Файл: Слободяник И.Я. Строительные материалы и изделия учебник.pdf

нения объема при твердении и др. Начало и конец схватывания, марка вяжущего и некоторые другие характеристики являются условными физическими величинами и устанавливаются ГОСТом для каждого вида вяжущих в зависимости от принятых в СССР

стандартных методов их определения.

Так, за начало и конец схватывания цемента принимают показа­ тель погружения в тесто определенной густоты стандартной иглы принятого веса и диаметра (прибор Вика). Маркой вяжущего являе­ тся показатель предела прочности при сжатии и изгибе образцов из теста определенной густоты или из раствора принятого условного состава со стандартным песком, приготовленных с соблюдением стандартных условий (степень уплотнения, пластичность раствора, температура и режим твердения и др.). Марки вяжущих разнооб­ разны и достигают 700 и выше. Плотность вяжущих (2,8—^3,1 ) X

Большинство вяжущих щелочестойко до определенных концент­ раций раствора щелочи, но кислотостойкостью не обладает. Вяжу­ щие на основе растворимого стекла и серы кислотостойки. Важным свойством цементов является способность их сцепляться со сталью и защищать ее от коррозии.

Классификация основных неорганических вяжущих, применяе­ мых в строительстве, следующая:

портландцементы — портландцемент, портландцемент пласти­ фицированный, портландцемент гидрофобный, портландцемент быстротвердеющий, портландцемент сульфатостойкий, портландце­ менты белые и цветные, портландцемент расширяющийся, порт­ ландцемент для дорожных и аэродромных покрытий, шлакопортландцемент, шлакопортландцемент быстротвердеющий, портланд­ цемент пуццолановый;

цементы специального назначения— цемент глиноземистый, це­ мент гипсоглиноземистый расширяющийся, цемент щелочной алю­ мосиликатный, цемент шлакосиликатный, цемент фосфатный, кис­ лотостойкий, цемент на основе серы;

известь и цементы на ее основе — известь воздушная, известь гидравлическая, известково-шлаковый, цемент, известково-пуццола- новый и известково-зольный цементы, известково-нефелиновый цемент;

магнезиальные вяжущие — магнезит каустический, доломит ка­ устический;

гипсовые вяжущие — гипс строительный, гипсоцементно-пуццо- лановые вяжущие, гипс высокообжиговый, фосфогипс.

Исходным сырьем для производства вяжущих являются мел, известняк, магнезит, доломит, гипс, мергели, бокситы, шлаки, гли­ ны, нефелиновый шлак, золы, пески и др.

Для получения самого распространенного вяжущего — порт­ ландцемента — в основном используют мергелистые породы, назы­ ваемые цементными, или натуральными. Так как месторождения

натуральных мергелей встречаются редко, то большей частью це­ ментные заводы работают на искусственных смесях, составленных из известняка и глины или известняка и шлаков, золы, слан­ цев и др.

Кроме основного сырья, при производстве вяжущих используют различные добавки, придающие вяжущим необходимые свойства,— активные минеральные добавки: природные (осадочного и вулка­ нического происхождения) и искусственные.

К природным добавкам осадочного происхождения относят диа­ томиты и трепелы — породы, содержащие главным образом крем­ незем в аморфном состоянии; опоки— уплотненные диатомиты и трепелы; глиежи — породы, образующиеся в результате самообжига при подземных пожарах в угольных пластах. К природным добавкам вулканического происхождения относят пеплы — породы, содержащие алюмосиликаты и находящиеся в природе в виде рых­ лых, частично уплотненных отложений; туфы — уплотненные и сце­ ментированные вулканические пеплы.

Среди активных добавок (искусственных) особая роль принад­ лежит доменным основным и кислым шлакам, на основе которых получают шлакопортландцементы, известково-шлаковые и водостойкие гипсовые вяжущие; золе бурых углей, сланцев, на основе которых изготовляют местные цементы в смеси с известью, а так­ же нефелиновому шламу (отход глиноземистого производства), так как они являются либо природными материалами, либо производ­ ственными отходами, не требующими для своего изготовления зат­ рат топлива на обжиг; большинство добавок является местными материалами. Многие из них находятся в рыхлом или порошкооб­ разном состоянии и не требуют размола.

Иногда для разбавления цементов или их пластификации при­ меняют добавки-наполнители (тонкомолотые известняки, молотый песок, глину и др.). В качестве специальных добавок к цементам при помоле клинкера применяют пластификаторы (сульфитно-дрожже­ вая бражка), гидрофобизаторы (мылонафт, асидол, кремнийорганические соединения — ГКЖ-94 и др.).

§ 46. Портландцементы

Цементами называют искусственно получаемые порошкообразные вещества, состоящие из клинкерных минералов — силикатов каль­ ция (портландцементы), алюминатов кальция (глиноземистые це­ менты), а также бесклинкерные на основе извести и добавок, обла­ дающие способностью в пластическом состоянии гидратировать с водой, образуя камневидное тело.

Портландцемент. Портландцементом называют вяжущее веще­ ство, полученное при тонком (сухом или мокром) размоле обож­ женного до спекания мергеля определенного состава или искусст­ венной смеси, состоящей из известняка и глинистых составляющих, обеспечивающих в полученном продукте преобладание силикатов кальция. Спекшийся продукт, из которого изготовляют портланд­

цемент, называют клинкером. Чаще всего портландцемент произво­ дят из искусственных смесей, регулируя их состав и тем самым определяя заранее свойства цемента.

При помоле клинкера допускается вводить активные минераль­ ные добавки в количестве до 15%, а также другие вещества, регули­ рующие и улучшающие свойства цемента (гипс, пластификаторы, гидрофобные вещества и др.).

Примерный химический состав портландцементного клинкера

(%) следующий: 60—67 СаО; 17—25 Si02; 3— 8 AI2O3; 0,3— 6 Ге20з;

-r-GjAF).

Вклинкере имеется незакристаллизованное стекло. Кроме того,

вклинкере в небольшом количестве могут быть несвязанная окись кальция, окись магния, щелочные силикаты. Трехкальциевый сили­ кат придает цементу повышенную прочность и способность быстро затвердевать. Двухкальциевый силикат характеризуется медлен­ ным твердением и нарастанием прочности. Трехкальциевый алюми­ нат и четырехкальциевый алюмоферрит быстро схватываются и твердеют.

Качество портландцемента характеризуется в основном его мар­

кой. Портландцемент делят по ГОСТ 10178—62 на марки 300, 400, 500, 600 по прочности на сжатие через 28 суток после изготовления образцов. Соответственно прочность на изгиб составляет 45 X X ІО5; 55ІО5; 60 • 10s; 65 ■ІО5 н/м2. В опытном порядке производят цементы марок 700 и выше.

Марка цемента по ГОСТ 310—60 определяется испытанием об- разцов-балочек размером 40 X 40 X 160 мм, изготовленных из ма­ лопластичных вибрированных растворов состава 1 : 3 с нормальным песком при водоцементном отношении не менее 0,4 через 28 суток твердения с момента изготовления при температуре 20 ± 3° С. Об­ разцы испытывают на изгиб, а их половинки после разлома — на сжатие. Нормальным песком считают кварцевый песок крупностью зерен 0,50—0,85 мм из карьеров близ станции Привольск РязаноУральской железной дороги. Прочность цемента с отклонением от марки определяет активность цемента. Портландцемент должен от­ вечать следующим основным требованиям.

1. Начало схватывания цементного теста нормальной густоты должно наступать не ранее 45 мин после начала затворения, конец схватывания — не позднее 12 ч. Нормальная густота теста харак­ теризуется количеством воды затворения, выраженным в процентах от веса цемента, и определяется с помощью прибора Вика погру­ жением в тесто пестика массой 300 г, диаметром 10 мм, помещен­ ного в конусное кольцо высотой 40 мм. Нормальной густотой

цементного теста принято называть такую консистенцию его, при которой пестик прибора не доходит до дна кольца на 5—7 мм.

За начало схватывания принимают время от начала затвореиия цемента водой до момента, когда игла прибора Вика при погру­ жении в тесто не будет доходить до дна кольца с тестом на 1— 2 мм. За конец схватывания принимают время от начала затворения до момента, когда игла будет опускаться в тесто не более чем на 1 мм.

2.Образец в виде лепешки из цементного теста при кипячении

вводе и выдерживании над паром не должен давать трещин, ха­ рактеризующих неравномерность изменения объема.

3.Количество SO3 в цементе не должно превышать 3,5% и MgO

вклинкере не более 5%.

4.Потеря при прокаливании должна составлять не более 5% для клинкера из вращающихся печей и не более 7% для клинкера из шахтных печей.

5.Тонкость помола, характеризуемая остатком на сите № 008, должна быть не более 15% по весу. Тонкость помола может быть регламентирована удельной поверхностью. Оптимальная величина удельной поверхности 3500—4000 см21г.

Плотность портландцемента (3,05-ь 3,15) ІО3 кг/м3. Условную объемную массу портландцемента обычно принимают 1300 кг/иг3 (насыпной вес).

Твердение цемента — сложное явление, обусловленное физико­ химическими и физико-механическими процессами гидратации клинкерных минералов и структурообразованием в цементном тесте

ицементном камне. Поэтому, несмотря на то, что теория тверде­ ния цемента развивается уже около 1 0 0 лет, в настоящее время еще нет стройной теории твердения минеральных вяжущих веществ.

Известны кристаллизационная теория твердения портландце­

мента Ле Шателье (1887 г.), коллоидная теория В. Михаэлиса (1893 г.) и теория А. А. Байкова, объединившая обе теории.

Согласно теории А. А. Байкова, различают три основных пе­ риода твердения портландцемента:

растворение, когда минералы клинкера, способные в той или иной степени переходить в раствор, взаимодействуя с водой, обра­ зуют водные соединения, создавая перенасыщенные неустойчивые системы;

коллоидация, или схватывание, характеризующаяся превраще­ нием новообразований в коллоидную систему в форме геля или студня;

кристаллизация, или твердение, когда студень кристаллизуется и цемент приобретает прочность с постепенным ее нарастанием.

Таким образом, процесс твердения чистых клинкерных минера­ лов протекает в основном по следующим химическим реакциям:

первичные процессы:

ЗСаО ■Si02 + л Н20 -»■ Са(ОН)2 + 2СаО • Si02 • л Н20; 2СаО • Si02 + л Н20 -> 2СаО • Si02 • л Н20;

ЗСаО • А 1,03 + я Н20 ЗСаО • А120 3 • п Н20; 4СаО • А120 3 • Fe20 3 + п Н20 ->■ЗСаО • А120 3 • п Н20 +

+ СаО • Fe20 • п FI20; вторичные процессы:

ЗСаО ■А]20 3 • п Н20 + 3CaS0.j + п Н20 = = ЗСаО • AUA • 3CaS04 • 31Н20;

CaO • Fe,03 • п Н20 + Са(ОН)2 + п Н20 = = ЗСаО • Fe20g • п Н80.

Теория А. А. Байкова получила дальнейшее развитие в трудах советских и зарубежных исследователей, уточнивших вопросы ки­ нетики гидратации цементных соединений и механизм структурообразования при твердении портландцемента.

Работами П. А. Ребиндера и ученых его школы доказано, что схватывание цементного теста следует объяснять гидросульфоалюминатным коагуляционным структурообразованием.

В процессе твердения цемента происходит упрочнение мало­ прочной гидросульфоалюминатной структуры продуктами силикат­ ного твердения, по мере образования которых прочность цементно­ го камня увеличивается.

Основным продуктом гидратации силикатов кальция при ком­ натной температуре, наряду с гидроокисью кальция, являются но­ вообразования, подобные тобермориту Cai0 [Sii2O31] • (ОН)2.

Цементы с тонкомолотыми добавками твердеют в течение более длительного времени. Нормальный физико-химический процесс твердения цемента протекает в теплой и влажной среде. В сухой среде и при быстром высушивании процесс твердения цемента пре­ кращается. При пониженных температурах (0? С, +5° С) процесс схватывания и твердения протекает медленнее.

Замерзшее цементное тесто способно к затвердению после оттаи­ вания. Замедление твердения цемента объясняется снижением актив­ ности замерзшей воды. Однако вследствие тепловыделения цемента в самом бетоне может поддерживаться положительная температура, зависящая от вида применяемого цемента. Большое значение для замедления перехода воды из жидкого" состояния в лед имеют хи­ мические добавки — соли, снижающие температуру замерзания во­ ды, а также экзотермичные цементы, выделяющие большое количе­ ство тепла при твердении. Так, 1 кг цемента выделяет за первые 3— 7 суток твердения бетона 30—50 ккал тепла. Экзотермия цемента зависит от его минералогического состава, тонкости помола, дли­ тельности хранения на складе. Самым большим тепловыделением отличаются цементы, содержащие повышенные количества трех­ кальциевого алюмината и трехкальциевого силиката. В массивных бетонных сооружениях температура бетона может достигать 50— 60° С, что вредно отражается на прочности конструкции. Высокоэкзотермичные цементы рационально применять при работах в зим­ нее время.