СПЕЦИАЛЬНЫЕ ЦЕМЕНТЫ

Строительно-технические свойства

Глиноземистый цемент — нормально схватываю­щееся гидравлическое вяжущее, отличающееся от дру­гих цементов высокой прочностью, достигаемой в ран­нем возрасте (рис. 29). По внешнему виду он представ­ляет собой тонкий порошок, цвет которого (от свет­ло-серого до темно-коричневого) зависит от состава сырья и способа производства. Цвет нашего глиноземи­стого цемента доменной плавки светло-серый. Основные признаки, позволяющие распознать глиноземистый це­мент,— химический состав и быстрое нарастание проч­ности в раннем возрасте. Реакция на фенолфталеин—■ слабощелочная. Плотность — 3—3,1, она может дости­гать и 3,2; средняя плотность в рыхлом состоянии—• 1000—1200 кг/м3.

Нормальная густота раствора почти не отличается от нормальной густоты раствора портландцемента и со­ставляет 23—28%. Ее определяют по формуле Р/4-f - + 1%, где Р — нормальная густота цементного теста. При несколько большем содержании воды (Р/4-f - от 2 до 3%) прочность возрастает. Увеличение содержания воды в тесте на 1—2% сверх определенной по ГОСТ не­сколько замедляет схватывание, особенно его начало. Глиноземистый цемент характеризуется нормальными сроками схватывания, он отнюдь не быстросхватываю- щийся, как считали раньше. ГОСТ 969—77 регламенти­рованы: начало схватывания — не ранее 30 мин и конец схватывания не позднее 12 ч от начала затворения. Сро­ки схватывания глиноземистого цемента можно значи­тельно изменять, применяя добавки.

При этом следует учесть, что некоторые добавки не­благоприятно влияют на прочность цемента, поэтому применять их можно после соответствующих испыта­ний. Обращает на себя внимание сахар, который в ко­личестве 1% и более может не только замедлить схва­тывание на длительное время, но и вовсе прекратить твердение.

Рис. 29. Кривая роста прочности раз­личных цементов

1 — глиноземистый цемент; 2 — бы - Стротвердеющий портландцемент; 3 — обыкновенный портландцемент

Рис. 30. Повышение температуры бетона на разных цементах в адиа­батических условиях (бетон соста­ва 1:2:4; ВЩ-0,6)

1 — обыкновенный портландцемент;

2 — быстротвердеющий портланд­цемент; 3 — глиноземистый цемент

Глиноземистый цемент равномерно изменяется в объеме, поскольку не содержит несвязанного оксида кальция. Гипса в нем мало. Объемные деформации при твердении проявляются вначале в виде некоторой усад­ки, затем расширения. Размер контракции составляет 10—12 см3 на 100 г против примерно 5 см3 у портланд­цемента. Контракция заканчивается обычно через сутки (против 7 сут у портландцемента). Объемные деформа­ции глиноземистого цемента в процессе твердения не определялись, но они также зависят от применения до­бавок, рН жидкой фазы, экзотермии. Некоторое пред­ставление о размере этих деформаций можно получить По значению плотности. Так, например, сопоставление

Уменьшившейся плотности гидратированного цемента с плотностью исходного порошка цемента позволило рас­считать увеличение объема твердой фазы при гидра­тации, доходящее до 50%.

Тепловыделение глиноземистого цемента имеет свои характерные особенности. При твердении выделяется значительное количество тепла—315—399 кДж/г, в от­дельных случаях 504 кДж/г у цемента высоких марок и 252—294 кДж/г у цемента средних и низких марок за 28 сут твердения. Общее количество тепла находится примерно в тех же пределах, что и у высокопрочного портландцемента, но более быстрая гидратация глино­земистого цемента ускоряет тепловыделение (рис. 30). Экзотермические реакции начинаются не сразу после затворения водой и даже не непосредственно после кон­ца схватывания, а через 5—8 ч. Начавшееся тепловыде­ление продолжается затем столь интенсивно, что через сутки выделяется уже 70—80% общего количества теп­ла, тогда как у портландцемента столько же тепла выде­ляется обычно к семисуточному возрасту. Приращение температуры в бетоне при твердении примерно пропор­ционально содержанию в нем цемента. Затворяют гли­ноземистый цемент только на пресной воде.

Выпускается глиноземистый цемент марок 400, 500 и 600. Маркировка осуществляется по результатам ис­пытаний стандартно изготовленных призм размером 40X40X160 мм из раствора пластичной консистенции состава 1:3 с нормальным Вольским песком, погружен­ных в воду через 6 ч после начала затворения и испы­танных через 3 сут твердения (табл. 33). Требования ГОСТ 969—77 к глиноземистому цементу приведены в табл. 33.

По окончании схватывания цемент начинает быстро твердеть; через сутки с момента затворения прочность

Его составляет 80—90% прочности, получаемой в 28-с'у- точном возрасте. После трех суток твердения прочность нарастает медленно и составляет по отношению к трех­суточной, принятой за 100%, через 7 сут—120%, через 28 сут— 140% и через 2 мес —160%. Нарастание проч­ности на изгиб не всегда идет нормально, причем воз­можно некоторое ее снижение к 28-ми сут. По ГОСТ немент испытывают в возрасте 1 и 3 сут. Бетоны и ра­створы на глиноземистом цементе работают на сжатие лучше, чем на изгиб, что видно, в частности, из показа­телей прочности.

Для твердения глиноземистого цемента наиболее благоприятна температура 288—293К при нормальной влажности. Выше 293—298К независимо от причины повышения — за счет экзотермии цемента или нагрева от внешней среды, прочность цемента значительно пони­жается. Отрицательное влияние повышенной температу­ры на прочность в раннем возрасте более сильное, чем в позднем. Если после окончания схватывания тверде­ние протекало при 303—318К, то цементный камень окажется низкопрочным. Если же начало воздействия повышенной температуры относится примерно к суточ­ному возрасту, т. е. к уже почти отвердевшему цементу, то прочность будет понижаться, но в меньшей степени.

В литературе приведены результаты натурных и ла­бораторных испытаний растворов и бетонов на глино­земистом цементе, длительно твердевшем в различных' условиях — в воде, на воздухе, при нормальной и повы­шенной температуре. Они указывают на случаи сниже­ния прочности бетона на глиноземистом цементе через 10—15 лет твердения (Франция, ВНР). Было обнару­жено отрицательное влияние щелочей и особенно повы­шенной температуры твердения, характерной для клима­та этих стран. В результате там применение глинозе­мистого цемента в строительстве существенно ограниче­но, хотя одновременно признается, что при правильном его использовании сооружения из него долговечны. В условиях нашего климата не зарегистрированы случаи разрушения строительных конструкций, возведенных с применением глиноземистого цемента.

И. В. Кравченко изучала влияние повышенной тем­пературы твердения на прочность раствора 1:3 из гли­ноземистого цемента разных видов. Было установлено, что при - твердении во влажных условиях при 318К проч­ность понизилась, но при последующем твердении на

Воздухе при комнатной температуре полностью восста­новилась. Если же последующее твердение происходит не на воздухе, а в воде, то в этих условиях прочность восстанавливаться не будет [64].

Пропаривание не допускается, так как вызывает снижение прочности, причем при последующем тверде­нии она восстанавливается. С. М. Рояком, Ю. Ф. Кузне­цовой, В. И. Шустиной были проведены исследования, показание, что можно применять кратковременную тепловлажностную обработку глиноземистых цементов моноалюминатного и диалюминатного типов при атмос­ферном и повышенном давлении. При этом достигается ускорение процессов твердения, заметно не влияющее на рост их прочности в дальнейшем.

При пониженной температуре до 278—283 К твердение глиноземистого цемента будет несколько за­медляться. Прочность глиноземистого цемента в про­цессе твердения при 278К уменьшается примерно на 10—20% по сравнению с прочностью при нормальной температуре твердения. Глиноземистый цемент благода­ря высокой экзотермии может твердеть при низкой тем­пературе среды, однако при условии, что температу­ра массы бетона или раствора будет положительной. При замерзании бетона твердения, конечно, не будет. Глиноземистый цемент менее чувствителен к действию пониженных, но положительных температур, чем порт­ландцемент. Замораживание бетонов и растворов на глиноземистом цементе после первых нескольких суток твердения при положительной температуре вполне до­пустимо. После оттаивания в дальнейшем прочность не­прерывно растет. Водонепроницаемость и морозостой­кость растворов и бетонов на глиноземистом цементе весьма высокие вследствие малой пористости цементно­го камня при условии применения качественных запол­нителей.

Химическая стойкость глиноземистого цемента по сравнению с портландцементом также весьма высока из-за особенностей химико-минералогического состава цементного камня. Отсутствие в нем растворимого, лег­ко выщелачивающегося гидроксида кальция, наличие мало растворимого гидроксида алюминия и плотных образований низкоосновных гидроалюминатов кальция придают этому цементу весьма высокую коррозиеустой- чивость против действия сульфатных, морских и ряда других распространенных минерализованных вод.

Лабораторные и натурные испытания показали, что бетоны на глиноземистом цементе стойки к действию насыщенных сульфатом кальция вод, к 5%-ным раство­рам сульфата магния, сульфата натрия и сульфата алю­миния. Объясняют это тем, что образование гидросуль­фоалюмината кальция в результате взаимодействия гидроалюминатов кальция с сульфатами происходит в жидкой фазе (растворе) цементного камня, а не в твер­дой, вследствие повышенной растворимости алюминатов' в воде с малой концентрацией извести. В этих условиях не возникают вредные напряжения, сопровождающие кристаллизацию гидросульфоалюмината кальция.

Глиноземистый цемент достаточно устойчив в кис­лых водах, содержащих углекислоту; он также более с'тоек, чем портландцемент, к действию хлористых солей и характеризуется большей, чем портландцемент кор- розиеустойчивостью при воздействии ряда органических соединений. И наряду с этим он совершенно не стоек к действию щелочей, особенно высокой концентрации, а также свободных неорганических кислот.

Твердение бетона на глиноземистом цементе можно ускорить путем более длительного перемешивания бе­тонной смеси в бетономешалке. Так, например, при расходе глиноземистого цемента 350 кг/м3 и В/Ц=0,4 перемешивание бетонной смеси в течение 30 мин при укладке вибрированием позволяет получить: через 6 ч прочность бетона 25—30 МПа и через 8—10 ч — 40—45 МПа. В последующие сроки твердения прочность сколь­ко-нибудь заметно не снижается. Высокий процент хи­мически связанной воды и значительное повышение температуры бетона в связи с экзотермией цемента тре­буют эффективных мер, чтобы обеспечить влажностный режим твердения бетона. Необходима защита бетона от непосредственного действия солнечных лучей, ветра и др. Следует стремиться к понижению температуры бетона. Его затворяют на холодной воде, употребляют холодные или специально охлажденные каменные ма­териалы, защищенные от нагрева солнечными лучами, ведут бетонирование слоями. Бетонные работы на гли­ноземистом цементе целесообразно вести в теплое вре­мя года лишь когда прохладно — ночью, ранним утром, чтобы материалы не нагревались солнцем.

Необходимо обязательно хранить бетон влажным, во всяком случае не менее одних суток. Поливка водой должна быть начата после начала его саморазогрева­ния, но не позднее чем через 8—10 ч после укладки. При возведении массивных сооружений из железобето­на на глиноземистом цементе внутри бетона развивается высокая температура, доходящая до 343К и выше. При такой температуре твердение протекает ненормально и прочность бетона внутри конструкций получается зна­чительно ниже, чем в наружных слоях. Поэтому глино­земистый цемент следует применять только в конструк­ции толщиной не более 1 м. В конструкциях более 1 м он допустим только при проведении специальных мер в зависимости от его качества и особенностей сооружения.

Вместе с тем высокая экзотермия глиноземистого цемента позволяет применять его для зимнего бетони­рования при 266—263К без таких специальных мер, как электропрогрев, пропаривание или использование уско­рителей твердения. В первые двое суток после укладки необходимо защищать бетон от замерзания. При бето­нировании на морозе (263К) нужен подогрев заполни­телей. При этом необходимо следить за тем, чтобы тем­пература бетона, по крайней мере в первые сутки, не превышала 298К. Следует учитывать также способность бетонной смеси на глиноземистом цементе быстро густеть и утрачивать пластичность, в особенности с по­вышением температуры.

Смешивать глиноземистый цемент с портландце­ментом и его разновидностями, а также с известью нельзя, так как это вызывает понижение прочности обо­их цементов и быстрое схватывание. В отдельных Случа­ях допустима добавка нескольких процентов портланд­цемента к глиноземистому при условии, что предвари­тельно будет проведено соответствующее испытание и установлено, насколько сократились сроки схва­тывания и снизилась прочность цемента. Укладывать бетон из глиноземистого цемента на отвердевший порт - ландцементный бетон можно не ранее чем через 7 сут, а портландцементный бетон па отвердевший бетон из глиноземистого цемента — не ранее чем через 1—2 сут.

Так, например, глиноземистый цемент рекомендует­ся для возведения или срочного ремонта специальных сооружений, ответственных железобетонных конструк­ций, промышленных сооружений и мостов, если необхо­дИмо быстрО—получить--расчетную прочность, в шахто - строенин, при возведении подземных сооружений, там­понировании трещин в породах при значительном деби­те воды, при скоростном тампонировании холодных нефтяных и газовых скважин. Его используют для за­делок пробоин в морских судах, для быстрого сооруже­ния фундаментов под машины, зимних бетонных работ, в виде раствора для специальной каменной кладки, во многих случаях аварийных работ и др.

Можно применять глиноземистый цемент для бетон­ных и железобетонных сооружений, работающих в мор­ской, сульфатной и других минеральных водах, при этом необходимо предохранить, хотя бы на период схва­тывания, бетонную или растворную смесь от воздейст­вия указанных вод. Глиноземистый цемент идет на из­готовление огнеупорных бетонов. Новая и особо инте­ресная область его применения — производство на его основе расширяющихся цементов. J

Высокоглиноземистые цементы разработаны в НИИЦементе; получены два вида — высокоглиноземи­стый и особочистый высокоглиноземис'тый, различаю­щиеся по малому содержанию примесей. ВГЦ при нали­чии 60—65% глинозема содержит 2—3% кремнекислоты, а особочистый ВГЦ — 73—75% глинозема, до 1% крем­некислоты и менее 0,5% оксида железа. Последний це­мент по фазовому составу отличается от ВГЦ, он состо­ит в основном из диалюмината кальция — СА2 и не­большого количества геленита и моноалюмината. Тем­пература плавления его достигает 2033К.

Для производства обоих видов цемента применяют не загрязненный примесями технический глинозем и карбонат кальция. Сырьевые компоненты в установлен­ном расчетом количестве тонко измельчают и после тщательной гомогенизации обжигают во вращающейся печи до спекания при температуре около 1773К. Полу­ченные клинкеры сравнительно легко размалываются; при испытании по стандартным методам цементы пока­зывают значительно большую прочность, чем обычный глиноземистый цемент.