книги / Строительные материалы

цах цемента так, что их углеводородные радикалы об­ ращены наружу; они не смачиваются водой и придают цементу гидрофобные свойства. Своеобразным «смазоч­ ным» действием тонких ориентированных пленок на ча­ стицах цемента объясняется увеличение подвижности бетонных смесей.

Пластифицированный портландцемент изготовляют путем введения при помоле клинкера около 0,25 %СДБ (в расчете на сухое вещество). Он отличается от обыч­ ного портландцемента способностью придавать раствор­ ным и бетонным смесям повышенную подвижность. Пла­ стифицирующий эффект используется для уменьшения водоцементного отношения и повышения плотности, мо­ розостойкости и водонепроницаемости бетона. Если же сохранить В/Ц, то можно снизить расход цемента (примерно на 10—15%) без ухудшения качества бе­ тона.

Гидрофобный портландцемент изготовляют, вводя в

мельницу при помоле клинкера 0,1—0,2 % мылонафта, асидола, синтетических жирных кислот, их кубовых ос­ татков и других гидрофобизующих добавок. Эти вещест­ ва, адсорбируясь на частицах цемента, понижают его гигроскопичность, поэтому гидрофобный цемент, в от­ личие от обычного, при хранении даже в очень влаж­ ных условиях не портится, т. е. не комкуется и со­ храняет свою активность. В связи с этим гидрофоб­ ные иортлаидцемеНты рекомендуется поставлять в районы с высокой влажностью воздуха, а также в тех случаях, когда неизбежно длительное хранение це­ мента.

При изготовлении бетонных смесей, когда происхо­ дит смешивание гидрофобного цемента с заполнителями И водой, целостность адсорбционных пленок на частицах цемента нарушается и он нормально реагирует с водой. Гидрофобизующие вещества, введенные при помоле клинкера, действую? и как пластификаторы, т. е. плас­ тифицируют бетоните смеси. Такие вещества сохраня­ ются в отвердевших материалах, существенно повы­ шая их водо- и морозостойкость и увеличивая сопро­ тивляемость агрессивным воздействиям среды. Гидро­

та было начато изготовление этого цемента, и за гра­ ницей.

4. Портландцемент с минеральными добавками

Активными минеральными добавками называют при­ родные или искусственные вещества, которые при сме­ шивании в тонкоизмельченном виде с воздушной из­ вестью и затворении водой образуют тесто, способное после твердения на воздухе продолжать твердеть и под водой. Активные минеральные добавки (называемые иначе гидравлическими добавками) содержат диоксид кремния в аморфном, а следовательно, в химически ак­ тивном состоянии и способны поэтому взаимодейство­ вать с Са(ОН)2, образуя гидросиликаты кальция.

Активные минеральные добавки могут быть природ­ ными (естественными) и искусственными. В качестве природных активных добавок широко используют оса­ дочные горные породы (диатомит, трепел, опоку, горе­ лые глинистые породы — глиежи), а-также породы вул­ канического происхождения (вулканический пепел, туф, пемзу, витрофир, трасс). Искусственные активные мине­ ральные добавки представляют собой побочные продук­ ты и отходы промышленности: быстроохлажденные (гра­ нулированные) доменные шлаки; белитовый (нефелино­ вый) шлам — отход глиноземного производства, содержащий в своем составе до 80 % минерала белита (двукальциевого силиката); зола-унос — отход, получа­ емый при сжигании твердого топлива в пылевидном со­ стоянии и улавливаемый электрофильтрами и другими устройствами. Использование отходов промышленности для выпуска вяжущих веществ имеет большое народно­ хозяйственное значение.

Активная минеральная добавка химически связыва­ ет растворимый в воде гидроксид кальция, выделяющий­ ся при твердении портландцемента,, при этом повыша­ ется плотность цементного камня, возрастает его сопро­ тивление коррозии. Поэтому активные минеральные до­ бавки применяют для повышения плотности, водостой­ кости и солестойкости бетонов и растворов. Некоторые из них используют для приготовления жароупорных бе­ тонов и растворов на портландцементе. Портландцемент, содержащий активную минеральную добавку в количест­ ве до 5 % и 10—20 % (массы цемента), имеет те же мар­ ки, что и портландцемент (см. табл. 5.6), и близок к не­ му по другим свойствам.

Пуццолановый портландцемент изготовляют путем

совместного помола клинкера и активной минеральной добавки с необходимым количеством гипса. Добавок оса­ дочного происхождения (диатомита, трепела, опоки) должно быть не менее 20 и не более 30 %, а вулканиче­ ских добавок (пемзы, туфа, глиежа или топливной зо­ лы) не менее 25 и не более 40%. Активная минераль­ ная добавка вначале адсорбирует, а затем химически связывает Са(ОН)2, образующийся при взаимодействии алита с водой:

шСа (ОН)2 “j“ Si02(aKT) “Ь яН20 —>■(0,8 — 1,5) CaO •Si02* рН20.

В ходе этого цроцесса, происходящего во влажных условиях и при положительной температуре, раствори­ мый гидроксид кальция связывается в практически не­ растворимый гидросиликат кальция. В результате значи­ тельно возрастает стойкость бетона к коррозии первого вида — выщелачиванию Са(ОН)2. Пуццолановый порт­ ландцемент следует применять для бетонов, постоянно находящихся во влажных условиях (подводных и под­ земных частей сооружений). На воздухе бетон на пуццолановом портландцементе дает большую усадку и в сухих условиях частично теряет прочность. Кроме того,

бетоны на этом цементе имеют низкую морозостойкость

и не годятся для сооружений, подвергающихся замора­ живанию и оттаиванию. Пуццолановый портландцемент твердеет медленнее, чем портландцемент, в особенности при низких температурах, поэтому его не следует приме­ нять при зимних бетонных работах. Он обладает срав­ нительно небольшим тепловыделением, а поэтому его ча­ сто используют для бетонирования внутренних частей массивных сооружений (плотин, шлюзов и т. п.).

Шлакопортландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе. Он получает­ ся путем совместного тонкого помола клинкера и грану­ лированного доменного (или электротермофосфориого) шлака с необходимым количеством гипса. Допускаются раздельный помол компонентов и их последующее сме­ шение. Количество доменного шлака в шлакопортландцементе должно быть не менее 21 и не более 80 % (мас­ сы цемента). Допускается замена до 10 % шлака трепе­ лом или другой активной минеральной добавкой.

Доменные шлаки по своему химическому составу на­ поминают цементный клинкер. В них преобладают окси­ ды, %: СаОЗО—50; Si0228—30; А120 38—24; МпО 1—3;

MgO 1 —18; их общее содержание составляет 90—95 %. Гидравлическая активность шлаков характеризуется мо­

В зависимости от модуля основности различают оснбвные шлаки; их М0^ 1, и кислые, имеющие Af0< 1. Более активные — основные шлаки.

Гидравлическая активность доменных шлаков воз­ растает при увеличении модуля активности, определяе­ мого по формуле, %:

Шлак, применяемый в качестве добавки к цементу, обязательно подвергается быстрому охлаждению водой или паром. Эта операция называется грануляцией, так как в процессе быстрого охлаждения шлаковый расплав распадается на отдельные зерна (гранулы). Быстрое ох­ лаждение препятствует кристаллизации шлака и он пе­ реходит в стеклообразное и тонкозернистое химически активное состояние. Поэтому гранулированный шлак, являющийся активным компонентом шлакопортландцемента, взаимодействует с гидроксидом кальция и обра­ зует низкоосновные гидросиликаты Cao*Si02*2,5 Н20 и гидроалюминаты 2СаО • А120 з• 8Н20 кальция. Процесс твердения шлакопортландцемента значительно ускоряет­ ся при тепловлажностной обработке, поэтому его эффек­ тивно применять в сборных изделиях, изготовляемых с пропариванием.

Незначительное содержание в цементном камне Са(ОН) 2 повышает стойкость шлакопортландцемента в мягких и сульфатных водах по сравнению с портландце­ ментом. Тепловыделение при твердении шлакопортланд­ цемента в 2—2,5 меньше, чем портландцемента, поэтому он является самым подходящим цементом для бетона массивных конструкций. Шлакопортландцемент выгод­ но отличается от пуццоланового портландцемента уме­ ренной водопотребностыо, более высокой воздухостойкостью и морозостойкостью. Он успешно применяется для надземных, подземных и подводных частей соору­ жений. Стоимость его на 15—20 % ниже стоимости порт­ ландцемента. Однако шлакопортландцемеиту присущ

тот же недостаток, что и пуццолановому портландцемен­ ту— он медленно набирает прочность в первое время твердения, в особенности при пониженных температурах. Этот недостаток устраняется в быстротвердеющем шлакопортландцементе, который обладает более интенсив­ ным нарастанием прочности, чем обычный шлакопортландцемент. Обычный шлакопортландцемент имеет мар­ ки 300, 400 и 500.

Быстротвердеющий шлакопортландцемент марки 400 за 3 сут твердения должен приобрести предел прочности при сжатии не менее 20 МПа, при изгибе — не менее 3,5 МПа. Этот вид цемента эффективно применять в про­ изводстве бетонных и железобетонных изделий, изготов­ ляемых с применением тепловлажностной обработки.

5. Белый и цветные портландцементы

Основой декоративных цементов является белый клинкер. Клинкер белого цемента изготовляют из чис­ тых известняков и белых глин, почти не содержащих ок­ сидов железа и марганца, которые придают обычному портландцементу зеленовато-серый цвет. Обжигают сырьевую смесь на беззольном (газовом) топливе. При помоле клинкера предохраняют цемент от попадания в него частиц железа.

Важный показатель качества белого цемента — сте­ пень его белизны. В качестве эталона для определения степени белизны применяют молочное матовое стекло МС-14 с коэффициентом отражения не менее 95 %. Сте­ пень белизны, определяемая коэффициентом отражения (в % абсолютной шкалы) должна быть для белого портландцемента первого сорта не ниже 80, второго сор­

та 75, третьего сорта 68; такой цемент выпускают марок 400 и 5оа.

Цветные портландцементы (желтый, розовый, крас­ ный и др.) получают совместным помолом белого клинке­ ра с соответствующими минеральными пигментами (ох­ рой, железным суриком и др.).

Белые и цветные цементы применяют для индустри­ альной отделки стеновых панелей, при изготовлении ле­ стничных ступеней, подоконных плит, в дорожных рабо­ тах для цементно-бетонных покрытий площадей, разде­ лительных полос на авто-магистралях, а также для дру­

гих нужд архитектурно-художественного оформления зданий и сооружений.

Цементы для строительных растворов (кладочные цементы) изготовляют совместным помолом клинкера и минеральных добавок (трепел, опока и известняка), взя­ тых примерно в равных количествах или при соотноше­ ниях до 30 % клинкера и 70 % минеральной добавки. При помоле могут вводиться пластификаторы. Получа­ ются низкомарочные цементы: их активность в среднем в 2—3 раза меньше активности портландцемента, но до­ статочна для кладочных и штукатурных работ. Расход наиболее дорогой и энергоемкой клинкерной части в этих цементах сравнительно невелик.

6. Тампонажный портландцемент

Тампонажный портландцемент изготовляют измель­ чением клинкера, гипса и добавок. Он предназначен для цементирования нефтяных и газовых скважин. Цемент для холодных скважин испытывают при температуре 22±2°С, для горячих скважин — при 75±3°С. Основная прочностная характеристика цемента — предел прочнос­ ти при изгибе образцов-балочек размером 4 X 4 X 1 6 см, изготовленных из цементного теста с В/Ц = 0,5. Преду­ сматривается выпуск специальных разновидностей там­ понажного портландцемента: утяжеленного, песчанисто­ го, солестойкого низкогигроскопичного.

7. Глиноземистый цемент

По минеральному составу и техническим свойствам такой цемент сильно отличается от портландцемента. Глиноземистый цемент — быстротвердеющее и высоко­ прочное гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельчения клинкера, содержащего пре­ имущественно цизкоосновные алюминаты кальция. Одиокальциевый алюминат СаО*А12Оз определяет быстрое твердение и другие свойства глиноземистого цемента. В небольших количествах в нем также содержатся дру­

клинкер портландцемента, поэтому на помол затрачива­ ется больше электроэнергии. Кроме того, бокситы пред­ ставляют собой ценное сырье, используемое для произ­ водства алюминия. Эти и другие обстоятельства повы­ шают стоимость глиноземистого цемента и ограничивают его выпуск. Сырьевая база для выпуска глиноземис­ того цемента может быть расширена путем использова­ ния некоторых отходов промышленности, содержащих в своем составе глинозем. В СССР разработан способ про­ изводства глиноземистого цемента путем плавки в домен­ ной печи бокситовой железной руды с добавкой извест­ няка и металлического лома. При этом доменная печь одновременно выдает чугун и шлак, представляющий собой клинкер глиноземистого цемента:

Глиноземистый цемент обладает высокой прочностью, если он твердеет при умеренной температуре (не выше 25 °С), поэтому глиноземистый цемент нельзя применять для бетонирования массивных конструкций из-за разог­ рева бетона, а также подвергать тепловлажностной об­ работке. В процессе твердения глиноземистого цемента образуется высокопрочное вещество — двухкальциевый гидроалюминат:

2 (Са0.А1а03) + 11Н20 = 2СаО-А20 3-8Н20 + 2AI (ОН)3.

Двухкальциевый гидроалюмииат выделяется в виде пластинчатых гексагональных кристаллов, а гидроксид алюминия представляет гелевидную массу. Если же тем­ пература бетона превысит 25—30 °С, то наблюдается пе­ реход двухкальциевого гидроалюмината в кубический трехкальциевый гидроалюминат ЗСаО-А120 3-6Н20, кото­ рый сопровождается возникновением внутренних напря­ жений в цементном камне и понижением прочности бето­ на в 2—3 раза.

Замечательным свойством глиноземистого цемента яв­ ляется его необычно быстрое твердение. Марки глинозе­ мистого цемента, определяемые по результатам испыта­ ния образцов 3-суточного возраста: 400, 500 и 600. Как известно, портландцемент набирает такую прочность только через 28 сут нормального твердения. Из табл. 5.9 видно, что уЖе через 1 сут глиноземистый цемент наби­ рает высокую прочность.

Т А Б Л И Ц А 5.9. ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЧНОСТИ ГЛИНОЗЕМИСТОГО ЦЕМЕНТА

При столь быстром твердении глиноземистый цемент обладает нормальными сроками схватывания, почти та­ кими же, как и портландцемент. Начало схватывания глиноземистого цемента должно наступать не ранее чем

гидроалюмината (если температура твердения не превы­ шает 25 °С). Этим объясняется высокая коррозионная стойкость бетона на глиноземистом цементе в сульфат­ ных, морской и углекислой водах. Сильные кислоты раз­ рушают глиноземистый цемент так же, как и концентри­ рованные растворы щелочей.

Глиноземистый цемент применяют в специальных со­ оружениях, при спешных ремонтных и монтажных рабо­ тах, для изготовления жаростойких бетонов и растворов. Кроме того, он входит в состав многих расширяющихся цементов.

8. Расширяющиеся и безусадочные цементы

Портлаидцемеитный камень при твердении на возду­ хе высыхает и претерпевает усадку, которая нередко яв­ ляется причиной усадочных трещин. Чтобы плотно заде­ лать шов между сборными элементами конструкций и по­ лучить практически непроницаемый раствор, или бетон, необходимо использовать вяжущее вещество, способное после затворения в начальный период твердения увели­ чивать свой объем без структурных нарушений. Расши­

ряющиеся цементы обладают контролируемым расшире­ нием, которое, проявляясь в стесненных условиях, вызы­ вает самоуплотнение цементного камня (и бетона). Растворы и бетоны на расширяющихся цементах практи­ чески непроницаемы для воды и нефтепродуктов (керо­ сина, бензина и др.), которые вследствие малого поверх­ ностного натяжения легко просачиваются через капил­ лярные поры портландцементного камня.

Расширяющиеся цементы относятся к числу смешан­ ных, иногда многокомпонентных вяжущих. Были изучены различные расширяющиеся компоненты цемента, однако наиболее эффективными оказались модификации гидросульфоалюмината кальция. Состав цемента, влажностные условия твердения позволяют регулировать количество и скорость образования кристаллов гидросульфоалюмината кальция и избежать появления вредных напряжений, вызывающих растрескивание цементного камня. Совет­ ские ученые разработали ряд вяжущих, получивших при­ знание в СССР и за рубежом.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент (разра­ ботан В. В. Михайловым) является быстросхватывающимся и быстротвердеющим гидравлическим вяжущим. Его получают путем тщательного смешивания глинозе­

мината кальция ( ~ 10 %). Водонепроницаемый расширя­ ющийся цемент был впервые применен для зачеканки швов тюбингов Московского метрополитена взамен ранее применявшегося свинца.

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент (разра­ ботан И. В. Кравченко) — быстротвердеющее гидравли­ ческое вяжущее, получаемое совместным тонким измель­ чением высокоглиноземистых клинкера или шлака и при­ родного двуводного гипса (до 30%) или тщательным смешиванием тех же материалов, измельченных раздель­ но. Гипсоглиноземистый цемент обладает свойством рас­ ширения при твердении в воде; при твердении на возду­ хе он проявляет безусадочные свойства. Применяется для омоноличивания стыков сборных конструкций, гид­ роизоляционных штукатурок, плотных бетонов в железо­ бетонном судостроении и при возведении емкостей для хранения нефтепродуктов.

Расширяющийся портландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным тонким из­