Гидравлические вяжущие материалы.

К группе гидравлических вяжущих материалов относятся гидравлическая известь, портландцемент и его разновидности, пуццолановый и шлаковый порт­ландцемента, глиноземистый цемент и др.

Гидравлическая известь. Гидравлической известью называют вяжущее вещество, получаемое в результате умеренного (не до спекания) обжига мергелистых известняков, содержащих от 6 до 25% глинисто-песчаных примесей, и последующего тонкого их измельчения. Полученный продукт при затворении водой твердеет сна­чала только на воздухе, а затем и в воде.

Основными этапами производства гидравлической извести являются: подготовка сырья (дробление и сортировка мергелистого известняка), его обжиг (в шахт­ных печах при температуре 900 — 1000°С) и помол. В состав гидравлической извести входят как свободный оксид кальция СаО, так и его соединения в виде сили­катов (2СаО/$Ю2), алюминатов (СаО/А12О3) и фер­ритов (2СаО-Ре2О3). Чем меньше содержание в из­вести свободного оксида кальция, тем выше ее способность к гидравлическому твердению. Гидравли­ческая известь характеризуется гидравлическим модулем, представляющим собой отношение массового про­центного содержания оксида кальция к процентному содержанию его кислотных оксидов (ГМ).

Численное значение гидравлического модуля колеблется в пределах от 1, 7 до 9, 0. Различают сильногидравлическую (ГМ-1, 7-4, 5) и слабогидравлическую известь (ГМ-4, 5-9, 0). При значении модуля более 9, 0 известь превращается в воздушную. Тонкость помола гидравлической извести определяется остатком частиц на ситах: с сеткой № 02 его должно быть не более 1%, а с сеткой № 008—не более 10%- Плотность гидравлической извести 2, 6—3, 0 г/см3, объемная масса в рыхло-насыпном состоянии 700—800 кг/м3, в уплотненном -до 1000—1100 кг/м3. Сроки схватывания гидравлической извести зависят от содержания свободного оксида каль­ция и колеблются: для начала схватывания — в пре­делах от 30 минут до 2 часов, для конца схватывания — от 8 до 16 часов. Прочность гидравлической извести определяется пределом прочности на сжатие стандарт­ных образцов-кубиков, изготовленных из пластичного раствора 1: 3 (известь: песок).

Согласно ГОСТу прочность слабогидравлической извести через 21 сутки хранения на воздухе и 7 суток в воде (в течение 28 дней) 1—2 МПа, прочность сильногидравлической извести через 7 дней храпения составляет не менее 1 МПа, а в возрасте 28 дней—око­ло 5 МПа.

Гидравлическая известь имеет небольшую прочность, но в отличие от воздушной извести характеризуется более высокой долговечностью в сухих и увлажненных сре­дах и применяется для изготовления легких и тяжелых бетонов низких марок, штукатурных и кладочных раст­воров. Этот дешевый вяжущий материал, изготавливае­мый обычно из местного сырья, может заменять дорогие и дефицитные цементы.

Портландцемент является продуктом тонкого помола цементного клинкера, получаемого в результате обжига (до полного спекания) природных мергелей или искус­ственных сырьевых смесей, составленных из известняков и глин. Портландцемент и его разновидности обладают высокими механическими свойствами и являются важ­нейшими вяжущими материалами, главными компонен­тами бетона и железобетона — основы современно и строительной индустрии. Производство этих строитель­ных материалов в нашей стране неуклонно возрастает на базе применения новейших технологий. Себестоимость продукции на передовых предприятиях страны составляет 7—9 руб. за 1 тонну цемента, годовая им работка на 1 рабочего достигает 3000—3500 топи.

Портландцемент применяется для изготовления сборного и монолитного железобетона, строительных изде­лий и сооружений, легких и ячеистых пено- и газобето­нов, получения цементных и смешанных строительных растворов, цементного фибролита и т. л. Основными этапами производства портландцемента являются полу­чение клинкера и переработка его в портландцемент. Различают мокрый п сухой способы получения порт­ландцемента, которые существенно влияют на его качество и себестоимость, расход материальных и энер­гетических ресурсов. При мокром способе производства (рис. 72) грубо измельченные компоненты смеси после дозировки подаются в бассейн для перемешивания с водой и повторного измельчения до получения сметанообразной массы (шлама). Полученный шлам далее на­правляется в трубную мслышцу, в которой дополнитель­но подвергается более тонкому помолу, а затем в шлам-бассейн, где контролируется содержание компо­нентов сырьевой смеси и в случае отклонения от установленных норм корректируется состав шлама. В процессе корректирования в состав шлама вводят в необходимом количестве недостающий компонент. Подготов­ленный к обжигу шлам поступает во вращающуюся металлическую трубную печь (рис. 73), футерованную изнутри огнеупорным материалом и установленную с уклоном (под углом 3—4°) к горизонту. По мере передвижения от верхней части печи к нижней обжи­гаемая смесь подвергается воздействию движущихся топочных газов, образующихся при сгорании топлива в форсунке, установленной в нижней части печи. В качест­ве топлива используются каменноугольная пыль, газ, ма­зут и др. Температура обжигаемого шлама в зоне обра­зования факела достигает максимального значения и со­ставляет 1350—1450°С. Диаметр трубной печи от 2, 5 до 5 м, длина — от 40 до 200 м, частота вращения печи 1—-2 об/мин (0, 02—0, 05 с-1).

В процессе обжига испаряется свободная и химически связанная вода, происходит распад известняка на СаО м СО2, а глины — па оксиды А12О3, 5Ю2 и Ре2О3, а также частичное расплавление ряда компонен­тов смеси и их спекание в клинкер. Образующиеся па­ры воды и диоксид углерода удаляются из печи через выхлопную трубу. Полученный клинкер охлаждается в холодильнике. Вращающиеся печи могут быть оснащены холодильниками двух видов: колосниковыми, с индиви­дуальным подводом холодного воздуха в слой переме­щающегося клинкера, или рекуператорами — чугунными цилиндрами, в которых охлаждение клинкера произво­дится холодным воздухом, засасываемым через спе­циальные отверстия цилиндров. Охлажденный до нор­мальной температуры клинкер в виде гранул размером от 0, 5 до 5 см подается на склад. В цементно-помольном цехе, расположенном вблизи склада, клинкер подвергается предварительному дроблению в дробил­ке, тонкому измельчению на трубных мельницах, а за­тем поступает на хранение в цементные силосы. Из силосов готовый портландцемент направляется на развешивание и упаковку в многослойные бумажные меш­ки вместимостью 50 кг. При бестарной отгрузке цемент загружается в контейнеры, автоцементовозы или и спе­циально оборудованные вагоны.

При сухом способе производства компоненты сырьевой смеси измельчаются, сушатся, подвергаются помолу, до­зируются и направля­ются в силосы. Во вра­щающуюся или шахтную печь сырьевая смесь поступает в ви­де порошка —«сырье­вой муки».

Оба способа подго­товки сырьевом смеси имеют свои преимуще­ства и недостатки. при мокром способе облегчается измельчение ма­териалов и достигается высокая однородность смеси, но в 1, 3—1, 5 раза увеличиваются затраты топлива и электроэнергии; обжиг мокрой сырьевой смеси вызывает необходимость повышения размеров вращающихся печей. Недостатком сухого способа является пониженное качество получаемого клинкера, что сдер­живает его применение. Однако в последние годы бла­годаря развитию техники и технологии тонкого измель­чения сухих смесей обеспечена возможность получения высококачественных портлаидцементов сухим спосо­бом.

В промышленности используется также комбинированный способ производства цемента, согласно которо­му измельчение сырьевых материалов производится в водной среде, а полученный сметанообразный шлам подвергается обезвоживанию, переводится в гранулы и затем обжигается по схеме сухого способа. В состав клинкера портландцемента входят четыре основных ми­нерала: трехкальциевый силикат, или алит (С35), двухкальциевый силикат, или белит (С25), трехкальциевый алюминат (С3А) и четырехкальциевый алюмоферрит (С4АР). Суммарное содержание силикатов С35 и С23 составляет 70—80% от объема клинкера, а кристаллов С3А и С4АР и других второстепенных минералов — около 25%. Кроме того, в состав клинкера могут входить ок­сиды магния М§О, кальция СаО, калия К2О и другие, попадающие в клинкер из сырьевой смеси. Наличие в клинкере свободных оксидов магния и кальция снижает качество цемента, что, в свою очередь, приводит к образованию трещин и короблению изделий. Поэтому до­пустимое содержание в клинкере свободного оксида магния ограничивается до 5%, а оксида кальция уста­навливается специальными испытаниями.

Минералогический состав клинкера существенно влияет на.период схватывания и твердения портландцемента. В процессе затворения портландцемента во­дой образуется пластичное цементное тесто, которое в последующем загустевает. Потребное количество воды составляет около 15% от массы цемента, но для получения нормальной густоты цементного теста и обеспечения его подвижности оно повышается до 24—28%. Период времени от твердения до загустевания называется периодом схватывания цемента. За перио­дом схватывания, который протекает сравнительно быстро (в течение нескольких часов), начинается продолжительный процесс (месяцы и годы) твердения це­мента, в течение которого.прочность цементного камня постепенно наращивается. Схватывание и твердение портландцемента протекают в три этапа: подготовительный, или период растворения; период коллоидации—образование коагуляционной структуры; окончатель­ный — образование коагуляционно-кристаллической структуры (цементного камня).

Для регулирования сроков схватывания в состав клинкера вводят до 5% гипса.

Свойства портландцемента. Основными свойствами портландцемента являются плотность и объемная насыпная масса, тонкость помола, сроки схватывания, рав­номерность изменения объема при твердении, тепловыделение, прочность цементного камня, коррозионная стойкость и др. Плотность портландцемента 3, 0— 3, 2 г/см3; объемная насыпная масса в рыхлом состоянии 900—1100 кг/м3, в уплотненном — возрастает до 1700 кг/м3.

Тонкость помола портландцемента влияет на сроки схватывания и твердения, а также на прочность цементного камня. Чем выше тонкость помола, тем быстрее протекают процессы.схватывания и твердения, интен­сивнее повышается прочность. Согласно ГОСТу при просеве через сито с сеткой № 008 должно проходить не менее 85% массы цемента. Тонкость помола харак­теризуется также удельной поверхностью цементного порошка — площадью зерен в 1 см2 на 1 г. Этот показатель для обычного портландцемента составляет 2000—3500 см3/г

Сроки схватывания портландцемента определены техническими условиями: начало схватывания должно наступать не ранее, чем через 45 минут, а конец — не позднее 10 часов. За начало схватывания принимается время от момента затворения цемента до начала загустевания цементного теста, а за конец — время от начала затворения до потери им пластичности. Все цементы должны обладать равномерностью изменения объема при твердении. Однако в ряде случаев при твердении цементного камня возникают большие внут­ренние напряжения, сопровождающиеся объемными де­формациями. При -лом свободные оксиды магния и кальция, взаимодействуя с водой, вызывают неравно­мерное изменение объема цементного камня, его короб­ление и растрескивание. Испытания на равномерность изменения объема при твердении производятся на об­разцах— лепешках, изготовленных из соответствующего цементного теста.

Реакция взаимодействия цементного клинкера с во­дой носит экзотермический характер 'и сопровождается выделением тепла. Тепло­выделение определяется ко­личеством теплоты, выде­ляемым 1 г цемента за пер­вые 7 суток твердения. В зависимости от минералоги­ческого состава тепловыде­ление цемента колеблется от 40 до 80 ккал/г (165— 330 кДж/г).

Прочность цемента явля­ется важным показателем и определяет его марку. Средние значения пределов прочности па сжатие харак­теризуют активность цемен­та. Испытания на прочность проводятся согласно ГОСТу с использованием образцов-балочек размером 40Х40Х Х160 мм, изготовленных из цементно-песчаного раствора, состоящего (по массе) из одной части цемента и трех частей нормального кварцевого песка. Количество воды для затворения цемента определяется консистенцией раствора. Полученные образцы сутки хранятся в формах при относительной влажности воздух.1! не ниже 90% и температуре ±20°С, а затем 27 суток -в воде при той же температуре. На 28 сутки твердения образцы-балочки испытывают на изгиб и сжатие и устанавливают марку портландцемента.

Промышленность выпускает четыре марки портланд­цемента: 400, 500, 550 и 600. Коррозионная стой­кость портландцемента характеризуется стойко­стью цементного камня к агрессивному действию окружающей среды, вы­зываемой тремя основны­ми факторами:

— растворением и вы­мыванием гидрооксида кальция Са(ОН)2, что

приводит к образованию пористого цементного камня и снижению его прочности;

•— воздействием воды, содержащей соли, которые способны вступать с компонентами цементного камня в обменные реакции и образовывать продукты, растворимые в воде;

•— образованием в порах цементного камня малорастворимых соединений под действием сульфатов, со­держащихся в воде, накопление которых приводит к образованию в стенках пор растягивающих напряжений и разрушению цементного камня.

Повышение коррозионной стойкости бетонных сооружений достигается использованием активных минеральных добавок, интенсивным уплотнением бетона при укладке и формовании, устройством гидроизоляции сооружений, водоотводов и дренажей.

Специальные виды портландцемента. Для придания портландцементу соответствующих механических и технологических свойств и снижения его себестоимости в состав вводят активные минераль­ные и другие добавки. Введение добавок повышает также водостойкость, морозостойкость и антикоррозионные свойства цементов.

Активные минеральные добавки подразделяются на природные и искусственные. В качестве природных добавок обычно применяют осадочные и вулканические горные породы: диатомит, трепел, пепел, туф и др., а искусственных — гранулированные доменные шлаки, а также керамзит и аглопорит, получаемые при обжиге различных глинистых пород. Среди добавок, регулирующих основные технологические свойства цементов, наибольшее применение получили пластифицирующие и гидрофобизирующие. Пластифицирующие добавки повышают пластичность цементно-песчаного раствора, а гидрофобизирующие. — снижают смачиваемость поверх­ности цементных зерен при затворении водой.

Наша промышленность производит более 40 видов и марок портландцемента, используемых в специальных целях. Основными разновидностями портландцемента являются быстротвердеющий, пластифицированный, сульфатостойкий, гидрофобный, белый и цветные, а так­же пуццолановый м шлаковый, глиноземистый и др.

Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ)
отличается от обычного более интенсивным нарастанием прочности в начальный период твердения. В возра­сте трех суток предел прочности при сжатии образцов
быстротвердеющего цемента не менее 25 МПа. Интенсивность твердения цемента в первые трое суток дости­гается доведением содержания в клинкере трехкальциевого силиката до 60-65% и трехкальциевого
алюмината до 10—12%, увеличением добавок гипса и
снижением содержания количества свободного оксида кальция и оксида магния, а также благодаря более тонкому помолу клинкера. Допускается введение в состав клинкера до 10% активных минеральных добавок и до 15% гранулированных доменных шлаков. Быстротвердеющий портландцемент применяется при изготов­лении сооружений из монолитного бетона, бетонных и железобетонных изделий и конструкций, не подвергающихся действию агрессивных сред, при заделке стыков строительных конструкций с целью получения вы­сокой прочности в ранние сроки.

Пластифицированный портландцемент получают в результате совместного тонкого помола портландцементного клинкера и пластифицирующей добав­ки (до 0, 3% от массы цемента). Наиболее распростра­ненной добавкой является концентрат сульфитно-дрож­жевой бражки (СДБ). В процессе затворения частицы пластифицированного цемента лучше смачиваются во­дой, снижается внутреннее трение между ними, цемент­ное тесто и бетонная смесь становятся более пластич­ными по сравнению со смесью, приготовленной на основе обычного портландцемента. Однако схватывание пластифицированного портландцемента и набор прочности протекают несколько медленнее, чем у портланд­цемента. Пластифицированный портландцемент широко применяется для изготовления бетона, к которому предъ­являются повышенные требования по морозостой­кости.

Сульфат о сто и кий портландцемент обладает высокой стойкостью к агрессивному воздействию сульфитных вод, по замедленной интенсивностью твердения в начальные сроки по сравнению с обычным портланд­цементом. В минералогический состав клинкера входит до 50%С35, до 5% С3А и до 22% С3А+С4АР. Допуска­ется введение до 0, 3% пластифицирующих добавок. Сульфатостойкий портландцемент используется в гид­ротехническом строительстве и при производстве бетон­ных и железобетонных конструкций, подвергающихся воздействию сульфитных вод.

Гидрофобизированный портландцемент

представляет собой продукт совместного помола портландцементного клинкера и гидрофобизирующей добав­ки (до 0, 3% от массы цемента), в -состав которой входят жидкости и мазеобразные побочные продукты, получаемые при переработке нефти. В результате их действия на поверхности частиц цемента образуются тончайшие гидрофобные пленки, способствующие сни­жению гигроскопичности и уменьшению слеживаемости цемента, создающие условия для длительного хранения цемента на воздухе без потери активности. Гидрофобизированный портландцемент успешно применяется в гидротехническом строительстве, при изготовлении во­донепроницаемых и морозостойких бетонов, а также для облицовки и оштукатуривания зданий.

Белые и цветные портландцемента используются и качестве декоративного материала для наружной и внутренней отделки зданий и сооружений различного назначения, облицовки панелей и блоков, для изготовления искусственного мрамора, цементных красок и т. п. Белый цемент получают измельчением белого маложелезистого клинкера вместе с активными мине­ральными добавками (до 20% от массы цемента). Клинкер содержит 35—50% С35, 35—45% С25, 14— 17% С3А, 0, 9—1, 4% С4АР и до 4, 5% М§О. Полученный клинкер подвергают отбеливанию водяным и газовым способами. Тонкость помола белого цемента должна обеспечить остаток частиц после прохода через сито с сеткой № 008 не более 12% от массы пробы. Качество белою цемента определяется его белизной и яркостью и по этим признакам подразделяется на три сорта: выс­ший, БЦ-I и БЦ-II с коэффициентом яркости соответ­ственно 80, 70 и 72%. Определение коэффициента яр­кости производится с помощью фотомеров; в качестве эталона принят сернокислый барий, имеющий коэффи­циент отражения 96, 3%.

Цветные портландцементы получают измельчением белого меланжевого или цветного клинкера сов­местно е добавками гипса, активных минеральных добавок и красителей (пигмента). Как пигмент используют охру, придающую цементу желтый цвет, сурик красный, диоксид марганца — коричневый и чер­ным, оксид.хрома - зеленый, оксид кобальта и ультрамарин - голубой. Качество цветных портландцементом определяется яркостью и равномерностью ок­раски. Цветные цементы должны иметь однородную окраску в соответствии с утвержденными эталонами: на границе стыков двух проб одинакового цвета, насыпан­ных на гладкую поверхность, не должно быть разницы в цвете.

Белый и цветные цементы схватываются и твердеют медленнее обычных портландцементов и по показателям прочности выпускаются трех марок: 300, 400 и 500; обладают пониженной коррозионной стойкостью и морозостойкостью.

Пуццолановый и шлаковый портландцементы, глиноземистый цемент. Пуццолановый портландцемент — вяжущее вещество, твердеющее в воде и во влажных условиях. Он представляет собой продукт совместного топкого измельчения портландцементного клинкера, кислой активной минеральной добавки и гип са. В состав активной минеральной добавки входят 20— 30% добавок осадочного происхождения и 25—40% вулканического происхождения. При необходимости в клинкер пуццоланового портландцемента вводят пласти­фицирующую или гидрофобизирующую добавки. Тон­кость измельчения цемента должна обеспечить при просеивании через сито с сеткой № 008 прохождение не менее 85% просеиваемой пробы. Пуццолановый портландцемент характеризуется медленным повышением прочности в начальный период твердения, однако в последующие периоды его прочность нарастает и до­стигает прочности обычного портландцемента. Нараста­ние прочности протекает особенно интенсивно при твер­дении во влажных условиях или в воде. Сроки схватывания пуццоланового портландцемента такие же, как у обычного: начало схватывания не ранее 45 минут, а конец—-не позднее 12 часов от начала затворения. Пуццолановый портландцемент отличается повышенной водонепроницаемостью и водостойкостью, в сравнении с портландцементом более стоек к отдельным видам коррозии. Недостатком пуццоланового портландцемента является пониженная морозостойкость. Объемная масса пуццоланового портландцемента в рыхлонасыпном со­стоянии 800—1000 кг/м3, в уплотненном состоянии 1200— 1500 кг/м3; плотность цемента 2, 7—2, 9 г/см3. Пуццолановый портландцемент выпускается марок 300, 400 и 500. Он применяется для изготовления бетонных и же­лезобетонных конструкций подземных и подводных соо­ружений, к которым предъявляются высокие требования по водонепроницаемости и водостойкости, а также бе­тонов для обычных наземных конструкций, эксплуати­рующихся в условиях повышенной влажности, но не подвергающихся многократному замораживанию и оттаиванию.

Шлакопортландцемент является продук­том совместного помола портландцементного клинкера, гранулированного доменного шлака и гипса. Молотый гранулированный доменный шлак, получаемый в ре­зультате обработки расплавленного доменного шлака, обладает вяжущими свойствами и твердеет при затворении водой. Его количество должно быть примерно 21— 80%. Использование доменных шлаков (основных и кислых) при производстве цемента имеет большое на­роднохозяйственное значение. При введении до 50% гранулированного доменного шлака цемент становится быстродействующим, прочность которого в начальный период нарастает более интенсивно, чем обычного портландцемента. По ряду свойств шлакопортландцемент подобен пуццоландцементу, но ниже по стоимости на 15—20%. Прочность шлакопортландцемента не снижается при эксплуатации в сухой среде. Удельный вес производства шлакопортландцемента в общем объеме составляет около 25%. Тонкость помола и сроки схватывания шлакопортландцемента такие же, как у обыч­ного портландцемента. Плотность шлакопортландцемента 2, 8—3, 1 г/см3; объемная масса в рыхлонасыпном состоянии 1100—-1300 кг/м3, а в уплотненном состоянии 1400—1000 кг/м3. Водонепроницаемость и водостой­кость шлакопортлапдцемента находятся па уровне показателей пуццоланового портландцемента, а моро­зостойкость — ниже. При твердении шлакопортландце­мента выделяется меньше теплоты. Шлакопортландце­мент выпускается марок 300, 400 и 500, а быстротвердеющий — марки 400. Эти цементы применяются для изготовления бетонных и железобетонных конструкций, подверженных действию агрессивных сред, и в том слу­чае, когда требуется высокая прочность в начальные сроки получения различных строительных растворов.

Глиноземистый цемент — продукт помола клинкера, полученного сплавлением или спеканием сырьевой смеси, состоящей из известняков и бокситов, богатых глиноземом. В клинкере должны преобладать низкоосновные алюминаты кальция, в первую очередь — однокальциевый алюминат СаОА12О3. Для облегчения процесса помола в состав клинкера допускается вводить до 1% специальных добавок. Благодаря такому минералогическому составу глиноземистый це­мент быстро твердеет и набирает свою полную мароч­ную прочность через три дня с момента затворения во­дой. Начало схватывания цемента не ранее 30 минут, а конец-—не позднее 12 часов, водопотребность для получения теста нормальной густоты в пределах 24— 28%. Для снижения тепловыделения, при твердении, а также уменьшения стоимости в ряде случаев в гли­ноземистый цемент добавляют до 20—30% доменного гранулированного шлака. Тонкость помола цемента должна обеспечивать остаток на сите № 008 не более 10% от массы пробы. Плотность глиноземистого цемен та 3, 0—3, 3 г/см3, объемная масса в рыхлонасыпном состоянии 1000—1300 кг/м3 и в уплотненном состоянии

1400—1800 кг/м3.

Бетоны на основе глиноземистого цемента облада­ют более высокой водостойкостью, морозостойкостью и жаростойкостью, пониженной пористостью по сравне­нию с портландцементом. В зависимости от прочности при сжатии промышленность выпускает три марки глиноземистого цемента: 400, 500 и 600. Испытания образ­цов производятся в возрасте трех суток после изготов­ления образцов. Глиноземистый цемент применяется для изготовления бетонных и железобетонных конст­рукций, требующих достижения высокой прочности бе­тона в короткие сроки, а также подвергающихся мно­гократному замерзанию и оттаиванию, увлажнению и высыханию. Целесообразно применять глиноземистый цемент и для бетонирования стыков, ремонта сооруже­ний в зимних условиях или работающих и агрессивных средах, для изготовления жароупорных бетонов.