Классификация вяжущих веществ

Наиболее обширную группу составляют гидравлические вяжущие вещества, которые после смешивания (затворения) с водой начинают твердеть на воздухе и продолжают набирать прочность под водой. Благодаря этой способности гидравлические вяжущие вещества применяют как в наземных, так и в подземных гидротехнических сооружениях, подверженных действию воды.

К гидравлическим вяжущим веществам относят следующие:

1. Известковые: слабогидравлические, сильногидравлические;

2. Романцемент;

3. Портландцемент и его разновидности (портландцемент быстротвердеющий, БТЦ, пластифицированный, гидрофобный, сульфатостойкий, с умеренной экзотермией, декоративный и др.);

4. Пуццолановые цементы (пуццолановый портландцемент, известково-пуццолановые цементы);

5. Шлаковые цементы (шлакопортландцемент, известково-шлаковые цементы);

6. Глиноземистый цемент;

7.Специальные цементы (расширяющиеся и безусадные, жароупорные, кислотостойкие цементы и др.).

Воздушные вяжущие материалы после смешивания с водой переходят в камневидное состояние, твердеют, повышая свою прочность только на воздухе. К воздушным вяжущим материалам относят:

1. Известковые (негашеная молотая, гашеная (гидратная) известь, известковое тесто);

2. Гипсовые (низкообжиговые: строительный, формовочный, высоко-прочный гипс; высокообжиговые: ангидритовое вяжущее, эстрих-гипс);

3. Магнезиальные (каустический магнезит, каустический доломит);

4. Растворимое стекло.

Портландцементный клинкер обычно получают в результате высокотемпературного спекания известково-глинистого сырья при температуре, достигающей 1450-1500^оС. В результате сложных высокотемпературных физико-химических процессов, протекающих в твердой и газовой фазах, формируется полиминеральный и поликристаллический продукт – клинкер. Фазовый состав клинкера в основном может быть описан системой СаО-Al₂O₃-Fe₂O₃-SiO₂.

Главными минеральными составляющими портландцементного клинкера являются алит, белит и так называемое промежуточное вещество, заполняющее интерстиции между кристаллами силикатных фаз (рис. 1).

Рисунок 1 – Микрофотография поверхности аншлифаклинкера [2]

Химический состав клинкера колеблется в широких пределах (% по массе): СаО 64-68; SiO₂ 21-24; Al₂O₃ 4-7; Fe₂O₃ 2-4; примеси (MgO, Na₂O, K₂O, SO₃, P₂O₅и др.) 1, 5-3, 0 [1].

Ориентировочное содержание основных четырех минералов в портландцементном клинкере составляет (% по массе): алит 3CaO-SiO₂(C₃S) – 40...65, белит 2CaO-SiO₂(C₂S) – 15...40, трехкальциевый алюминат ЗСаО-А1₂О₃(С₃А) – 5...15, четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО-Al₂O₃-Fe₂O₃(C₄AF) –10...20.

Алитом принято называть группу твердых растворов в трехкальциевом силикате (C₃S): Al₂O₃, MgO, Na₂O, P₂O₅, Cr₂O₃ и др. Концентрация изоморфных примесей варьируется в широких пределах и зависит от технологических факторов.

Наиболее распространенные составы алита (твердый раствор трехкальциевого силиката кальция): 54СаО× 16SiO₂× А1₂О₃ и 51СаО× 16SiO₂× А1₂О₃× MgO.

Алит – главный минерал цементного клинкера – обладает большой активностью при реакции с водой, особенно в начальные сроки (величина тепловыделения к 3 сут достигает примерно 2/3 от тепловыделения при полной гидратации). Алит быстро твердеет и набирает высокую прочность.

Белит – это собирательное название твердых растворов различных элементов в двухкальциевом силикате. В портландцементном клинкере белит представляет β -Са₂SiO₄, содержащим в виде изоморфных примесей Mg²⁺, К⁺, Na⁺, Cr³⁺, Mn²⁺, Ва²⁺ (замещают Са²⁺) и [SO₄]^2-, [PO₄]^3- (замещают [SiO₄]^4-).

Состав белита колеблется в широких пределах. Наиболее изучен белит, имеющий следующее количество изоморфных примесей: (Са₈₇MgAlFe)× (Na_{0, 5}K_{0, 5})× (A_l3Si₄₂O₁₈₀).

Белит значительно менее активен, чем алит. Тепловыделение белита при полной гидратации примерно в 2 раза меньше, чем у алита, и к 3 сут составляет около 10 % от тепловыделения при полной гидратации. Твердение белита происходит медленно. К месячному сроку продукт его твердения обладает сравнительно невысокой прочностью, но при длительном твердении (несколько лет) в благоприятных условиях (при положительной температуре и влажной среде) его прочность неуклонно возрастает.

Промежуточное вещество, заполняющее пространство между кристаллами алита и белита, имеет полиминеральный состав и состоит в основном из трехкальциевого алюмината и браунмиллерита. Часто в небольшом количестве также присутствует стеклофаза и другие соединения.

Трехкальциевый алюминат (С₃А). Состав этого соединения в обычном клинкере варьируется в широких пределах в связи с наличием изоморфных примесей R₂O, FeO, Fe₂O₃, MgO, Al₂O₃, Cr₂O₃, MnO и др. Наиболее часто в промышленном клинкере трехкальциевый алюминат имеет следующий состав: Na₆K₂Ca₇₈Mg₄(Al₄₄Fe₈Si₈O₁₈₀).

Трехкальциевый алюминат – самый активный клинкерный минерал, отличающийся быстрым взаимодействием с водой. Его тепловыделение при полной гидратации почти в 2 раза больше, чем у алита, а за 3 сут составляет не менее 80 % от общего тепловыделения. Однако продукт его твердения имеет повышенную пористость, низкие прочность и долговечность. Быстрое твердение С₃А вызывает раннее структурообразование в цементном тесте и сильно ускоряет сроки схватывания (всего до нескольких минут). Если не ввести добавку гипса, то получается цемент «быстряк», бетонные смеси на котором из-за преждевременного схватывания не успевают хорошо перемешать и уложить в форму.

Браунмиллерит или четырехкальциевый алюмоферрит (C₄AF). Структурная формула Ca₂[Fe_{0, 76}Al_{0, 24}](Al_{0, 76}Fe_{0, 24})O₅. В промышленном клинкере состав минерала усложнен присутствием изоморфных примесей MgO, СаО, Mn₂O₃, Cr₂O₃, SiO₂и др.

Четырехкальциевый алюмоферрит характеризуется умеренным тепловыделением и по быстроте твердения занимает промежуточное положение между трехкальциевым и двухкальциевым силикатами. Прочность продуктов его гидратации в ранние сроки ниже, чем у алита, и несколько выше, чем у белита.

Стеклофаза образуется в качестве неравновесного продукта в процессе быстрого охлаждения клинкера. Примерный ее состав приближается к эвтектическому в системе СаО-Al₂O₃-Fe₂O₃-SiO₂ (% по массе): 54, 8 СаО, 22, 7 Al₂O₃, 16, 5 Fe₂O₃ и 6, 0 SiO₂. Обычно содержание стеклофазы не превышает 3-5%.

Прочие примесные минералы в клинкере представлены известью СаО, периклазом MgO, майенитом 12СаО× 7Al₂O₃, ангидритом CaSO₄, сульфоалюминатом кальция 4СаО× 3Al₂O₃× SO₃, хромитом кальция СаО× Cr₂O₃ и другими соединениями.

Располагая данными о минеральном составе клинкера и зная свойства клинкерных минералов, можно заранее предопределить основные свойства цемента и особенности его твердения в различных условиях эксплуатации.