Строительные материалы и изделия

ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ

Гидравлическая известь обладает рядом недостатков. Главные из них: необходимость твердения на воздухе первые 7...14 сут, низкие прочность, морозо - и воздухостойкость. Поэтому велись поиски более совершенного вяжущего вещества. Практически одновременно (1824— 1825) независимо друг от друга Егор Челиев в России и Джозеф Аспдин в Англии путем высокотемпературного обжига до смеси

известняков и глины получили вяжущее, обладающее большей водо­стойкостью и прочностью. Производство нового вяжущего, названного впоследствии портландцементом, совершенствовалось и быстро рас - 152

і

■ ширялось. Уже в начале XX в. портландцемент стал одним из основных і. строительных материалов.

Портландцемент — гидравлическое вяжущее, получаемое тонким

; измельчением портланддементного клинкера и небольшого количества і гипса (1,5...3 %). Клинкер получают обжигом до спекания сырьевой I смеси, обеспечивающей в портландцементе преобладание силикатов І кальция. К клинкеру для замедления схватывания цемента добавляют | гипс. Для улучшения некоторых свойств и снижения стоимости пор - | тландцемента допускается введение минеральных добавок.

| Кроме портландцемента на основе портландцементного клинкера I выпускают много других видов цементов.

I Производство. Основные операции при получении портландцемен - | та: приготовление сырьевой смеси, обжиг ее до получения цементного ( клинкера и помол клинкера совместно с добавками.

Соотношение компонентов сырьевой смеси выбирают с таким расчетом, чтобы полученный при обжиге клинкер имел следующий химический состав (%): СаО — 62...68, Si02 — 18...26, А1203 — 4...9, ‘ Fe203 — 2...6. В природе есть горная порода, обеспечивающая получе­ние клинкера такого состава,— мергель, который представляет собой тесную смесь известняка с глиной. Но чаще используют известняк и

глину (добываемые отдельно) в соотношении 3 : 1 (по массе). Кроме основных компонентов в сырьевую смесь вводят корректирующие добавки и промышленные отходы, обеспечивающие требуемый состав клинкера.

Тщательно подготовленную сырьевую смесь подают на обжиг во вращающуюся печь (рис. 8.3), которая представляет собой стальную трубу диаметром до 7 м и длиной до 185 м. Изнутри труба выложена огнеупорным кирпичом. Печь установлена под небольшим (3...40) углом к горизонту и вращается (0,8... 1,3 мин''), благодаря чему сырьевая смесь перемещается в ней от верхнего конца к нижнему, куда подается топливо. Максимальная температура обжига 1450° С. При таких высо­ких температурах оксид кальция СаО, образовавшийся в результате разложения известняка, взаимодействует с кислотными оксидами Si02, А1203 и Fe203, образующимися при разложении глины. Продукты взаимодействия, частично плавясь и спекаясь друг с другом, образуют так называемый портландцементный клинкер — плотные твердые ку­ски серого цвета. В состав портландцементного клинкера входят четыре основных минерала (табл. 8.1) и небольшое количество стеклообраз­ного вещества.

Как видно из таблицы, портландцементный клинкер в основном (на 60...80 %) состоит из силикатов кальция, из-за чего портландцемент также называют силикатным цементом.

Для получения портландцемента клинкер размалывают в трубных или шаровых мельницах с гипсом и другими добавками. Свойства портландцемента зависят от его минерального состава и тонкости помола клинкера.

При взаимодействии с влагой воздуха активность портландцемента падает, поэтому его предохраняют от действия влаги. Портландцемент хранят в силосах (высоких цилиндрических емкостях из бетона или металла). На строительство его доставляют в специальных вагонах, автомобилях-цементовозах или упакованным в многослойные бумаж­ные или полиэтиленовые мешки.

Твердение. При смешивании с водой частицы портландцемента начинают растворяться, причем одновременно может происходить 154

гидролиз (разложение водой) и гидратация (присоединение воды) продуктов растворения с образованием гидратных соединений.

По этой схеме (гидролиз и гидратация) взаимодействуют с водой главные компоненты клинкера алит C3S и белит C2S:

2(ЗСаО • Si02) + 6Н20 -» ЗСаО • Si02 • ЗН20 + ЗСа(ОН)2

2(2СаО • Si02) + 4Н20 -> ЗСаО ■ Si02 • ЗН20 + Са(ОН)2 ; .ЖГ '

Необходимо подчеркнуть особенности этих реакций:

• C3S взаимодействует с водой намного активнее, чем С25;

• при взаимодействии силикатов кальция с водой выделяется растворимый в воде компонент Са(ОН)2 — воздушная известь, создаю­щая щелочную реакцию в твердеющем цементе;

• C3S выделяет Са(ОН)2 в 3 раза больше, чем C2S; общее количество Са(ОН)2 достигает 15 % от массы цементного камня.

Алюминат кальция СА подвергается только гидратации, причем этот процесс идет очень быстро с образованием крупных кристаллов

ЗСаО А1203 + 6Н20 ЗСаО • А1203 6Н20

Добавка гипса, вводимая при помоле клинкера, изменяет характер начального периода твердения С А и замедляет схватывание цемента на несколько часов из-за образования эттрингита ЗСаО • А1203 -3CaS04 ■ (31-33)Н20.

Четырехкальциевый алюмоферрит CAP взаимодействует с водой медленнее, чем СА> образуя гидроалюминат и гидроферрит кальция. * Основной продукт твердения портландцемента — гидросиликаты кальция — практически нерастворимы в воде. Они выпадают из рас­твора сначала в виде геля (жесткого студня). Этот гель пронизывают, . укрепляя его, кристаллы Са(ОН)2. Гель гидросиликатов кальция со временем кристаллизуется. Остальные продукты взаимодействия клин­кера с водой также участвуют в формировании структуры цементного камня и, естественно, влияют на его свойства.

Процесс гидратации зерен портландцемента из-за малой их раство­римости растягивается на длительное время (месяцы и годы) (рис. 8.4). Чтобы этот процесс мог протекать, необходимо постоянное присутст­вие воды в твердеющем материале. Однако нарастание прочности со временем замедляется. Поэтому качество цемента принято оценивать по прочности, набираемой им в первые 28 суток твердения.

Коррозия цементного камня. Портландцемент, будучи гидравличе­ским вяжущим, при нахождении в воде твердеет, набирая все большую прочность. Вместе с тем, если вода (а еще хуже — водные растворы солей и кислот) начинает фильтроваться (просачиваться) сквозь це­ментный камень, то начинается его разрушение. Этот процесс назы - . вается коррозией цементного камня. Коррозия протекает тем интен-

сивнее, чем выше капиллярная пористость цементного камня. Развитие коррозии приводит к разрушению цементных растворов и бетонов. В зависимости от действующих коррозионных агентов различают не­сколько видов коррозии.

Физическая коррозия (выщелачивание). Один из продуктов взаимо­действия с водой силикатов кальция (алита и в меньшей степени белита) гидроксид кальция Са(ОН)2, количество которого достигает 15 % от объема всех продуктов твердения. Это вещество заметно растворимое в воде (около 2 г/л). Поэтому при фильтрации пресной воды через цементный камень 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 C3S, а также добав­ляют к цементу активные минеральные (пуццолановые) добавки, свя­зывающие Са(ОН)2 в нерастворимые гидросиликаты (см. § 8.7). m 156

I Солевая и сульфатная коррозия. Еще сильнее разрушает цементный камень фильтрующаяся через него минерализованная (содержащая соли) кода. В этом случае внутри цементного камня происходят различные шимические реакции между растворенными в воде солями и продуктами ргвердения цемента.

І; ' Особенно опасна сульфатная коррозия, вызываемая водой, содер - г жащей сульфат-ион SO% (в частности, растворы CaS04). Строители ‘ столкнулись с разрушением от этого вида коррозии в начале XX в. Бетон на портландцементе в морских сооружениях часто растрески­вался, а в трещинах была видна белая, масса из крупных кристаллов (они за свой нрав получили название «дракончики» или «цементная бацилла»). Впоследствии было установлено, что причиной разрушения является образование в цементном камне сложного комплексного соединения: гидросулъфоалюмината кальция (эттрингит). Эттрингит образуется при взаимодействии гидроалюмината кальция, находяще - рГв&ЩБ-ц&ментнохг-камне-е-ноогун-ающцхнпе-ведой-иенами Са2+ и SQ2'4 по следующей схеме:

ЗСаО • А120з • 6Н20 + ЗСа2+ + 3S02:4 + 25Н20 =

= ЗСаО • AIA - 3CaS04 • 31Н20

Объем этгрингита за счет большого содержания химически связан­ной (кристаллизационной) воды в 2,5 раза превышает объем исходного гидроалюмината, что и вызывает разрушение затвердевшего цемент­ного камня. Необходимо отметить, что эта же реакция образования эттрингита, но проводимая целенаправленно, используется для полу­чения расширяющихся цементов ~ «дракончик» оказался ручным (см. §8.12).

Основные пути защиты цементных материалов от коррозии следу­ющие:

• правильный выбор типа цемента;____________________________________________

• снижение капиллярной пористости цементного камня, например, за счет уменьшения количества воды затворения (снижение В/Ц);

• надежная гидроизоляция, не допускающая фильтрации воды сквозь материал.

Технические характеристики портландцемента. К основным харак­теристикам портландцемента относятся истинная и насыпная плот­ность, тонкость помола, сроки схватывания, равномерность изменения объема при твердении и прочность затвердевшего цементного камня.

Плотность портландцемента в зависимости от вида и количества добавок составляет 2900...3200 кг/м3, насыпная плотность в рыхлом состоянии 1000...1100 кг/м3, в уплотненном — до 1700 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. ..3000 см2Д и у быстротвердеющего портландцемента 3500...5000 см2/г.

Сроки схватывания портландцемента, рассчитываемые от момента затворения, должны быть: начало — не ранее 45 мин; конец — не позднее 10 ч. Эти показатели определяют при температуре 20° С. Если цемент затворяют горячей водой (более 40° С), может произойти очень быстрое схватывание.

Прочность портландцемента характеризуется его маркой. Марку портландцемента определяют по пределу прочности при сжатии и изгибе образцов-балочек 40 х 40 х 160 мм, изготовленных из цемент­но-песчаного раствора (состава 1 : 3) стандартной консистенции и твердевших 28 сут (первые сутки в формах на влажном воздухе и 27 сут в воде при 20° С).

Промышленность выпускает портландцемент четырех марок: 400;

средней прочности образцов при сжатии выраженной в кгс/см2). Подробнее об определении марки портландцемента см. лабораторную работу № 7.

Тепловыделение при твердении. 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), то потери теплоты в окружающее пространство будут незначительны по сравнению с общим количеством выделяющейся теплоты и возможен разогрев бетона до температуры

70.. .80° С, что приведет к его растрескиванию.

Равномерность изменения объема. При твердении цементное тесто уменьшается в объеме. Усадка на воздухе составляет около 0,5... 1 мм/м. При твердении в воде цемент немного набухает (до 0,5 мм/м). Однако 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 (до пропа­ривания лепешки 24 ч твердеют на воздухе). Неравномерность изме­нения объема возникает из-за присутствия в цементе свободных СаО и MgO, находящихся в виде пережога (см. 8.6).