Строительные материалы. Часть 1. 2013

Эти реакции идут одновременно и в присутствии двуводного гипса, добавляемого при помоле. Гипс взаимодействует с гидроалюминатом с образованием эттрингита 3CaO Al2O3 3CaSO4 31H2O, который предотвращает быстрое схватывание цемента.

Образующиеся гидратные новообразования – гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты обеспечивают по мере их накопления схватывание и твердение портландцемента. Наибольший вклад в прочность портландцемента вносят гидросиликаты, меньший – гидроферриты и минимальный – гидроалюминаты и известь.

В воде и во влажных условиях при комнатной температуре гидратация цемента может продолжаться в течение десятков лет, что приводит к постоянному росту прочности цементного камня. В реальных же условиях эксплуатации бетоны и растворы на цементе подвергаются действию различных агрессивных физических и химических факторов, которые замедляют этот рост, либо вообще его останавливают.

Свойства портландцемента. (Подробно изучаются в лабораторных работах). Тонкость помола цемента оценивают остатком на сите с отверстиями 0,08 мм, который должен быть не более 15 %.

Сроки схватывания портландцемента нормируют исходя из приемлемых сроков использования бетонов и растворов на нем. Начало схватывания на приборе Вика должно наступать не ранее 45 мин, а конец – не позднее 10 ч от момента затворения.

Равномерность изменения объема при твердении портландцемента определяют кипячением предварительно затвердевших цементных лепешек. Лепешки не должны иметь трещин и искривлений, вызываемых при-

сутствием в клинкере, из которого получен цемент, повышенного количества свободного СаО, не связанного в процессе обжига другими оксидами.

Активность портландцемента оценивают прочностью при сжатии и изгибе цементно-песчаных балочек 4 × 4 × 16 см состава 1 : 3 (цемент : вольский песок1) после 28суточного твердения: 1 сут. в формах, 27 сут. в воде. По активности портландцемент делят на марки 400, 500, 550, 600 (прочность при сжатии 40–60 МПа).

Применение портландцемента. Портландцемент применяют для получения бетонных и железобетонных изделий, растворов, работающих в надзем-

1 Песок Вольского месторождения Саратовской области применяют на всей территории России при испытании активности цементов

101

ных, подземных и подводных условиях в промышленном, гражданском, дорожном и гидротехническом строительстве.

Портландцемент не следует применять в среде морской и минерализованной (соленой) и в проточной пресной водах. В этом случае применяют специальные портландцементы – сульфатостойкие и с добавками.

Химическая коррозия портландцементного камня

Коррозией цементного камня называют совокупность процессов, вызываемых внешней средой, приводящих к снижению прочности, разрушению цементных бетонов и растворов. К наиболее распространенным относят следующие виды химической коррозии.

Коррозия первого вида или коррозия выщелачивания имеет место при воздействии на бетон проточной пресной воды. При этом происходит растворение и вымывание из цементного камня Са(ОН)2, образующегося при гидратации С3S и β-С2S. В результате уменьшается плотность цементного камня, разлагаются другие продукты гидратации, устойчивые лишь при определенной щелочности, т.е. концентрации Са(ОН)2, снижается прочность цементных материалов.

Коррозия второго вида основана на обменных химических реакциях между цементным камнем и агрессивным водным раствором с образованием продуктов либо легкорастворимых, вымываемых, либо не обладающих вяжущими свойствами. К ней можно отнести кислотную, углекислотную и магнезиальную коррозии.

Под действием какой-либо кислоты образуется ее кальциевая соль и аморфные, бессвязные массы SiO2 nН2О, Аl(ОН)3, Fе(ОН)3.

Углекислотная коррозия идет при действии на Са(ОН)2 цементного камня воды, содержащей углекислый газ. Она происходит в две стадии с образованием легкорастворимого, вымываемого Са(НСО3)2:

Са(ОН)2 + СО2 + Н2О = СаСО3 + 2Н2О СаСО3 + СО2 + Н2О = Са(НСО3)2

Магнезиальная коррозия также вызывается взаимодействием Са(ОН)2 цементного камня с солями магния, например, МgСl2:

Са(ОН)2 + МgСl2 = СаСl2 + Мg(ОН)2

СаСl2 легкорастворим, а Мg(ОН)2 не обладает вяжущими свойствами, что

102

и приводит к коррозии.

Коррозия третьего вида также вызывается обменными реакциями, но с образованием малорастворимых продуктов, кристаллизующихся в порах и капиллярах цементного камня, что приводит к внутренним напряжениям, разрушению изделий на цементе. Типичным примером коррозии этого вида является сульфатная коррозия (сульфоалюминатная и гипсовая), вызываемая иона-

ми SO 24- , источниками которых являются растворы СаSО4, МgSО4, Nа2SО4 и др. Сульфаты, кроме сульфата кальция, вначале взаимодействуют с Са(ОН)2 в цементном камне с образованием СаSО4. Затем, при содержании в агрессивном растворе SO 24- менее 1 г/л, идет реакция СаSО4 с гидроалюминатами цементного камня (сульфоалюминатная коррозия) с образованием эттрингита, кристаллизующегося в порах:

3СаО Аl2O3 6Н2О+3СаSО4+25Н2О = 3СаО Аl2O3 3СаSО4 31Н2О

э т т р и н г и т

При содержании в агрессивных растворах SO 24- более 1 г/л в капиллярах цементного камня кристаллизуется гипс СаSО4 2Н2О (гипсовая коррозия).

Химическую коррозию цементного камня вызывают также различные химические продукты, вещества промышленных и сельскохозяйственных предприятий – органические кислоты, растительные и животные масла и жиры, растворы глицерина, сахара, химические удобрения и др.

Способы борьбы с коррозией. Кардинальным, но одновременно и самым дорогим способом является гидроизоляция бетонных сооружений, исключающая проникновение агрессивных веществ вглубь бетона.

Другой способ повышения коррозионной стойкости – изготовление плотного водонепроницаемого бетона путем более тщательного подбора его состава и уплотнения бетонной смеси.

Третий способ борьбы направлен против выщелачивания и тех видов коррозии, причинами которых является взаимодействие агрессивных веществ с Са(ОН)2, выделяющимся при гидратации С3S и β-С2S. Он основан на введении активных минеральных ( пуццолановых) добавок в портландцемент или материалы на его основе – диатомитов, трепелов, опок, вулканогенных пород – связывающих Са(ОН)2. Данный способ является технически и экономически самым рациональным.

103

Разновидности портландцемента

С целью улучшения некоторых свойств портландцемента производят портландцементы, отличающиеся от обычного составом клинкера, технологией, наличием добавок.

Портландцементы, содержащие активные минеральные добавки. К

активным минеральным (пуццолановым) добавкам относят некоторые гор-

ные породы (диатомиты, трепелы, опоки, вулканические пеплы, туфы и

др.) и побочные продукты промышленности (металлургические шлаки и др.). При твердении портландцемента они реагируют с Са(ОН)2, связывая его в нерастворимые соединения (гидросиликаты, гидроалюминаты и др.). Этим повышается водостойкость портландцемента и стойкость к тем видам коррозии, которым способствует присутствие в портландцементном камне Са(ОН)2. Кроме того, минеральные добавки позволяют экономить дорогостоящий клинкер. Их вводят вместо части клинкера при помоле портландцемента. Используя разные количество и виды активных минеральных добавок, получают следующие портландцементы.

Портландцемент с активными минеральными добавками содержит до 20 % указанных добавок. Его свойства близки, а применение аналогично обычному портландцементу.

Пуццолановый портландцемент (ППЦ) содержит 21–40 % природных активных минеральных добавок (дитомитов, трепелов, опок и др.). Бетоны на ППЦ стойки в проточных пресных и в сульфатных водах.

Шлакопортландцемент (ШПЦ) содержит 21–80 % гранулированного доменного или электротермофосфорного шлака. Твердение ШПЦ наиболее эффективно происходит при пропаривании и в воде. Поэтому ШПЦ предпочтительнее применять на заводах ЖБИ и в гидротехническом строительстве.

Сульфатостойкий портландцемент является стойким к сульфоалюми-

натной коррозии, вызываемой кристаллизацией эттрингита. Эттрингит образуется при взаимодействии сульфатных вод с гидроалюминатами цементного камня в условиях высокой концентрации Са(ОН)2, выделяющегося в основном при гидратации С3S. В связи с этим в сульфатостойком цементе ограничивается содержание минералов источников гидроалюминатов и Са(ОН)2 – С3А до 5 %, C3A + C4AF до 22 %, C3S до 50 %. Сульфатостойкий цемент применяют для

104

бетонов, работающих в сульфатных водах (морской и др.). Быстротвердеющие цементы (БТЦ) отличаются от обычного порт-

ландцемента повышенным содержанием быстротвердеющих минералов: C3S и C3A (более 60 %) и более тонким помолом. БТЦ применяют, когда бетону необходимо обеспечить высокую прочность в ранние сроки твердения, при ава- рийно-восстановительных работах.

Белый и цветные портландцементы. Серый цвет обычного портланд-

цемента обусловлен присутствием в клинкере Fe2O3, МnO, Сr2O3. Клинкер белого портландцемента получают из сырья с ограниченным содержанием указанных оксидов – из чистых известняков и белой глины.

Цветные цементы получают в основном помолом белого клинкера с минеральными пигментами (охрой – желтый цвет, железным суриком – крас-

ный, ультрамарином – синий, оксидом хрома – зеленый, сажей – черный и др.)

или с органическими пигментами различных цветов. Белый и цветные цементы применяют для получения декоративных бетонов и растворов.

Гидрофобный портландцемент. Длительное хранение цемента, даже в самых благоприятных условиях, влечет потерю его активности, что связано с наличием в воздухе паров воды и углекислоты, реагирующих с цементом. После трех месяцев хранения потеря прочности может достигать 20 %, а через год

– 40 %. Для предотвращения потери активности цемента применяют гидрофобные (водоотталкивающие) добавки: мылонафт, асидол, синтетические жирные кислоты и другие. Их вводят в количестве 0,1 – 0,3 % при помоле портландцементного клинкера. Образуя на поверхности цементных зерен тонкие пленки, они препятствуют смачиванию цемента водой, сохраняя его активность. В процессе же перемешивания бетонных смесей эти пленки сдираются и не препятствуют нормальному твердению портландцемента.

Пластифицированный портландцемент. Значительная часть воды за-

творения в бетоне и растворе не участвует в процессах гидратации и твердения цемента и необходима лишь для того, чтобы обеспечить требуемую пластичность, подвижность, удобоукладываемость бетонных или растворных смесей. Эта лишняя вода после затвердевания материалов на цементе, испаряясь, образует в цементном камне поры, снижающие его прочность, морозо- и коррозионную стойкость. В пластифицированный портландцемент при помоле добавляют пластифицирующие добавки, например, 0,15–0,25 % ЛСТ (лигносульфанаты технические – отходы целлюлозно-бумажной промышленности)

105

или другие поверхностно-активные вещества (ПАВ). Эти добавки, адсорбируясь на поверхности частиц цемента, повышают пластичность смесей, что позволяет уменьшить расход воды затворения, обеспечить лучшую удобоукладываемость, повысить плотность, прочность и морозостойкость бетонов и растворов, снизить расход цемента на 15–20 %.

106