Учебное пособие: Портландцемент
Добавка гипса, вводимая при помоле клинкера, замедляет схватывание цемента на несколько часов из-за образования эттрингита 3СаО·А12 О3 ·3СаSО4 · (31–33)Н2 О, обладающего развернутой поверхностью и экранирования частиц минерала С3 А.
Четырехкальциевый алюмоферрит С4 АF взаимодействует с водой медленнее, чем С3 А, образуя гидроалюминат и гидроферрит кальция.
4CaO · Al2 O3 · Fe2 O3 + 12 H2 O → 3CaO · Al2 O3 · 6H2 O + CaO · Fe2 O3 ·6H2 O
Основной продукт твердения портландцемента – гидросиликаты кальция – практически нерастворимы в воде. Они выпадают из раствора сначала в виде геля Гель гидросиликатов кальция со временем кристаллизуется. Остальные продукты взаимодействия клинкера с водой также участвуют в формировании структуры цементного камня и, также влияют на его свойства. Процесс гидратации зерен портландцемента из-за малой их растворимости растягивается на длительное время. Процесс может протекать при наличие воды в твердеющем материале. Качество цемента принято оценивать по прочности, набираемой им через 28 суток твердения.
8.3 Коррозия цементного камня
Коррозия цементного камня. Если вода или водные растворы солей и кислот фильтруются сквозь цементный камень, то начинается его разрушение Коррозия протекает тем интенсивнее, чем выше капиллярная пористость цементного камня В зависимости от действующих коррозионных агентов различают несколько видов коррозии.
Физическая коррозия (выщелачивание). При взаимодействии с водой силикатов кальция выделяется Са(ОН)2 , около 15 % от объема всех продуктов твердения. Растворимость Са(ОН)2 в воде около 2 г/л. Поэтому происходит вымывание Са(ОН)2 и вынос его на поверхность. На бетоне появляются белесые выцветы. Чем больше вымывается Са(ОН)2 из цементного камня, тем более пористым он становится. Это вызывает усиление фильтрации воды и т. д. Чтобы увеличить стойкость цементного камня к выщелачиванию, используют цементы с пониженным содержанием С3 S, а также добавляют к цементу активные минеральные (пуццолановые) добавки, связывающие Сa(OH)2 в менее растворимые гидросиликаты кальция nCaO·SiO2 ·mH2 O.
Еще сильнее разрушает цементный камень фильтрующаяся через него минерализованная вода. В этом случае внутри цементного камня происходят различные химические реакции между растворенными в воде солями и продуктами твердения цемента.Особенно опасна сульфатная коррозия, вызываемая водой, содержащей сульфат-ион SО2- 4 (в частности, растворы СаSО4 ). причиной разрушения является образование в цементном камне сложного комплексного соединения: гидросульфоалюмината кальция (эттрингит). Он образуется при взаимодействии гидроалюмината кальция, находящегося в цементном камне с поступающими с водой ионами Са2+ и SО2- 4 по следующей схеме:
3СаО·А12 О3 ·6Н2 О + 3Са2+ + 3SО2- -4 + 25Н2 О = 3СаО·А12 О3 ·3СаSО4 ·31Н2 О
Объем эттрингита в 2,5 раза превышает объем исходного гидроалюмината, что и вызывает разрушение затвердевшего цементного камня. Это эта же реакция образования эттрингита, но проводимая целенаправленно, используется для получения расширяющихся цементов. Основные пути защиты цементных материалов от коррозии следующие: правильный выбор типа цемента и снижение капиллярной пористости цементного камня.
Свойства портландцемента К ним относятся, тонкость помола, сроки схватывания, равномерность изменения объема при твердении и прочность затвердевшего цементного камня. Истинная плотность портландцемента составляет 2900...3200 кг/м3 , насыпная плотность в рыхлом состоянии 1000...1100 кг/м3 , в уплотненном – до 1600 кг/м3 .
Тонкость помола характеризуется количеством цемента, проходящим через сито с сеткой №008, (размер отверстий 0,08 мм) и его удельной поверхностью. Согласно ГОСТу через сито с сеткой № 008 должно проходить не менее 95 % цемента, при этом удельная поверхность у обычного портландцемента должна быть в пределах 2000...3000см2 /г. Сроки схватывания портландцемента- начало, не ранее 45 мин; конец – не позднее 10 ч. Марку портландцемента определяют по пределу прочности при сжатии и изгибе образцов-балочек 40х40х160мм, изготовленных из цементно-песчаного раствора (состава 1:3) стандартной консистенции и твердевших 28 суток. Портландцемент выпускают марок: 400; 500; 550 и 600. Твердение портландцемента сопровождается выделением большого количества теплоты. Так как эта теплота выделяется в течение длительного времени (дни, недели), заметного разогрева цементного бетона или раствора не происходит. Однако, если объем бетона велик (например, при бетонировании плотин, массивных фундаментов), возможен разогрев бетона до температуры 70...80° С, что приведет к его растрескиванию.
При твердении цементное тесто уменьшается в объеме. Усадка на воздухе составляет около 0,5...1мм/м. При твердении в воде цемент немного набухает (до 0,5 мм/м). Изменение объема при твердении должно быть равномерным. Это свойство проверяют на лепешках из цементного теста, которые не должны растрескиваться после пропаривания в течение 3 ч. Неравномерность изменения объема возникает из-за присутствия в цементе свободных СаО и. МgО, находящихся в виде пережога. Портландцементы и шлакопортландцементы применяют для изготовления бетонов и железобетонных конструкций.
8.4 Шлакопортландцемент и др. виды цементов
Разновидности цементов представлены в таблице 8.2.
Таблица 8.2. Разновидности портландцемента
| Виды портландцемента | Состав и технология получения | Свойства и область применения |
| 1 | 2 | 3 |
| Пластифицированный (гидрофильный) | Помол клинкера с добавкой 0,25% сульфитно-дрожжевой бражки в пересчете на сухое вещество | Марки 300, 400, 500. Повышенная подвижность бетонной смеси. Применяют в монолитных бетонных и железобетонных конструкциях. |
| Гидрофобный (водоотталкивающий) | При помоле клинкера вводят 0,06…0,3 мас., %, гидрофобизирующей добавки (мылонафт и др.) | Повышенная подвижность бетонной смеси и морозостойкость бетона М400. |
| Быстротвердеющий (БТЦ) | Отличается повышенным содержанием С3 S и C3 A (трех кальциевого силиката и трех кальциевого алюмината.) Более тонкий помол цемента с уд. поверхностью S=3500…4000см2 /г | Быстрое нарастание прочности в начальный период твердения. |
| Сульфатостойкий | Изготавливают из клинкера с содержанием С3 S не более 50% и С3 А не более 5%, не содержит активных и инертных добавок. | М400.Повышенная сульфатостойкость, замедленное твердение в начальные сроки. |
| Шлакопортландцемент | Совместный помол клинкера, доменного шлака 30…60мас., % и природного гипса. | Марки 300, 400, 500. Плотность 2,8…3,0г/см3 ,ρнас =1000…1400кг/м3 , нормальная густота цементного теста 25…28%. |
| Пуццолановый цемент | Совместный помол клинкера, природного гипса и 20…40 масс., % активной минеральной добавки или тщательное смешение тех же материалов измельченных раздельно. Применяют для подводных сооружений. | М 300, 400. Замедленный рост прочности, высокая водопотребность. Повышенная водонепроницаемость, водостойкость, пониженная воздухостойкость. |
| Особобыстро-твердеющий, ОБТЦ | Помол клинкера удельной поверхности до 6000см2 /г, Содержит, мас., %: С3 S…58; С2 S…19; С3 А…8; С4 АF…14. | Активность до 70МПа, отличается быстрым нарастанием прочности в первые сутки и к 28 суточному твердению. |
| Белый и цветной цементы | Изготовляют совместным помолом маложелезистого клинкера, получаемого обжигом смеси мела и белых каолинитовых глин. При помоле клинкера в мельницах применяют фарфоровые шары и футеровку. При помоле вводят 5…6% белого диатомита и природного гипса. | Сорта по белизне: высший, БП-I БП-II. М300, 400, 500. При введении щелочестойких пигментов получают цветные цементы применяемые при отделочных работах. |
| Тампонажный | Изготавливают совместным помолом клинкера и двуводного гипса. Допускаемое количество активных добавок не более 15% и 10% инертных для «холодных» скважин и для «горячих» - добавки – активных минеральных или граншлака в количестве не более 15%. |
Для «холодных» скважин: начало схватывания не ранее 2 час, конец не позднее 10 часов. Температура твердения 22±2о С, Rсж не ниже 2,7 МПа через двое суток твердения. Для «горячих» скважин: начало схватывания не ранее 1ч 45мин, конец схватывания не позднее 4ч 30мин. Температура твердения - 75±3о С. Rсж не ниже 6,2МПа. |
| Портландцемент для производства асбестоцементных изделий | Клинкер получают обжигом сырьевой смеси до спекания с преобладающим содержанием силикатов кальция. Допускается введение 3,0 мас, % добавок улучшающих свойства цемента | Начало схватывания не ранее через 1ч 30мин. Конец не позднее 12 часов. М400, 500. |
Глиноземистый цемент – быстротвердеющее и высокопрочное гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельчения клинкера, содержащего преимущественно низкоосновные алюминаты кальция.
Однокальциевый алюминат СаО·Al2 O3 определят быстрое твердение и др. свойства. В нем содержатся и другие алюминаты кальция, например, 2СаО·Al2 O3 . Цемент изготовляют из известняка СаСО3 и бокситов содержащих глинозем Al2 O3 ·nH2 O. Получают этот цемент путем плавки в доменной печи бокситовой руды и железного лома. При этом доменная печь одновременно выдает чугун и шлак, представляющий собой клинкер глиноземистого цемента.
Глиноземистый цемент марок 400, 500 и 600 обладают необычно быстрым твердением через трое суток и нормальными сроками схватывания. Начало схватывания не ранее 30мин. и конец схватывания не позднее 12 часов, тепловыделение при твердении в 1,5 раза больше, чем у портландцемента. В продуктах гидратации глиноземистого цемента не содержится гидроксида кальция, Са(ОН)2 и трехкальциевого шестиводного гидроалюмината (С3 ·А·Н6 ), если температура твердения не превышает 25о С, поэтому бетон на глинозёмистом цементе более стоек по сравнению с портландцементом против выщелачивания Са(ОН)2 , а также в растворах сульфата кальция и магния (в морской воде). Однако затвердевший глиноземистый цемент разрушается в растворах кислот и щелочей, поэтому глиноземистый цемент нельзя смешивать с портландцементом и известью.
С учетом специфических свойств и высокой стоимостью глиноземистый цемент предназначается для получения быстротвердеющих, а также жаростойких бетонов и растворов и расширяющихся цементов.
Расширяющиеся и безусадочные цементы.
Состав цемента дает возможность регулировать количество и скорость образования кристаллов гидросульфоалюмината кальция (3СаО·Al2 O3 ·3CaSO4 ·31H2 O) и избежать появления больших напряжений, вызывающих растрескивание затвердевшего цементного камня.
Расширяющийся портландцемент (РПЦ) получают совместным тонким измельчением в мас., % портландцементного клинкера – 58…63, глиноземистого шлака или клинкера – 5…7, гипса – 7…10, доменного граншлака или другой активной минеральной добавки – 23…28. РПЦ отличается быстрым твердением в условиях кратковременного пропаривания, высокой плотностью и водонепроницаемостью цементного камня и способностью расширяться при постоянном увлажнении в течение первых трех суток.