СаО Si02, алюминаты 2СаО АЬОз, ферриты 2СаО БегОз кальция. Подобно воздушной извести этот продукт составляет комовую гидравлическую известь, которую подвергают помолу в мельницах с получением тонкомолотой негашеной извести. Реже используют другой вариант: комовую известь гасят, а непогасившиеся частицы (силикатов, алюминатов и ферритов) подвергают дополнительному измельчению с последующим смешением погасившейся и непогасившейся частей.

При взаимодействии с водой силикаты и алюминаты в извести остаются практически негидратированными. Только при гашении этой извести в тесто постепенно образуются гидросиликаты и гидт роалюминаты кальция, что сопровождается набуханием этих соединений и переходом их в студнеобразное состояние. В зависимости от содержания в извести оксида кальция, по отношению к сумме диоксида кремния, полуторных оксидов алюминия и железа можно условно разделить на сильно гидравлическую и слабо гидравлическую.

В настоящее время гидравлическая известь имеет ограниченное применение - для строительных растворов и бетонов невысокой прочности, для кладки в сырых местах (подвалах, каналах), в малоэтажном строительстве и др. Совсем не изготовляется теперь роман-цемент - гидравлическое вяжущее вещество, получавшееся измельчением в тонкий порошок умеренно обожженных (не до спекания) известковых или магнезиальных мергелей при содержании в них глинистых примесей до 25-35%. Эту разновидность цемента полностью вытеснил портландцемент.

Портландцемент -продукт тонкого измельчения клинкера, получаемого в результате равномерного обжига до спекания природного сырья (мергеля) или искусственной однородной сырьевой смеси определенного состава, содержащей известняк и глину. В процессе помола клинкера добавляют гипсовый камень в количестве до 3,5% (в пересчете на серный ангидрит). Можно частично заменить сырьевую смесь доменным шлаком, нефелиновым шламом, опокой и др. при условии, что сырье сохраняет необходимый расчетный состав.

Природное минеральное сырье в виде известкового мергеля встречается редко, приходится ориентироваться, в основном, на искусственные сырьевые смеси. Как отмечено, они составляются с помощью пород с высоким содержанием углекислого кальция (чистых известняков, мела, известковых туфов, мергелистых известняков и др.) и пород, относящихся к глиноземистому сырью (тяжелые глины, мергелистые глины, глинистый сланец и др.). Исходя из химического состава сырьевой смеси и заданной характеристики состава клинкера вычисляют соотношение между ее компонентами с возможно большей точностью. Вид сырья отражается на выборе оборудования, необходимого для его подготовки, обжига и помола продукта обжига с добавками и с переводом их в состояние однородного мельчайшего порошка - портландцемента.

В зависимости от характера приготовления сырьевой смеси различают мокрый, сухой и комбинированный способы производства портландцемента. Каждый из этих способов имеет свои особенности, достоинства и недостатки. В нашей стране на цементных заводах преобладает пока мокрый способ, хотя многие заводы перестраивают технологию на более экономичный по расходу топлива сухой и комбинированный способы.

При мокром способе сырьевую смесь измельчают в шаровых мельницах в присутствии большого количества воды (до 36-42% массы сухого вещества) и получают жидкотекучую массу, или суспензию. Ее называют шламом. Из шлам-бассейна 7 масса направляется для обжига во вращающуюся печь 8. Мокрый способ целесообразно использовать при применении в качестве компонентов мела, сырой глины, что понижает расход электроэнергии на измельчение сырьевой смеси.

При этом способе облегчается транспортирование и перемешивание сырьевой смеси, однако расход топлива на обжиг ее в печи в 1,5-2 раза больше, чем при сухом способе.

При сухом способе готовят сухой порошок смеси исходных материалов (так называемая сырьевая мука), который обжигают во вращающейся печи.

Комбинированным называют способ производства, при котором сырьевая смесь для обжига подготавливается в виде гранул. Шлам обезвоживают до влажности 16-18% и полученный «сухарь» (корж) перерабатывают в гранулы на специальных грануляторах. Можно также увлажнять сырьевую муку до 12-15% и из нее изготовлять те же гранулы для обжига.

Комбинированный способ, по сравнению с мокрым, дает до 20-30% экономии топлива.

При всех способах весьма важно обеспечить бесперебойное поступление сырьевой смеси на обжиг для получения из нее портланд-цементного клинкера.

Обжиг сырьевой смеси - центральный этап технологии цемента. Для обжига применяют два типа печей - шахтные и вращающиеся.

Для производства цемента мокрым и сухим способами применяют вращающиеся печи длиной от 150 до 230 м, диаметром 5-7 м и короткие длиной от 60 до 95 м с различными запечными устройствами (конвейерный кальцинатор, циклонные теплообменники, холодильники и др.).

Вращающуюся печь 8 (см. рис. 9.3) устанавливают с небольшим уклоном (3-4°) в сторону передвижения сырьевой смеси. Печь медленно (1-2 об/мин) вращается вокруг своей оси в подшипниках. Сырьевая смесь подается в печь автоматическим питателем с верхнего ее конца, а со стороны нижнего конца вдувают топливо - мазут, природный газ или воздушно-угольную смесь. Горячие газы направляются навстречу сырьевой массе. По всей длине вращающейся печи условно выделяют шесть зон, которые различают по основным физическим и химическим процессам, проходящим при нагревании. Внутри печи, облицованной надежной огнеупорной футеровкой, находятся различные внутрипечные устройства для лучшего перемешивания и интенсивного прогрева сырья (фильтр-подогреватели шлама, цепные завесы, металлические и керамические теплообменники).

В зоне сушки испаряется свободная вода. Подсушенный материал комкуется и распадается на гранулы. В зоне подогрева при температуре от 200 до 700°С сгорают органические примеси, удаляется химически связанная вода и образуется каолинитовый ангидрит АЬОз 2S102. Обе эти подготовительные зоны составляют при мокром способе около половины длины печи, при сухом способе - значительно меньше. В зоне кальцинирования при интервале температур от 700 до 1100°С происходит диссоциация карбонатов СаСОз и MgCCh, а также разложение глинистого компонента на оксиды SiCh, AI2O3, РегОз. Они вступают в химическое взаимодействие с СаО. Протекают реакции, связанные с диффузионными процессами в твердом состоянии и с формированием новообразований (искусственных минералов). Вначале образуются однокальциевый алюминат СаО АЬОз (или в условном обозначении СА), а затем двухкаль-циевый силикат 2СаО S102 (или в условном обозначении C2S). При температуре, близкой к 1200°С, однокальциевый алюминат, насыщаясь известью, переходит в пентакальциевыи триалюминат 5СаО ЗАЬОз и затем в трехкальциевый алюминат ЗСаО АЬОз (или СзА). Оксид железа образует с оксидом кальция двухкальцие-вый феррит 2СаО Fe203 (или C2F) и четырехкальциевый алюмо-феррит 4СаО АЬОз РегОз (или C4AF).

При достижении температуры примерно 1300°С все реакции в твердой фазе в основном завершаются, но часть извести остается в свободном состоянии. При дальнейшем повышении температуры (1300-1450°С) происходит частичное плавление сырьевого материала- спекание, чему особенно легко поддаются C4AF, СаО и MgO. Обычное содержание жидкой фазы при температурах спекания составляет 15-30%. В твердом состоянии остается 2СаО Si02, но и он частично растворяется в этой жидкости, образуя с молекулярно-дисперсной известью трехкальциевый силикат ЗСаО Si02 (или C3S), поскольку жидкая среда интенсифицирует диффузию молекул оксида кальция. C3S выделяется из жидкой среды вследствие меньшей растворимости в расплаве в виде мельчайших, но способных к росту кристаллов. Это новообразующееся вещество в кристаллическом состоянии является главной составной частью портландцемента. Для его более полного выделения из расплава требуется температура 1450-1500°С со сравнительно длительным сохранением этих тепловых условий. Но даже при самых благоприятных условиях перевод всего двухкальциевого силиката в более устойчивое состояние в виде трехкальциевого силиката затруднителен. Для поддержания необходимой концентрации растворенных в расплаве извести и СагБ потребовались бы весьма высокие температуры и длительный период времени.

В сырьевых смесях, насыщенных известью, некоторая часть ее может остаться неусвоенной в процессе обжига. Однако свободной извести в портландцементе не должно быть выше 1-1,5% во избежание неравномерного изменения объема при его твердении.

При медленном охлаждении продукта обжига жидкая фаза может почти полностью перейти в продукты кристаллизации, а при очень быстром - в переохлажденную жидкость (стекло). Обычные тепловые режимы в печи благоприятствуют и кристаллизации, и частичному застекловыванию, причем стекло окаймляет отдельные кристаллы.

Таким образом, в результате внутренних химических и физико-химических процессов при обжиге сырьевой смеси образуется клинкер, в составе которого имеются сложные соединения как в кристаллическом состоянии - C3S и C2S, так и в стеклообразном - СзА, С5А3, C4AF. Кроме того, присутствуют в нем MgO (главным образом в виде кристаллов периклаза), СаО и R2O - в стекловидной фазе. Некоторые из этих соединений называются искусственными минералами, а именно: соединения C3S и C2S называются соответственно алитом и белитом. Эти минералы не являются химически чистыми компонентами клинкера. Так, например, Сз8 может воспринять некоторое количество алюминатов; C4AF воспринимает немного трехкальциевого алюмината и т. д. Поэтому микроскопический анализ показывает состав, который не совпадает с расчетным составом. По расчетному минералогическому составу портландцементный клинкер можно разделить на группы: алитовый с содержанием алита свыше 55% и белита меньше 20%; белитовый - с содержанием алита меньше 40% и белита - больше 40%; нормальный с содержанием алита 40-55% и белита 20-40% при общем количестве во всех трех случаях СзА + C4AF 20-25% (по массе); алюминатный - при содержании СзА больше 10% и C4AF меньше 15%; алюмоферритный - при содержании СзА меньше 10% и C4AF больше 15% при общем количестве силикатов, равном 75%.

Из вращающейся печи клинкер выходит в виде мелких гранул (10-40 мм) зеленовато-серого цвета, после чего его охлаждают воздухом до 100-200°С и направляют на магазинирование. Эта операция выражается в выдерживании клинкера на складе или в силосе для дальнейшего снижения его температуры и частичного самоизмельчения под влиянием тепловых перепадов, гашения свободной извести и других факторов.

При сухом способе подготовки сырья декарбонизация известняка обычно выносится за пределы вращающейся печи - в де-карбонизатрры, что позволяет использовать теплоту отходящих газов, ускорить процесс обжига, снизить расход топлива и энергозатрат, металлоемкость оборудования за счет уменьшения длины печи.

На основании изложенного можно заключить, что получаемый портландцементный клинкер характеризуется содержанием отдельных оксидов; соотношениями между содержанием главнейших оксидов, выражаемыми в форме модулей и коэффициента насыщения; содержанием клинкерообразующих соединений - клинкерных минералов.

Главнейшими оксидами клинкера являются CaO, SiCh, AI2O3, регОз. Среди других оксидов, оказывающих нередко существенное ‘влияние на качество цемента, следует отметить MgO, SO3, N2O, К2О, Ti02, P2O5, МП2О3. Три последних оксида встречаются в очень малых количествах и при расчетах обычно их не учитывают. Химический состав клинкера характеризуется следующими пределами содержания вышеуказанных оксидов (% по массе): СаО - 62-67%; Si02 - 20-24; AI2O3 - 4-8; Fe206 - 2-51, других оксидов (MgO, SO3)-1-3%.

Указанные модули сравнительно четко характеризуют свойства цемента. Так, например, цементы с высоким силикатным модулем медленно схватываются и твердеют, но с течением времени они достигают весьма высоких прочностей. У таких цементов имеется повышенная стойкость к воздействию минерализованной воды. Однако в период изготовления клинкера с высоким силикатным модулем затрудняются процессы спекания, требуется повышенная температура. Наоборот, низкий силикатный модуль придает сырьевой смеси чрезмерную легкоплавкость и в связи с образованием натеков и кусков на футеровке печи также затрудняет обжиг.

Для ориентировки следует учесть, что первый оксид (СаО) составляет 2/3 всего количества; каждый последующий (Si02, A1203, Fe203) - V3 количества предыдущего оксида («Мнемоническое правило»).

Цементы с высоким глиноземным модулем, что соответствует повышенному содержанию алюминатов кальция, быстрее схватываются и твердеют. Однако достигнутая в первые сроки прочность почти не возрастает при дальнейшем твердении. Такие цементы менее стойки к воздействию минерализованной воды. При малых значениях глиноземного модуля, т. е. при больших количествах в клинкере оксида железа, цементы медленнее схватываются и твердеют, но дают более высокую конечную прочность. Оксид железа облегчает обжиг клинкера, понижает температуру его спекания.

В цементах лимитируется содержание оксида магния (4-4,5%), так как, находясь в свободном состоянии, он может, вследствие медленной и более поздней гидратации, вызывать появление напряжений и трещин в изделиях. Основной характеристикой клинкера служит его минеральный состав, т. е. содержание C3S, C2S, СзА и OAF . Учитывая, что каждому минералу портландцементного клинкера присущи свои особенности (рис. 9.4), которые в той или иной степени влияют на общие свойства цемента, строителям нельзя обращать внимание только на прочностные показатели. По данным С.Д. Окорокова, наибольшей прочностью для всех сроков твердения обладает алит.

Наибольшей интенсивностью нарастания прочности отличается СзА, но он, как и C4AF, дает низкую прочность. Последнее место, как по абсолютным показателям прочности, так и по интенсивности роста прочности, занимает белит. Следует отметить, что в длительные периоды времени твердения белит способен набирать высокую прочность/Аналогичным образом ведут себя смеси из этих компонентов. Наибольшую прочность показали двухкомпонентные смеси алита и СзА, наименьшую - алит в смеси с белитом и алит в смеси с C4AF. Увеличение содержания СзА до 15% повышает прочность в первые сроки твердения, но в дальнейшем дает уменьшение прочности. Содержание СзА до 10% дает наилучший постоянный прирост прочности при объединении с OS, хотя отдельно СзА, как отмечалось выше, дает весьма малую прочность. В этом случае положительную роль сыграло присутствие в цементе гипса, который добавлялся при помоле клинкера. С ним образуется при твердении теста комплексная соль - кристаллический гидросульфоалюминат кальция ЗСаО АЬОз 3CaS04 * 31 (или 32)Н20, называемая эттрингит. О ней подробнее изложено ниже в связи с коррозией бетона (см.9.10).

При оценке качества и выборе необходимого для конкретных целей цемента, кроме прочностных показателей принимают во внимание деформативные, усадочные, тепловыделение, коррозиестой-кость, морозостойкость и стойкость к внешним условиям работы строительных конструкций и другие свойства. Присутствие искусственных минералов клинкера в различных количествах и сочетаниях вносит свои коррективы в соответствующие показатели цемента.

Деформативная способность - удароустойчивость и пластичность - значительно выше у алюмоферритного цемента (20% C4AF), практически лишенного трехкальциевого алюмината (по данным А.Е. Шейкина, СзА было 1%). Алитоалюмоферритный цемент (по данным А.В. Саталкина) дает почти в 2 раза большую предельную растяжимость, чем алюминатный цемент. Содержание СзА сильно уменьшает деформативную способность цемента, увеличивает вероятность трещинообразования. СзА является наиболее хрупким минералом, тогда как C4AF - наименее хрупким. Среднее положение занимают СзБ и C2S. Аналогичное положение занимают минералы и по свойству их твердости.

Объемные деформации при твердении теста и бетона также зависят от минерального состава цемента. В.А. Кинд установил, что наибольшую усадку дает СзА, а затем C2S. Алит и алюмоферрит оказывают наименьшее влияние на объемные деформации цемента.

Неодинаково у минералов цементного клинкера и тепловыделение, которое влияет на среднюю температуру, развивающуюся при твердении цементного теста. Так, например, наибольшее количество теплоты выделяют Сз8 и СзА, которая на третьем месяце твердения составляет 200-220 кал/г. Третье место занимает C4AF - 100 и последнее место - C2S - 50-60 кал/г. Среднее количество теплоты, выделяемое цементами, колеблется в зависимости от минералогического состава от 50 до 140 кал/г, но в основном оно зависит от суммы C3S и СзА, как наиболее экзотермичных при твердении. По этой причине для бетонных работ в осенне-зимний период желательно использовать цемент с повышенным содержанием алита и СзА, то же - при необходимости сокращения сроков изготовления бетонных и железобетонных изделий, особенно тонкоребристого типа. При изготовлении массивных бетонных конструкций требуется цемент с возможно меньшей экзотермией, например, типа бели-тового.

Разрушение портландцемента при сульфатной агрессии связано с наличием в нем алюмината кальция. Следовательно, в этой среде у цемента должен быть повышенным силикатный модуль, уменьшенное содержание СзА, например не более 5%. Против воздействия кислот неустойчивы ни силикаты, ни алюминаты, так как происходит их растворение.

Приходится учитывать также, что морозостойкость, выражаемая многократным замораживанием и оттаиванием бетона, насыщенного водой (например, в опорах мостов на уровне воды), понижается при увеличении содержания СзА в цементе.

Не являются пассивными ингредиентами щелочные оксиды R2O, когда в бетоне используются заполнители в виде опала - аморфного кремнезема (S1O2, n Н2О), повышающие диффузию воды в бетон и осмотическое давление в нем вплоть до критического уровня и разрушения строительной конструкции.

Портландцемент применяют главным образом для бетонных и железобетонных конструкций в наземных, подземных и подводных сооружениях, в том числе и таких, которые подвержены попеременному замораживанию и оттаиванию. Для растворов они используются только в тех случаях, когда не имеется более дешевых вяжущих веществ - воздушной и гидравлической извести, смешанных цементов и др. В цементных растворах требуется предусмотреть введение водоудерживающих добавок - извести, глины, цемянки, золы, молотого известняка и др. Во всех случаях использования портландцемента непременно учитывают, что имеются и специальные разновидности этого вяжущего вещества - быстротвердеющий, сульфа-тостойкий, пластифицированный и гидрофобный, белый и цветной, тампонажный и др., а также смешанные на основе портландцемента или на основе извести. Кроме того, возможны к применению иные разновидности цементов, которые также необходимо иметь в виду при выборе рационального вяжущего вещества для конкретных строительных целей. Все они в той или иной мере рассмотрены ниже.

Здесь же важно отметить, что среди наиболее важных показателей качества портландцемента и других цементов является так называемая активность - показатель предела прочности, получаемый при испытании на осевое сжатие половинок образцов-балочек размером 4×4×16 см, изготовленных из цементного раствора состава 1:3 (по массе) и В/Ц = 0,4, в возрасте 28-суточного твердения1. При изготовлении цементного раствора используют нормальный песок Привольского месторождения, содержащий не менее 98% кварцевых зерен размером 0,5-0,9 мм. Образцы-балочки изготовляют по стандартной методике. По активности судят о марках цемента.

Маркой цемента принято именовать величину его активности, но с округлением до нижнего предела и с учетом его предела прочности при изгибе.

Различают следующие марки портландцемента: М- 400, М 500, М 550 и М 600.

Допускается ускоренное испытание на определение активности, например в возрасте 3 или 7 суток, но с последующим уточнением данных применительно к нормальному 28-суточному возрасту испытания образцов.

Кроме активности по стандарту, желательно, в соответствии с теорией ИСК и ее законом конгруэнции (см. 3.2), определять еще расчетную активность портландцемента (и других видов вяжущего вещества). Под расчетной активностью подразумевается предел прочности при сжатии (или при других видах напряженного состояния) цементного камня оптимальной структуры, полученного и испытанного с учетом реальных условий ИСК на основе этого цемента. Зафиксированная величина активности называется расчетной потому, что входит в формулы для расчета соответствующей прочности бетона оптимальной структуры. Стандартная же активность является некоторой условной, нужной для товарной маркировки цемента, т. е. для сравнения его с другими цементами. В техническую характеристику портландцемента входят такие показатели (в количественных значениях): тонкость помола, плотность, сроки схватывания, равномерность изменения объема (по данным визуального осмотра образцов). Все они обусловлены стандартными методиками их определения.

Тонкость помола оценивают по количеству цемента, прошедшему через сито с сеткой № 008 (размер ячейки в свету 0,08 мм); должно просеиваться не менее 85% массы просеиваемой пробы. Значимой величиной в оценке тонкости помола служит удельная поверхность частиц цемента, определяемая с помощью поверхно-стомера. Средний размер частиц цемента составляет 15-20 мкм, что соответствует удельной поверхности, равной 2500-3000 см2/г.

Плотность портландцемента без минеральных добавок равна 3,1 г/см3, насыпная плотность в среднем - 1300 кг/м3.

Сроки схватывания - начало не ранее 45 мин, конец - не позднее 10 ч от начала затворения цемента водой в тесто нормальной густоты. Под последней понимается количество воды, в % по массе, которое потребовалось ввести, чтобы пестик в приборе Вика мог опуститься в кольцо с тестом на глубину, при которой он не доходит до дна на 5-7 мм. Нормальная густота портландцемента обычно находится в пределах от 22 до 28%. В цементе, содержащем активные минеральные добавки, нормальная густота может возрастать до 32-35%.

Равномерность изменения объема, при своей простоте определения, является важной характеристикой цемента. Она выражается в визуальной оценке состояния образцов-лепешек из теста нормальной густоты в возрасте 24 ч, прошедших трехчасовое кипячение в воде. По стандарту образцы не должны деформироваться или иметь радиальные трещины. Эти дефекты возможны при гидратации свободной извести СаО или периклаза MgO, оказавшихся в цементе сверх допустимого предела и вызвавших местные деформации испытуемых образцов.

Все необходимые сведения о технических свойствах цемента со| общаются потребителям, получающим цемент с завода, в виде паспорта на поставляемую партию цемента. Размер партии может составлять от 300 до 400 т, но паспорт относится обычно к партии цемента в 200-300 т.

Разновидности портландцемента. БыстротвердеюЩий портландцемент, как уже отмечалось, получается в основном за счет повышенного содержания в клинкере быстротвердеющих минералов C3S и СзА, т. е. чтобы цемент был алитоалюминатным. Желательное содержание этих минералов находится в пределах: C3S - 50-60%, СзА - 8-12%, а сумма их-не менее 65%. Повышенное содержание этих соединений должно сопровождаться и повышенным содержанием двуводного гипса, вводимого при помоле клинкера. Гипсового камня принимается такое количество, которое может быть химически связано в твердеющем портландцементом тесте в Течение первых 24 ч после его затворения, что обычно составляет около 3% (2-5%).

Для ускорения процессов твердения необходим более тонкий и однородный помол сырьевой смеси, использование исходных материалов по возможности с аморфной структурой, поддержание повышенных температур при обжиге с добавлением в смесь минерализаторов (например, плавикового шпата), более быстрое охлаждение клинкера, выходящего из зоны спекания, более тонкий помол клинкера (до 3500-4000 см2/г). Скорость нарастания прочности цементного камня можно увеличить также путем введения химической добавки - хлористого кальция, соляной кислоты или других веществ аналогичного действия, вводимых в малых дозах.

Производство быстротвердеющего портландцемента началось в нашей стране с 1955 г., что позволило снизить расход цемента в бетоне и уменьшить энергозатраты на теплообработку изделий в связи с укороченной ее продолжительностью.

Сверхбыстротвердеющий высокопрочный портландцемент (СБТЦ) отличается от быстротвердеющего (БТЦ) значительно более высокой ранней прочностью. Так, например, через 6 ч после за-творения водой фиксируется прочность в 10 МПа, что в два раза больше получаемой при твердении теста на основе СБТЦ. При использовании СБТЦ можно через 1-4 ч получать прочность бетона, достаточную для распалубки изделий, расход цемента снизить до 20%, значительно сократить энергозатраты на теплообработку изделий.

В технологический период при изготовлении СБТЦ в сырьевую смесь вводят галогеносодержащие вещества, например фторид кальция, увеличивают в смеси содержание алюминатов.

В ряду быстротвердеющих и сверхбыстротвердеющих цементов возможно по своим свойствам расположить еще особобыстротвер-деющий цемент. Он является высокопрочным и в возрасте 1 сутки имеет предел прочности при сжатии 20-25 МПа. В нем 65-68% C3S, СзА до 8%. Его удельная поверхность - свыше 4000- 4500см2/г.

Сульфатостойкий портландцемент получают при совместном тонком помоле клинкера специального состава (с малым содержанием алюминатов кальция) с гипсом до 8%. Он и его разновидности имеют строго установленный химический состав: трехкальциевого силиката C3S - не более 50%, трехкальциевого алюмината СзА - не более 5%, а сумма СзА и C4AF - не выше 22%, оксида магния не более 5%.

Сульфатостойкий портландцемент имеет марку 400, не должен содержать минеральных добавок, если они снижают морозостойкость бетонов на основе этих вяжущих веществ. Разновидности этого цемента: сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками марок 400 и 500,1 сульфатостойкий шлакопортландцемент марок 300 и 400 и пуццолановый портландцемент марок 300 и 400. Их применяют при строительстве подземных и подводных частей сооружений, подвергающихся сульфатной коррозии.

Обычный сульфатоетойкий портландцемент применяют для изготовления бетонов, работающих в условиях сульфатной среды, например в морской воде, а также для бетонов повышенной морозостойкости.

Портландцементы с поверхностно-активными добавками. К ним относятся пластифицированный и гидрофобный.

Пластифицированный портландцемент - продукт тонкого измельчения портландцементного клинкера с двуводным гипсом (3-5%) и с добавлением при помоле около 0,25% сульфидно-дрожжевой бражки (СДБ) или другой пластифицирующей добавки. Эти добавки, адсорбируясь на поверхности частиц цемента, повышают смачиваемость цемента водой, не препятствуя их взаимодействию. Добавки уменьшают трение между зернами цемента, а в бетонных смесях - и между зернами заполнителя, вследствие чего повышают их подвижность, позволяют уменьшить расход цемента в бетоне на 5-10%.

Гидрофобный портландцемент - продукт тонкого измельчения портландцементного клинкера с двуводным гипсом (3-5%) и с добавлением при помоле 0,1-0,2% гидрофобизирующих добавок - мылонафта, синтетических жирных кислот, асидола. Синтетические жирные кислоты, их соли (мыла) и другие частицы, адсорбируясь на поверхности зерен цемента, образуют тончайшие водоотталкивающие пленки, уменьшающие смачиваемость цемента водой. В результате гидрофобные цементы могут длительное время пребывать на воздухе с повышенной влажностью без потери своей активности.

При перемешивании бетонной смеси целостность гидрофобной пленки нарушается, после чего цемент беспрепятственно взаимодействует с водой. Остающиеся добавки в теле бетона улучшают его качество, например повышая морозостойкость, сопротивляемость агрессивной среде.

Пластифицированный и гидрофобный портландцементы применяют наравне с обычным портландцементом для бетонных и железобетонных наземных, подземных и подводных конструкций, в том числе работающих в условиях циклического замораживания или увлажнения.

Белый и цветные портландцементы. Сырьем для заводского производства белого портландцемента служат чистые известняки и белые глины. Сырьевую смесь обжигают на беззольном (газовом) топливе. Для повышения белизны клинкер обжигают в восстановительной среде и отбеливают путем быстрого охлаждения водой. Белый цемент должен содержать БегОз не более 0,35-0,5%. При помо ле особенно тщательно предохраняют цемент от попадания в частиц железа или оксидов железа, которые нарушают его белизну. По степени белизны белый портландцемент делится на три сорта: цемент 1-го сорта имеет коэффициент отражения не ниже 80%; 2-го сорта - не ниже 75% и 3-го сорта - не ниже 68%. Степень белизны определяют фотометром типа ФМ-58. За эталон принимают сернокислый барий BaS04: он имеет коэффициент отражения не менее 95%. Следует отметить, что коэффициент отражения портландцемента обычного составляет 40%.

Цветные цементы получают путем совместного помола клинкера белого портландцемента со щелочестойкими и светостойкими пигментами. Пигментов добавляют не более 15% минеральных и не более 0,3%) органических. Для получения цветных цементов желтого, розового, красного, коричневого, зеленого, голубого и черного цветов используют пигменты природные (охру, железный сурик и др.) и искусственные (оксид хрома, мумию, оксид марганца - пиролюзит).
По способу П.И. Боженова можно получать цветные клинкеры, добавляя к сырьевой смеси 0,05-0,1% соединений хрома, марганца, кобальта, никеля и др. При помоле таких клинкеров получают цветные цементы с более интенсивной окраской.

Белый и цветные портландцемента выпускают марок М 400 и М 500. Их применяют для архитектурно-отделочных работ, облицовочного слоя панелей и блоков, скульптурных работ, цветных разделительных полос на автомагистралях и т. п.

Портландцемент дорожный получают совместным помолом портландцементного клинкера, в котором повышенное содержание C3S, но ограниченное СзА - до 8%, а также’гипса - до 3,5% по БОз. Пластифицирующих добавок при помоле добавляют не более 0,3%. Присутствие гранулированного доменного шлака допускается до 15% массы цемента. Выпускается этот цемент двух марок: 400 и 500. Начало схватывания не ранее 2 ч после затворения водой.
Дорожный портландцемент предназначен для устройства бетонных покрытий автомагистралей, придавая им повышенную морозостойкость, деформативность, прочность при изгибе и ударной нагрузке, а также низкие показатели истираемости и усадки.

Расширяющийся портландцемент (РПЦ) - гидравлическое вяжущее вещество, получаемое в процессе тонкого измельчения смеси, состоящей из портландцементного клинкера (60%), глиноземистого клинкера или шлака (6%), доменного гранулированного шлака или Другой активной минеральной добавки (25%) и гипса (9%). РПЦ характеризуется высокой плотностью, быстрым твердением при кратковременном пропаривании, водонепроницаемостью до 1,2 МПа и более, а также повышенной морозостойкостью цементного камня. Главным достоинством этого цемента служит способность цементного теста в начальный период твердения переходить в цементный

камень с линейным расширением 0,3-0,4% при постоянном увлажнении (в течение трех суток).

Применяют РПЦ, как и другие цементы с аналогичным качеством, при заделке в целях гидроизоляции швов тюбингов, раструбных труб, стыков и трещин в бетонных и железобетонных конструкциях, в производстве сборных бетонных изделий с сокращением j времени их тепловой обработки.

Алинитовый цемент - одна из новых разновидностей быстрот-вердеющих портландцементов. В качестве сырьевых материалов для его производства применяют смесь известняка, глинистого компонента и добавки раствора хлористого кальция. Для получения клинкера сырьевую смесь обжигают при температуре 1050-1150 °С вместо 1450-1500 °С при получении клинкера портландцемента. Полученный клинкер измельчают совместно с добавкой двуводного гипса в количестве 2,5-3,5% массы цемента в расчете на SO3. Допускается введение 10-30% активных минеральных добавок или 30-50% доменного гранулированного шлака.
В составе клинкера преобладают минералы - алинит (хлорси-ликат кальция), являющийся основным, поскольку его содержится 60-80% по массе, а также хлоралюминат кальция.

Активность алинитового цемента составляет 40-60 МПа.

При производстве алинитового цемента обеспечивается по сравнению с портландцементом более низкий (на 15-20%) расход топ-Я лива при обжиге сырьевой смеси. Но имеются и недостатки: бетоны, Ц приготовленные на алинитовом цементе, имеют пониженную моро-Щ зостойкость, а стальная арматура в железобетоне на основе такого цемента корродирует под влиянием ионов хлора. Отрицательные явления в значительной мере устраняются различными мероприятиями.

Механоактивированный портландцемент начали выпускать на отдельных заводах по своеобразной технологии с целью улучшения его строительно-технических характеристик, а также увеличения его массы при сохранении исходной активности. В результате механо-химической активации повышается не только дисперсность материала, но и реакционная способность, выражаемая в приросте гидравлической активности на 30-40 МПа. Последнее означает возможную экономию до 70% цементного клинкера в связи с его заменой минеральными добавками, например горной кремнесодержащей породой, песком, золошлаковым отходом и др. Обычно реализуется одна из двух возможных технологических схем производства меха-ноактивированного портландцемента: по 1-му варианту - 1 т цемента марки 500, добавка с получением после активации 1-4 т зо-лошлаковых отходов, песка или другого минерального вещества с выходом на конечной операции 2-5 т вяжущего вещества марки 300-500 и возможного получения широкой номенклатуры сухих смесей для строительных и отделочных работ; по 2-му варианту - 1 т цемента марки 500 с добавкой механохимической обработки вещества, с получением 1 т цемента марки 700-800, и, соответственно, качественно новых технических свойств цемента в бетонах и растворах, в том числе при получении искусственного литого камня (фундаментного, тротуарного, декоративного и др.).

Глиноземистый цемент и его разновидности. К клинкеросодержа-щим гидравлическим вяжущим веществам, кроме портландцемента и его разновидностей, относится и глиноземистый цемент со своими разновидностями. Однако для его получения требуется клинкер иной, а не портландцементный. Этот цемент является бысТротверде-ющим вяжущим веществом, набирающим через сутки твердения прочность, которая составляет свыше 85% его марочной прочности. Он получается обжигом до плавления, и тогда сырьевая смесь в виде брикетов обжигается в электропечах или вагранках при температуре 1400-1500°С. Обжиг может быть до спекания, и тогда клинкер получают во вращающихся печах при температуре 1200-1300°С. За обжигом следует тонкий помол продукта обжига - сплава или клинкера. От других цементов глиноземистый отличается высоким, преобладающим содержанием в клинкере алюминатов кальция.
К основным видам сырья для получения глиноземистого цемента относятся боксит АЬОз яШО и известняк. Но боксит - сравнительно редко встречающаяся горная порода и, к тому же, весьма ценная для получения металлического алюминия. Поэтому используют некоторые промышленные отходы, богатые глиноземом (АЬОз). В нашей стране разработан способ производства этого цемента путем плавки в доменной печи бокситовой железной руды с добавлением известняка или Извести и металлической стружки или лома. В такой домне кроме чугуна получают шлам температурой 1550-1600°С, который и является глиноземистым клинкером, поступающим на помол его в цемент.

Глиноземистый цемент представлен следующими оксидами (%): А120з - 55; СаО - 45; SiOz - 5-10; Fe203 - 5-15 (включая закись железа). Основным компонентом цемента является однокаль-Циевый алюминат СА, который в дальнейшем при взаимодействии с водой характеризуется нормальным сроком схватывания (начало не менее 30 мин), высокой прочностью цементного камня в ранние сроки твердения. При повышенном содержании СаО возникает при обжиге С5Аз или С12А7, а при пониженном - САг. Чтобы не было Уменьшения интенсивности нарастания прочности, стремятся ограничить содержание C2S, поэтому должен быть минимальный предел содержания кремнезема в сырье. Не приносят пользу в сырье окси-Ды и закиси железа, скорее - наоборот. Вовсе нежелательно присутствие MgO и ТЮг, так как, отнимая часть оксида алюминия и оксида кальция, они дают негидратирующиеся, т. е. балластные, соединения.

Помол клинкера производят до очень высокой дисперсности цемента: больше 90% должно проходить сквозь сито № 008 с сеткой 5476 отв/см2. Однако размалывается в порошок он труднее портлан-дцеМентного клинкера, с большим расходом электроэнергии на работу мельницы.

Глиноземистый цемент выпускают трех марок: 400, 500 и 600, определенных в трехсуточном возрасте, но уже через одни сутки образцы набирают прочность при сжатии, соответственно, не менее 23, 28 и 33 МПа. Твердение цементного теста (и в изделиях) сопровождается выделением значительного количества теплоты (250-370 кДж/кг). Это хорошо при зимнем бетонировании, но в массивных сооружениях, особенно при работах в летнее время, могут возникать местные перегревы и неравномерное деформирование. Изделия на основе глиноземистого цемента при твердении нельзя нагревать (например, пропаривать), так как с повышение температуры бетона его прочность быстро падает (в 2-3 раза) связи с образованием в цементном камне малопрочных соедине ний- так называемого кубического трехкальциевого гидроалюми ната ЗСаО АЬОз 6ШО (СзАШ). Для устранения этого явления, п предложению П.П. Будникова, при помоле клинкера в мельницу до бавляют природный или обожженный ангидрит CaS04. Получае мый ангидрито-глиноземистый цемент быстро твердеет не тольк при нормальной температуре (15-20°С), но и при повышенной (30-40°С и выше), приобретая высокую прочность. Его целесообразно использовать при всех срочных строительных работах, особенно, если отвердевание конструкций происходит при повышенных температурах. При температурах же до 25-30°С весьма эффективен глиноземистый цемент, обеспечивается высокая прочность железобетонных изделий в начальные сроки твердения, повышенная морозостойкость, высокая коррозионная стойкость при воздействии сульфатных сред, морской воды. На основе глиноземистого цемента изготовляется расширяющийся водонепроницаемый цемент, жаростойкие растворы и бетоны. Однако следует отметить, что в связи с заметным истощением запасов высокосортных бокситов качество глиноземистого цемента нередко заметно снижается, в частности, за счет повышенного содержания в них Si02 и других микропримесей с возможным образованием геленита. В последние годы появились работы, направленные на получение так называемого модифицированного глиноземистого цемента. Для его изготовления используют бокситы, загрязненные примесями, но в сырьевые смеси вводят полезные добавки, повышающие содержание химических новообразований. В результате новые модифицированные смеси оказались более благоприятными для поддержания улучшенного качества. В небольших размерах применяют добавки с гарантией высокого качества готовой продукции (из работ С.И. Иващенко).

Расширяющийся водонепроницаемый цемент получают способом тщательного перемешивания (или совместного помола) глиноземистого цемента (около 70%), гипса (около 20%) и молотого высокоосновного гидроалюмината кальция (примерно 10%). Он является бы-стросхватывающимся и быстротвердеющим гидравлическим вяжущим веществом. Важный его компонент - высокоосновный гидроалюминат кальция - изготовляют отдельно путем совместного помола смеси глиноземистого цемента и извести-пушонки, взятых в равных отношениях. Полученную смесь обрабатывают в гип-соварочном котле и высушивают. Готовый продукт С4АН13 - требуемый компонент (10-11%) данного цемента.

Линейное расширение твердеющего цемента в состоянии теста нормальной густоты при воздушном хранении образцов составляет в возрасте 1 суток не менее 0,05%, в возрасте 28 суток г не менее 0,02%; то же при погружении образцов в воду: через 1 ч в возрасте 1 суток не менее 0,2%. Предел прочности при сжатии кубиков размером 20×20×20 мм цементного теста нормальной густоты через 3 суток - не менее 30, через 28 суток - не менее 50 МПа. Начало схватывания - не ранее 4 мин, конец - не позднее 15 мин от начала затворения теста. Эти сроки можно замедлять добавкой ССБ, буры и др. Данный цемент используют при восстановлении железобетонных конструкций, для гидроизоляции подземных сооружений, заделки трещин разного рода, зачеканки стыков водопроводных труб и т. п.

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент (ГГРЦ) - гидравлическое быстротвердеющее вещество, получаемое совместным помолом высокоглиноземистого шлака с двуводным сернокислым кальцием (не более 30%). Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент имеет начало схватывания не ранее 20 мин и конец схватывания не позднее 4 ч от начала затворения, что выгодно отличает его от водонепроницаемого расширяющегося цемента. При необходимости могут использоваться замедлители сроков схватывания - ССБ, бура, уксусная кислота и другие добавки. Линейное расширение твердеющего цемента в состоянии теста нормальной густоты составляет при водно-воздушном твердении не менее 0,1%, а при водном твердении - не менее 0,15% через одни сутки. Без влажности, т. е. на воздухе, этот цемент не расширяется и даже дает усадку. Предел прочности при сжатии через 1 сутки 35 МПа для марки 400 и 45 МПа для марки 500. Указанные марки соответствуют трехдневному возрасту этого цемента. Деформативная способность ГГРЦ несколько выше, чем у глиноземистого цемента. Он предназначен для получения безусадочных и расширяющихся водонепроницаемых бетонов, гидроизоляционных штукатурных растворов, для заделки стыков сборных бетонных и железобетонных конструкций, при бурении скважин и т. п. Обладает морозостойкостью, атмосфе-роустойчивостью в растворах и бетонах, изготовляемых на его основе; нельзя применять его при работе конструкций при температурах выше 80°С, так как постепенно разрушается важный кристаллический компонент цементного камня - эттрингит, содержащий в себе много кристаллизационной воды.

Напрягающий цемент (НЦ) - быстросхватывающееся, быстрот-вердеющее, расширяющееся вяжущее вещество, получаемое тщательным смещением в определенной дозировке при совместном помоле силикатного, алюминатного и сульфатного компонентов. Силикатным компонентом (65-75%) служит портландцемент или его клинкер; алюминатным (18-20%) - глиноземистый цемент или его клй*нкер, в качестве которого может быть и глиноземистый шлак; сульфатным компонентом (6-15%), в пересчете на SCh, является строительный гипс или природный гипсовый камень.

Начало схватывания должно быть не ранее 2 мин и конец схватывания не ранее 6 мин. При использовании в качестве сульфатного компонента природного гипсового камня начало схватывания НЦ наступает не ранее 8 мин и конец - не менее 15 мин. С помощью добавок можно замедлить сроки схватывания. Удельная поверхность НЦ - не менее 3500 см2/г.

НЦ обладает способностью к значительному расширению (до 4%) при твердении в состоянии цементного теста нормальной густоты. В железобетоне НЦ создает после отвердевания в арматуре (независимо от ее расположения) предварительное напряжение. Этим свойством как функцией химической энергии цемента пользуются при изготовлении предварительно напряженных железобетонных конструкций вместо более сложного механического или термического напряжения арматуры. С учетом величины достигаемой энергии самонапряжения, т. е. удельного давления в МПа, развиваемого при твердении НЦ в условиях ограничения свободного расширения, выделяют его разновидности НЦ-2, НЦ-4 и НЦ-6. Напрягающий цемент отличается также повышенными показателями водо- и газонепроницаемости, морозостойкости, прочности при растяжении и изгибе. Марки цемента - 400 и 500; определяются испытанием образцов-балочек из цементно-песчаного раствора 1:1 в возрасте 28 суток.

Напрягающий цемент применяют для изготовления конструкций из самонапряженного железобетона, а также для гидроизоляции шахт, подвалов, зачеканки швов, в спортивных сооружениях, подземных гаражах, полах общественных и производственных зданий и других объектах.

Способностью, к гидравлическому (водному) твердению обладают тонкоизмельченные вещества, которые преимущественно состоят из соединений окиси кальция с кремнеземом и глиноземом. Такие соединения соответственно называются силикатами и алюминатами кальция.

Существует два способа получения этих гидравлических соединений:
а) обжиг природной или искусственной смеси известняка и глины В процессе обжига известняк разлагается, образуется окисел СаО, который затем реагирует с окислами глины;
б) смешивание извести с веществами, содержащими указанные окислы в активной форме (т. е. легко взаимодействующими с известью). Такие вещества называются гидравлическими добавками.

Первым способом получают гидравлическую известь, портландцементы; вторым - пуццолановые портландцементы и известково-пуццолановые цементы (гидравлические добавки раньше назывались пуццолановыми).

Гидравлическая известь

В природе широко распространены известняки с высоким содержанием глины (от 8 до 20%»). Если тйкой известняк обжечь, то получим гидравлическую известь, которая в отличие от воздушной твердеет не только на воздухе, но и в воде. При обжиге глинистые вещества взаимодействуют с окисью кальция и образуют соединения, которые в измельченном состоянии способны твердеть в воде. Чем больше будет образовано таких соединений, тем выше окажутся гидравлические свойства извести.

Способ производства гидравлической извести не отличается от изготовления воздушной извести.

При обжиге известняка с повышенным содержанием глины часть окиси кальция химически взаимодействует с составляющими глины, образуя силикаты и алюминаты кальция, а другая часть окиси кальция остается в свободном состоянии. Поэтому при твердении гидравлической извести имеют место два процесса:

воздушное твердение свободной извести вследствие высыхания и карбонизации известкового теста (аналогично воздушной извести);

гидравлическое твердение силикатов и алюминатов кальция (рассмотрено далее в разделе «Портландцемент»).

В связи с медленным протеканием второго процесса растворы на гидравлической извести в начале твердения должны некоторое время выдерживаться на воздухе (от 1 до 21 дня) и только после этого их можно помещать во влажные условия.

Прочность растворов на гидравлической извести весьма различна: предел прочности при сжатии образцов, приготовленных из гидравлической извести и песка, взятых в соотношении 1:3 (по весу), спустя 28 дней колеблется в пределах 20-60 кг/см2.

Гидравлическую известь обычно применяют наряду с воздушной, но получают при этом более прочные и водостойкие растворы и бетоны. Существенное отличие гидравлической извести от воздушной-способность затвердевать в воде - расширяет область ее применения. Гидравлическую известь используют для возведения конструкций, находящихся во влажных эксплуатационных условиях (фундаментов и цоколей, оросительных каналов и др.).

Применяют ее и при изготовлении растворов для кладки и штукатурки в сухих и влажных эксплуатационных условия, а также для производства бетонов низких марок и ряда цементов - известково-шлаковых, известково-пуццолановых.

Портландцемент

Портландцементом называется гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением обожженной до спекания сырьевой смеси глины и известняка (СаС03). Спекшуюся сырьевую смесь, представляющую собой камневидные зерна, называют клинкером.

Тонкоизмельченный клинкер при затворении водой очень быстро схватывается, что затрудняет его практическое использование. Для замедления сроков схватывания портландцемента

К нему добавляют при помоле гипс в количестве 3-5% от веса цемента.

Для экономии клинкера и улучшения некоторых свойств портландцемента при помоле вводят до 15% гидравлических добавок.

Производство. Основными операциями производства цемента являются получение из сырьевой смеси клинкера и последующее ‘его измельчение с гипсом и добавками. Наиболее ответственна первая операция, в процессе которой из глины и известняка должны быть получены следующие соединения (минералы), составляющие клинкер:
— трехкальциевый силикат;
— двухкальциевый силикат;
— трехкальциевый алюминат.

Чтобы все окислы глины полностью прореагировали при обжиге с окисью кальция, образовавшейся в результате разложения СаСОз, необходимо тонко измельчить и тщательно перемешать известняк и глину. Сырьевую смесь можно приготовить сухим способом или более распространенным - мокрым.

На отечественных заводах чаще применяется мокрый способ производства портландцемента, хотя по расходу топлива он менее выгоден.

Этот способ заключается в следующем: глину предварительно размешивают в воде, известняк дробят, а затем их вместе измельчают в шаровой мельнице. Полученную сметанообразную массу, называемую шламом, содержащую примерно 25% глины и 75% - известняка (твердого вещества), направляют на обжиг во вращающуюся печь.

Современные вращающиеся печи имеют длину до 180 м и диаметр до 5 м; производительность таких печей достигает 2000 т клинкера в сутки.

Барабан печи установлен с некоторым наклоном, что обеспечивает при его вращении медленное передвижение материала в сторону опущенного конца. Шлам подается со стороны поднятого конца печи специальным питателем, а топливо в виде пыли вдувается в печь с противоположной стороны посредством вентилятора.

Дымовые газы из печи удаляет с противоположного конца барабана вентилятор.

По мере продвижения сырьевых материалов в сторону высоких температур вначале происходит испарение воды из шлама, затем выгорают органические примеси, содержащиеся в сырье, а в зоне температур 1000-1500° происходит разложение известняка и образование указанных выше трех минералов: вначале двухкальциевого силиката и трехкальциевого алюмината, затем трехкальцие-вого силиката.

Полученный клинкер охлаждается в специальном холодильнике и поступает на склад, откуда его направляют в шаровые мельницы, где он измельчается в смеси с гипсом и добавками.

Свойства портландцемента. Твердение портландцемента. При затво-рении портландцемента водой образуется пластичное тесто, которое через некоторое время начинает уплотняться и загустевать (начало схватывания), а затем превращается в твердое тело (конец схватывания), прочность которого быстро нарастает.

Из трех рассмотренных реакций только трехкальциевый силикат под действием воды разлагается (подвергается гидролизу), образуя при этом свободную известь Са (ОН)2; процесс взаимодействия двух других минералов заканчивается гидратацией (присоединением нескольких молекул воды). Выделение свободной извести при твердении трехкальциевого силиката строителям необходимо учитывать, так как из-за сравнительно высокой растворимости извести снижается стойкость портландцемента в воде (см. коррозию портландцемента).

Процесс твердения портландцемента сопровождается изменением объема: на воздухе возможна усадка, а при твердении в воде имеет место некоторое разбухание. Особенно опасна усадка, вызывающая трещины в отвердевшем бетоне или растворе. Для предупреждения усадки твердение, особенно вначале, должно проходить во влажной среде. Влажные условия необходимы также для нормального твердения цемента; в противном случае вода испарится и твердение замедлится.

Реакция взаимодействия портландцемента с водой сопровождается выделением тепла. Это явление необходимо учитывать при возведении массивных сооружений (бетонных фундаментов, плотин и др.). Внутри таких сооружений могут развиваться высокие температуры (до 70-80°), что повлечет образование трещин в бетоне. Поэтому в массивных конструкциях цементы с большим тепловыделением (высокоэкзотермичные) применять нельзя…

В зимних условиях повышенное тепловыделение цемента положительно сказывается на производстве строительных работ, так как препятствует преждевременному замораживанию бетона.

Схватывание портландцемента. Различают начало и конец схватывания цемента. Началом схватывания считают потерю подвижности (пластичности) цементного теста, а конец схватывания характеризуется некоторым его затвердением.

Начало схватывания портландцемента должно наступать не ранее чем через 45 мин., а конец - не позднее чем через 12 час. Для строителей необходимо знать сроки схватывания цемента, так как применять свежеприготовленные бетоны и растворы можно только до начала схватывания, в противном случае цементное тесто утратит клеящую способность, и прочность растворов и бетонов будет низкой.

С повышением температуры окружающей среды сроки схватывания ускоряются, а с понижением замедляются.

Прочность портландцемента характеризуется пределом прочности при сжатии. По пределу прочности при сжатии образцов в виде кубов с ребрами 7,07 см, изготовлении из жесткого трамбованного цементного раствора составом 1:3 (по весу) и испытанных в возрасте 28 дней, обозначается марка портландцемента.

Показатель предела прочности в 28-дневном возрасте называют активностью цемента, которая, как правило, всегда выше марки. Например, если активность цемента 546 кг/см2, то марка- 500. Это следует учитывать в целях более полного использования прочности цемента.

Для портландцемента установлены марки: - 300, 400, 500, 600 и 700.

На прочность портландцемента влияют количество воды при затворении и тонкость помола. Чем больше введено воды в цементный раствор, из которого готовят образцы для испытания, тем ниже будет его прочность, но выше пластичность (текучесть). В ряде стран активность портландцемента определяют на образцах из пластичного раствора. В этом случае для перехода к показателю прочности в жестких образцах, принятом в СССР, следует показатель прочности пластичных образцов умножить на 1,5-1,6.

Скорость нарастания прочности портландцемента неодинакова во времени. За первые три дня твердения портландцемент набирает половину своей 28-дневной прочности, а за оставшиеся 25 дней - еще половину. Однако марочная прочность портландцемента, как и всех других гидравлических вяжущих- веществ, не окончательна. В благоприятных условиях твердение продолжается несколько лет, и конечная прочность может превысить марочную в несколько раз.

Тонкость помола портландцемента - остаток на сите № 008, должен составлять не более 15%. С увеличением тонкости помола прочность и скорость твердения цемента возрастают. Этим пользуются на практике для получения быстротвердеющих цементов.

Стойкость портландцемента в водных условиях.

Портландцемент - гидравлическое вяжущее вещество, но в зависимости от качества воды, воздействующей на бетонную конструкцию, он может разрушиться.

Присоединяя значительное количество молекул воды, гидросульфоалюминат кальция увеличивается в объеме до 2,5 раза. Образование гидросульфоалюмината кальция очень опасно для бетона.

Длинные тонкие кристаллы гидросульфоалюмината кальция напоминают бациллы, поэтому его часто называют «цементной бациллой».

Действие кислых и щелочных вод на цементный камень различно. Кислые воды даже при низкой концентрации кислот действуют разрушающе, так как кислота растворяет Са (ОН)2. Слабые щелочи не оказывают вредного влияния на цементный камень, однако сильные щелочи тоже разрушают его. Нефтепродукты (бензин, керосин) не опасны для бетона на портландцементе.

Так появился новый вид вяжущего - сульфатостойкий портландцемент, применяемый в гидротехническом строительстве и для конструкций, подверженных действию сульфатных вод.

Применение портландцемента. Области применения портландцемента обширны и разнообразны:
— портландцемент используют при изготовлении бетонов и растворов для наземных, подземных и подводных конструкций, к которым предъявляются высокие требования прочности и долговечности;
— портландцемент является основным видом вяжущего, применяемого для изготовления сборных бетонных и железобетонных конструкций и деталей.

Следует помнить, что портландцемент является цементом высокого качества. Поэтому строители должны бережливо относиться к расходованию портландцемента, заменяя, где это технически возможно, его другими менее эффективными вяжущими (известью, смешанным цементом).

Специальные портландцементы

Специальные портландцементы отличаются от обыкновенного особыми или более ярко выраженными отдельными свойствами.

Следует иметь в виду, что специальные цементы применяют только в тех случаях, когда их особые свойства могут быть эффективно использованы.

Гидрофобный портландцемент. При длительном хранении или при перевозках водным транспортом прочность портландцемента значительно понижается за счет преждевременной реакции его с влагой, содержащейся в воздухе. Чтобы предохранить портландцемент, советские ученые предложили вводить в него специальные добавки органических веществ (мы-лонафата, асидола, олеиновой кислоты и др.), которые образуют на зернах цемента гидрофобные (не омачивающиеся водой) пленки, препятствующие проникновению влаги к зернам цемента. Гидрофобные пленки предохраняют цемент от реакции с влагой воздуха и сохраняют его прочность. Во время приготовления бетонной смеси зерна заполнителя разрушают пленку и цемент реагирует с водой, поэтому она не оказывает влияния на процесс твердения.

Пластифицированный портландцемент позволяет получить более подвижные и удобообрабатываемые бетоны, что дает до 8-10% экономии цемента. Пластифицированный портландцемент получают, вводя при помоле портландцемента пластифицирующие органические вещества (сульфитно-спиртовую барду и др.).

Бетоны на гидрофобном и пластифицированном цементах более морозостойки и менее водопроницаемы, чем на портландцементе. Поэтому особенно ценны они для конструкций, к которым предъявляются особые требования морозостойкости или водонепроницаемости.

Гидрофобные и пластифицирующие вещества добавляют не только в портландцемента, но и в другие виды вяжущих для улучшения их свойств и снижения расхода цемента в бетонах и растворах.

Белые и цветные портландцементы - это материалы, предназначаемые для архитектурно-отделочных, штукатурных, скульптурных и покрасочных работ. Белый цемент производят из чистого известняка и белых глин, свободных от окиси железа и марганца. Цветные цементы получают, измельчая клинкер белого цемента с минеральными щелочестойкими пигментами: охрой, суриком, мумией и др.

Быстротвердеющие портландцемент ы. Обычный портландцемент все же медленно твердеющее вяжущее вещество: только через 28 дней он достигает марочной прочности. Это тормозит строительные работы и производство сборных железобетонных изделий.

Быстротвердеющий цемент отличается от обычного значительной скоростью нарастания прочности в начальные сроки твердения.

Получают быстротвердеющий цемент, увеличивая тонкость помола или специально подбирая состав клинкера.

Минералы цементного клинкера не обладают равной скоростью твердения. Быстрее всех твердеет трехкальциевый алюминат, затем трехкальциевый силикат и медленнее всех - двух-кальциевый силикат. Поэтому, повышая содержание в цементе первых двух минералов трехкальциевого алюмината и силиката (до 50-60%), получают быстротвердеющий цемент, который через 1-2 дня твердения имеет свыше 50% марочной прочности.

Пуццолановые цементы

Цементы с активными минеральными (гидравлическими) добавками называются пуццолановыми.

Эти добавки (ранее называвшиеся пуццолановыми) не обладают способностью к самостоятельному твердению; будучи затворены водой, они не схватываются и не переходят в камне-видное состояние.

Известь в свободном виде содержится в таких вяжущих веществах, как воздушная и гидравлическая известь, а портландцемент выделяет ее при твердении. На этой основе получают две группы пуццолановых цементов: пуццолановые портландцемента и известково-пуццолановые цементы.

Активными минеральными добавками называются измельченные горные породы или отходы промышленности, которые при смешивании с воздушной известью придают ей способность твердеть в воде.

Эти добавки содержат в активной форме кремнезем SiC>2 и часто одновременно - глинозем А1203, образующие с известью соответственно гидросиликаты и гидроалюминаты кальция.

К природным гидравлическим добавкам следует отнести: вулканические пеплы, туфы, трассы, пемзу, диатомиты, трепелы и опоки, а к искусственным - топливные золы и шлаки, доменные гранулированные шлаки, обожженные глины и др.

Доменные гранулированные шлаки и золы горючих сланцев обладают некоторой способностью к самостоятельному гидравлическому твердению в тонкоизмельченном состоянии.

Пуццолановый портландцемент и шлакопортландцемент

Пуццолановым портландцементом называется гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением портландцементного клинкера с активной минеральной добавкой. Добавка должна составлять не менее 20 и не более 45% веса цемента, для регулирования сроков схватывания вводят при помоле до 3% гипса.

Количество применяемой добавки обусловлено ее активностью (способностью связывать известь) и составом клинкера. С повышением активности добавки уменьшают содержание ее в цементе. Например, трепела берут от 20 до 30%, трасса от 30 до 45%. Это объясняется тем, что при твердении портландцемента выделяется строго определенное количество свободной извести, которую активная добавка должна связать в нерастворимые соединения.

Шлакопортландцемент отличается от пуццоланового портландцемента тем, что в качестве добавки используется доменный гранулированный шлак, количество которого в цементе может составлять до 70% (обычно 40-70%).

Пуццолановый и шлаковый портландцемента получают как в заводских, так и в построечных условиях. При заводском способе производства смесь клинкера портландцемента и добавки измельчают в мельнице, а при изготовлении на постройке добавку в виде порошка вводят при приготовлении бетонной смеси.

Первый способ дает цементы более высокого качества, так к при совместном помоле клинкер и добавка тщательно смешиваются. Это необходимо для полного взаимодействия кремнезема добавки с известью, выделяющейся при гидратации портландцемента.

При сухом смешивании цемента и добавки необходимо тщательно следить за однородностью смеси, что достигается продолжительным перемешиванием сухих материалов.

Свойства. Прочность и сроки схватывания этих цементов не отличаются от показателей обычного портландцемента. Однако другие свойства смешанных портландцементов имеют принципиальные отличия.

При затвердении смешанного портландцемента происходят два процесса: твердение портландцементного клинкера и взаимодействие активной добавки (Si02) с известью.

Первый процесс не отличается от твердения «чистого» портландцемента. В результате второго процесса образуется гидросиликат кальция:

Са (ОН)2 + Si02 + {п - 1) Н20 = Ca0-Si02 - «H20.

Нарастание прочности смешанных цементов происходит медленнее, чем у портландцемента. Особенно замедленно протекает твердение смешанных цементов в первые дни, хотя через 28 дней прочность их достигает прочности портландцемента, а позднее даже превышает ее. Это объясняется продолжающимся взаимодействием кремнезема, добавки и извести с образованием прочных веществ, тогда как в портландцементе выделившая* ся известь остается в несвязанном малопрочном состоянии.

По пределу прочности при сжатии образцов, изготовленных из жесткого раствора (состава 1:3) и испытанных в возрасте 28 дней, пуццолановые и шлакопортландцементы разделяются на марки (от 300 до 600). Повышение температуры очень ускоряет твердение этих цементов, а понижение - сильно замедляет.

Тепловыделение у этих видов портландцемента меньше, чем у обычного, так как в их составе мало клинкера, при гидратации которого выделяется тепло. Низкая экзотермичность таких портландцементов позволяет широко применять их в массивных конструкциях.

Коррозийная стойкость. Отсутствие в пуццолановых и шлаковых портландцементах свободной извести повышает их коррозийную стойкость в пресных водах.

Морозостойкость этих цементов иногда ниже, чем у портландцемента, поэтому применение их в конструкциях, к которым при эксплуатации могут быть предъявлены жесткие требования в отношении морозостойкости, не допускается.

Применение. Пуццолановый портландцемент и шлакопортландцемент применяются для бетонных и железобетонных подземных и подводных конструкций, подвергающихся воздействию пресных вод, а также для конструкций, находящихся в условиях повышенной влажности.

Нельзя использовать эти цементы в конструкциях, быстро высыхающих или систематически подвергающихся замораживанию и оттаиванию.

Известково-пуццолановые и известково-шлаковые цементы

Известково-пуццолановым цементом называется гидравлическое вяжущее вещество, получаемое при сухом помоле или тщательном смешивании предварительно измельченных в тонкий порошок извести и гидравлической добавки. Состав цемента: 10-30% извести и 70-90% добавки. Известь может применяться гидрагная (пушонка) и негашеная (кипелка). Для регулирования сроков схватывания известково-пуццоланового цемента добавляют до 5% гипса.

В известково-шлаковом цементе добавкой является тонко-измельченный доменный гранулированный шлак.

Известково-пуццолановые и известково-шлаковые цементы подразделяются на марки: 25, 50, 100 и 150.

Свойства. Схватывание и твердение этих цементов происходит за счет взаимодействия извести с активным кремнеземом добавки, в результате чего образуется гидросиликат кальция.

Эта реакция протекает крайне медленно и также медленно нарастает прочность таких цементов при твердении. Взаимодействие извести с кремнеземом происходит только во влажных условиях, поэтому особенно в начале твердения известково-пуц-цолановых или известково-шлаковых цементов нельзя допускать их высыхания.

Благоприятно влияет на прочность изделий из таких цементов тепловлажностная обработка (пропарка), но понижение температуры отрицательно сказывается на твердении, а при температуре ниже + 10° оно практически прекращается.

Воздух о стойкость. Известково-пуццолановые и известково-шлаковые цементы под действием воздуха разрушаются. Происходит это из-за значительной усадки цементного камня, вследствие чего нарушается сцепление его с заполнителями в бетоне и образуются трещины. Для повышения воздухостойко-сти таких цементов к ним добавляют до 10-15% портландцемента дли увеличивают содержание извести до 60%.

Водостойкость известково-пуццолановых и известково-шлаковых цементов бывает высокой при правильно выбранной дозировке извести и добавки, т.е. в том случае, когда кремнезем добавки связывает всю известь в нерастворимое соединение - гидросиликаты. Если же в затвердевшем цементе будет много свободной извести, которая легко вымывается, то в воде отвердевший цемент разрушится.

Применение. Известково-пуццолановые и известково-шлаковые цементы применяют для кладки стен и фундаментов, находящихся во влажных условиях, а также для изготовления искусственных каменных материалов и бетонов низких’ и средних марок.

Эти цементы позволяют использовать в строительстве местные горные породы (активные минеральные добавки) и отходы производства (шлаки, бой кирпича, золу). Благодаря этому известково-пуццолановые и известково-шлаковые цементы имеют невысокую стоимость.

Глиноземистый цемент

Глиноземистым цементом называется быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, которое получают при тонком измельчении обожженной до плавления сырьевой смеси бокситов и извести.

Свойства. Глиноземистый цемент является быстротвердеющим, но не быстросхватывающимся вяжущим веществом. Начало схватывания глиноземистого цемента должно наступать не ранее чем через 30 мин. после затворения его водой, а заканчиваться-не позднее чем через 12 час.

За показатель прочности глиноземистого цемента принимается его марка - предел прочности при сжатии образцов из цементного раствора (состав 1:3), испытанных в возрасте трех дней. Глиноземистый цемент выпускается четырех марок: 300, 400, 500, 600.

Твердение глиноземистого цемента сопровождается выделением значительно большего количества тепла, чем при твердении портландцемента. Это ограничивает применение глиноземистого цемента в массивных бетонных конструкциях, так как высокая температура, развивающаяся внутри конструкции, может вызвать появление трещин. Однако в зимних условиях большое выделение тепла благоприятно сказывается на производстве работ.

Положительным свойством глиноземистого цемента является высокая коррозийная стойкость. Это объясняется тем, что при твердении глиноземистого цемента не выделяется известь и не образуется трехкальциевый гидроалюминат, как в портландцементе.

Применение. Глиноземистый цемент является наиболее дорогим видом вяжущего вещества, так как для его производства необходимо ценное сырье алюминиевой промышленности - бокситы. Высокая стоимость ограничивает использование глиноземистого цемента. Его применяют в особых случаях, когда необходимо быстро ввести в эксплуатацию бетонные или железобетонные конструкции, а также при авариях, ремонте гидротехнических сооружений и срочных монтажных работах.

Следует помнить, что повышение температуры отрицательно сказывается на прочности твердеющего глиноземистого цемента. В противоположность портландцементу с повышением температуры выше 25° его прочность может снизиться. Поэтому бетонные изделия и конструкции на глиноземистом цементе нельзя применять в таких условиях, когда температура при твердении бетона выше 25°.

Расширяющиеся цементы

Расширяющимся цементом называется гидравлическое вяжущее вещество, которое при твердении в воде увеличивается в объеме, а при твердении на воздухе не дает усадки или также расширяется, но меньше, чем в воде. Изобретение такого цемента явилось крупным достижением советской науки.

Как уже отмечалось, существенным недостатком всех гидравлических вяжущих веществ является их усадка, обусловленная физико-химическими процессами, протекающими при схватывании и твердении. Этот недостаток не позволяет добиться абсолютной водонепроницаемости стыков конструкции при заполнении их обычными гидравлическими вяжущими. Расширяющийся же цемент не только не имеет усадки при твердении, но даже несколько увеличивается в объеме (до 1-1,5%) без образования трещин и этим еще более усиливает плотность и монолитность бетона в стыках.

Расширяющиеся цементы производят на основе глиноземистого цемента, или портландцемента (применяется в основном глиноземистый, из которого получают цемент более устойчивого качества). В состав расширяющегося цемента входит: глиноземистый цемент (82—85%), известь и гипс.

Расширяющиеся цементы характеризуются короткими сроками схватывания, в зависимости от которых подразделяются:
— на быстросхватывающиеся-с началом схватывания через 5 мин. и окончанием - спустя 10 мин.;
— с замедленными сроками схватывания - начало не ранее чем через 20 мин. и конец - через 4 часа после затворения цемента водой.

Марки быстросхватывающихся цементов: 300, 400, 500, 600, а с замедленным схватыванием - 300, 400, 500.

Марка быстросхватывающегося цемента обозначается по пределу прочности при сжатии образцов в форме кубиков с гранью 2 см, изготовленных из цементного теста, а с замедленным схватыванием - по пределу прочности при сжатии образцов из жесткого раствора состава 1:3.

Расширяющийся цемент - новый вид вяжущего вещества. Он находит пока небольшое применение, заменяя в основном свинец, который использовали для зачеканки и гидроизоляции швов водоканализационных труб, стыков тюбингов в туннелях метрополитенов, шахтах и др. Расширяющимся цементом заделывают также монтажные болты механизмов в фундаментах, стыки и трещины в бетонных конструкциях, применяют его при ремонте гидротехнических сооружений, при аварийных работах и изготовлении гидроизоляционных штукатурок.