Тема 4.3. Гидравлические вяжущие

Гидравлические вяжущие представляют собой тонкомолотые порошки, состоящие в основном из силикатов (kCaO•nSi0₂), алюминатов (nCaO•mAl₂0₃) и ферритов (nCaO•mFe₂0₃) кальция, которые, взаимодействуя с водой, образуют прочный водостойкий искусственный камень.

Минералогический состав гидравлических вяжущих представляют в виде оксидов. Например, силикат кальция записывают СаО • Si0₂ (сокращенно CS), трехкальциевый алюминат — ЗСаО • А1₂0₃ (С3А), гидросиликат кальция — 2СаО • Si0₂ • 2Н₂0 (C₂SH₂).

Способность гидравлических вяжущих образовывать в результате реакции с водой прочный камень оценивают по показателю активности, равному прочности (кгс/см²) образцов состава Ц: П = 1: 3, твердевших 28 суток в нормальных условиях (температура 18...20°С, влажность 95...98 %).

К гидравлическим вяжущим относятся: гидравлическая известь, которая занимает промежуточное положение между воздушными и гидравлическими вяжущими, романцемент, разновидности портландцемента и специальные виды цементов.

Гидравлической известью называют тонкомолотый продукт обжига мергелистых известняков, содержащих до 20 % глинистых примесей, при температуре 900...1000 °С.

Качество гидравлической извести определяют по тонкости помола, срокам схватывания (начало — 0,5...2 ч, конец — 8... 16 ч), равномерности изменения объема и активности. Активность косвенно оценивают по гидравлическому (основному) модулю (ГМ), равному отношению процентного содержания по массе оксида кальция к сумме оксидов, входящих в состав минералов:

В зависимости от полученного значения различают сильногидравлическую (ГМ = 1,7.„4,5) и слабогидравлическую (ГМ = 4,'5...9) известь. При ГМ > 9 известь приобретает свойства воздушного вяжущего.

Прочность изделий на гидравлической извести различной активности колеблется от 1,7 до 5 МПа.

Основное применение этого вяжущего — штукатурные и кладочные растворы, низкомарочные легкие и тяжелые бетоны, эксплуатируемые как в сухих, так и во влажных условиях.

С целью усиления гидравлических свойств вяжущего (ГМ = = 1,1... 1,7) и исключения из его состава свободного оксида кальция используют мергели, содержащие не менее 25 % глинистых примесей. При помоле спекшегося при 1000... 1100°С продукта для обеспечения заданных сроков схватывания (начало — не ранее 20 мин, конец — не позднее 24 ч) вводят двуводный гипс в количестве 3...5 %. Полученный романцемент применяют для изготовления строительных растворов, бетонных стеновых камней и мелких блоков прочностью до 15 МПа, используемых при возведении наземных и подземных конструкций.

Портландцемент и его разновидности. Портландцементом называют тонкомолотый материал, полученный совместным измельчением клинкера (продукта спекания при температуре 1400... 1500°С известково-глинистой смеси в соотношении по массе 3: 1 или мергелистых пород) и гипса (3...5 %). В зависимости от влажности исходного сырья применяют мокрый или сухой способ производства. При мокром способе помол и перемешивание сырья до получения однородного пластичного шлама влажностью до 45 % производят непосредственно в мельницах, затем шлам поступает в шламбассейн, где его состав корректируют путем введения добавок, и во вращающиеся горизонтальные печи на обжиг. Действие высокой температуры вызывает испарение воды, разложение сырья и образование новых, химически активных по отношению к воде, минералов. После обжига клинкер подают в специальные холодильники для быстрого охлаждения продукта с целью сохранения химически активной стеклофазы. В завершение клинкер мелют совместно с гипсом или гипсосодержащими отходами и минеральными добавками. К достоинствам мокрого способа можно отнести простоту корректировки состава, что позволяет получать разнообразные по свойствам цементы.

При сухом способе тонкомолотое сырье подогревают отходящими газами и подают на обжиг в вертикальные шахтные печи. Исключение процесса испарения воды делает эту технологию менее энергозатратной.

Минералогический состав цемента включает четыре основных минерала:

• алит (ЗСаО•Si0₂, C3S) —45...60%,

• белит (2СаО • Si0₂, C2S) — 10...30 %,

• целит (ЗСаО • А1₂0₃, С3А) —5...12 %,

• четырехкальциевый алюмоферрит (4СаО•А1₂0₃•Fe₂0₃, C4AF) - 10...20 %.

Свойства цемента определяют процентным содержанием этих минералов, которые по своей химической активности, тепловыделению и скорости твердения располагаются в порядке убывания следующим образом: С3А —> C3S —> C4AF —> C2S.

При смешивании портландцемента с водой составляющие его минералы гидратируют с образованием новых кристаллических соединений, обуславливающих твердение цементного теста и прочность искусственного камня. Состав новообразований зависит от минералогического состава цемента, влажности и температуры окружающей среды. Продукт гидратации алита — гидрооксид кальция, растворяясь в воде, образует насыщенный щелочной раствор, который обеспечивает стабильность не только образованных кристаллических гидратных соединений, но и коррозионную стойкость арматуры при эксплуатации железобетонных конструкций.

В результате частичного перехода воды при гидратации в химически связанное состояние (до 20 % от массы цемента) происходит усадка цементного камня, вызывающая появление на его поверхности микротрещин. Испарение воды из материала, приводит к образованию открытых капиллярных пор, понижающих не только прочность, но и морозостойкость, водонепроницаемость искусственного материала. Для повышения его эксплуатационных свойств необходимо обеспечить влажностные условия твердения (влажность не менее 95...98 %) и снизить расход воды с одновременным вводом пластифицирующих добавок для обеспечения необходимой пластичности смеси.

К недостаткам цементного камня, кроме усадки, относится ползучесть, которая проявляется в увеличении деформаций под влиянием длительно действующих, постоянных по величине нагрузок. Снижение ползучести растворов и бетонов достигается за счет введения жесткого недеформируемого заполнителя и снижения расхода цемента.

В зависимости от природы воздействия в процессе эксплуатации цементный камень может подвергаться физической или химической коррозии. В первом случае разрушение происходит под действием высокой температуры (свыше 300°С) или циклических температурно-влажностных изменений, во втором — под влиянием агрессивных сред. В зависимости от состава и механизма действия для цементного камня опасны:

• фильтрация воды с вымыванием наиболее растворимого гидрооксида кальция, что приводит к снижению щелочности среды и, как следствие, разрушению кристаллических новообразований, уменьшению прочности (коррозия выщелачивания);

• действие кислот, сопровождаемое образованием гелеобразных, непрочных или растворимых соединений, вызывающих резкое падение прочности (кислотная коррозия);

• действие сульфатосодержащих вод приводит к разрушению структуры материала, которая происходит за счет накопления в порах по всему объему крупнокристаллических продуктов реакции между цементным камнем и агрессивной средой (сульфатная коррозия);

• контакт с солесодержащими растворами (NaCl, Na₂C0₃ и др.) вызывает, при наличии испарения влаги с поверхности изделия и капиллярного подсоса, кристаллизацию соли в поровом пространстве материала, что приводит к росту внутренних напряжений и деформаций, растрескиванию искусственного камня и потере им прочности (солевая коррозия).

С целью придания портландцементу заданных свойств изменяют состав клинкера, регулируют степень измельчения и вводят в мельницу при помоле органические и минеральные добавки. Цементные заводы выпускают вяжущие в широком ассортименте. Наибольший объем составляют портландцементы с минеральными гидравлическими добавками (шлаковыми и пуццолановыми). При содержании добавок до 20 % получают рядовой портландцемент (ПЦ), при увеличении содержания доменного шлака с 21 до 60 % — шлакопортландцемент (ШПЦ), пуццолановых добавок (диатомит, золы, вулканический пепел) с 21 до 40 % — пуццолановый портландцемент (ППЦ). В связи с уменьшением содержания химически активного составляющего (клинкера) эти цементы обладают замедленным твердением, низким тепловыделением и меньшей морозостойкостью, а в случае пуццоланового — и меньшей воздухостойкостью. К положительным свойствам этих вяжущих можно отнести повышенные водо- и солестойкость, а также термостойкость (до 700 °С) шлакопортландцемента. Рациональное применение этих цементов — подводное и подземное бетонирование, жаростойкие бетоны (ШПЦ); получение сборных конструкций при оптимальном режиме твердения — термовлажностная обработка (ТВО). При введении в качестве добавок кремнезема, известняка, доломита (до 30 %) получают безусадочный наполненный цемент низких марок, который применяют для штукатурных растворов.

Следующие по объему выпуска и значимости — портландцементы с органическими поверхностно-активными добавками. Механизм действия добавок заключается в их способности адсорбироваться на поверхности цементных зерен. В результате при использовании гидрофобных добавок получают гидрофобный портландцемент (ГФ), гидрофильных — пластифицированный портландцемент (ПЛ). Преимущества ГФ портландцемента: длительное хранение без снижения технических показателей и повышенная водостойкость, поэтому его используют при возведении гидротехнических сооружений, дорожных покрытий. ПЛ портландцемент применяют для повышения пластичности смеси без увеличения расхода воды или для увеличения прочности, морозостойкости, водонепроницаемости при снижении расхода воды и сохранении заданной пластичности.

Для усиления пластифицирующего эффекта в мельницу при помоле клинкера вводят добавки суперпластификаторы и получают вяжущее низкой водопотребности (ВНВ), позволяющее сократить водопотребность цемента до 18-20%.

Декоративные растворы и бетоны получают с использованием белого и цветного портландцементов. Необходимая степень белизны обеспечивается жесткими требованиями по содержанию красящих примесей (соединений марганца и железа) в сырье. Цветные портландцементы получают за счет добавления пигментов к белому портландцементу.

При возведении конструкций, эксплуатация которых связана с действием сульфатосодержащих грунтовых вод и других сред (фундаменты, дамбы, плотины и т.д.), во избежание сульфатной коррозии применяют специальный сульфатостойкий портландцемент (СПЦ). Его получают путем тщательной корректировки минералогического состава, в котором содержание С3А ограничено до 5 %, C3S — до 50 %, сумма С3А + C4AF — до 22 %.

Получение монолитных конструкций, особенно при низких положительных температурах, а также высокая энергоемкость технологии производства сборного железобетона с использованием термовлажностной обработки требуют применения высокоэффективного быстротвердеющего портландцемента (БПЦ). Это, как правило, цементы высоких марок (500...700), получаемые за счет увеличения содержания наиболее активных по отношению к воде минералов C₃S и С₃А и тонкости помола (с 3000 до 5000 см²/г), что позволяет обеспечивать до 70 % марочной прочности в трехсуточном возрасте естественного твердения.

Тампонажный портландцемент применяют для цементирования холодных (22 ± 2 °С) и горячих (75 + 3 °С) нефтяных и газовых скважин. Для придания специфических свойств (замедленного схватывания, солестойкости, повышенной плотности цементного камня) в их состав вводят от 10 до 70 % минеральных добавок (шлак, кварцевый песок, известняк).