Материаловедение и технология конструкционных материалов для строительства* Конспект лекций (стр. 16 )

5.7. Многокомпонентные цементы с минеральными добавками  и шлаковые цементы

Активными минеральными (гидравлическими) добавками называют природные или искусственные вещества, которые при смешивании в тонкоизмельченном состоянии с воздушной известью и водой образуют медленнотвердеющие гидравлические вяжущие. Активные минеральные добавки могут быть природными и искусственными.

К природным (пуццолановым) относят некоторые осадочные горные породы (диатомит, трепел, опока), а также породы вулканического происхождения (пепел, туф, пемза). Пуццолановые добавки содержат кремнезем – диоксид кремния в аморфном, а следовательно, в химически активном состоянии и способны поэтому взаимодействовать в нормальных условиях с растворимым гидроксидом кальция, образуя практически нерастворимые гидросиликаты кальция (ГСК), что значительно повышает стойкость цементного камня в отношении выщелачивания Са(ОН)2: 

В качестве искусственных минеральных добавок используют побочные продукты и отходы промышленности: быстроохлажденные (гранулированные) доменные и электротермофосфорные шлаки, топливные золы (уноса). Весьма перспективной техногенной добавкой является отход производства ферросилиция – аморфный микрокремнезем (МК), обладающий очень высокой пуццоланической активностью. Кроме того, эффективность действия МК связана с его чрезвычайно высокой дисперсностью. При заполнении пространства между цементными частицами ультрадисперсными частицами МК образуются многочисленные коагуляционные контакты, являющиеся дополнительными центрами образования гидросиликатов кальция. Более прочные и устойчивые низкоосновные ГСК кольматируют поры, повышают однородность структуры цементного камня и улучшают его качественные показатели, достигающие высокого уровня, в том числе при использовании рядовых цементов средних марок и обычной технологии их применения.

Наиболее известными и широко применяемыми среди многокомпонентных цементов с минеральными добавками и шлаковых цементов являются пуццолановый портландцемент и шлакопортландцемент.

Пуццолановый портландцемент (ППЦ) изготавливают путем совместного помола клинкера, содержащего не более 8 % C3А, и пуццолановой добавки в количестве 20-40 % с необходимым количеством гипса. ППЦ относится к группе сульфатостойких цементов и выпускается марок М300 и М400. Этот цемент следует применять для бетонов, постоянно находящихся во влажных условиях (подводные и подземные части сооружений). На воздухе ППЦ дает большую усадку и теряет прочность. Бетон на ППЦ твердеет медленно и имеет низкую морозостойкость. Вследствие малого тепловыделения ППЦ часто применяется для внутренних частей массивных конструкций.

Шлакопортландцемент (ШПЦ) изготовляют так же как и ППЦ, но в качестве активной добавки используют доменные гранулированные (или электротермофосфорные) шлаки, содержание которых должно быть не менее 21 % и не более 80 % от массы цемента. Доменные шлаки – продукт сплавления веществ, находящихся в пустой породе руды и флюса (известняка). По химическому составу шлаки состоят из CaO, SiO2, Al2O3 и отчасти MgO. Суммарное содержание этих оксидов составляет 90 – 95 %. Грануляция шлаков заключается в быстром охлаждении шлакового расплава водой или паром. При этом расплав распадается на отдельные гранулы, приобретающие стекловидное и тонкозернистое химически активное состояние. Гранулированный шлак к самостоятельному твердению не способен; он взаимодействует с гидроксидом кальция, выделяющимся при гидратации клинкерных минералов, и  с добавкой гипса с образованием гидросиликатов, гидроалюминатов и гидросульфоалюминатов кальция. Этот цемент выпускают марок 300, 400 и 500. Он отличается замедленным твердением, особенно в ранние сроки. Процесс твердения ШПЦ значительно ускоряется при тепловлажностной обработке, поэтому его эффективно применять для сборных бетонных и железобетонных изделий.

Тонкомолотые цементы (ТМЦ) получают совместным тонким помолом портландцементного клинкера или готового портландцемента, активной минеральной добавки (зола-унос, пуццоланы, шлак и т. д.), гипсового камня (гипс). От ВНВ или ЦНВ тонкомолотые цементы отличаются отсутствием суперпластификатора. Механохимическая обработка (тонкий помол) при получении ТМЦ позволяет синергетически усилить полезные свойства компонентов комплексного вяжущего: активность клинкерной части увеличивается в 1,5-2 раза, а частицы  наполнителя играют роль упрочняющего компонента на микроуровне и являются структурообразующими центрами для новообразований цементного камня. Использование этих принципов позволяет  ТМЦ при содержании до 70 % минеральных добавок (ТМЦ-80, ТМЦ-50, ТМЦ-30) по качеству не уступать портландцементам марок 400-500, а иногда и превосходить их. При замене гипса в ТМЦ на химические регуляторы схватывания и твердения, а также с применением специальных добавок, понижающих точку замерзания воды в бетоне, получена широкая гамма вяжущих для ведения бетонных работ при отрицательных температурах.

Принципы технологии ТМЦ использованы при получении новых гипсовых, гипсоцементно-пуццолановых и пробужденных безклинкерных вяжущих, бетоны на которых характеризуются повышенными по сравнению с традиционными материалами прочностью и стойкостью при воздействии внешних факторов, а также значительно меньшей энергоемкостью. 

5.8. Цементы на основе клинкеров специального состава

Наиболее радикального изменения свойств цементов в нужную сторону добиваются путем получения клинкеров на основе другой, нежели у портландцемента, системы оксидов. К таким цементам в частности относятся такие важные вяжущие, как алюминатные (глиноземистый), расширяющиеся и напрягающий цементы.

Глиноземистый цемент (ГЦ) – быстротвердеющее и высокопрочное гидравлическое вяжущее, получаемое обжигом до спекания или плавления сырьевой смеси известняка или извести и бокситов, содержащих глинозем Al2O3, с последующим тонким помолом продукта обжига. В клинкере ГЦ преимущественно содержится однокальциевый алюминат СaO⋅Al2O3. Этот минерал очень быстро гидратируется, что определяет быстрое твердение цемента. ГЦ за сутки набирает 60-70 % марочной прочности, причем марки этого цемента, определяемые в возрасте 3-х суток, – М500 и М600. ГЦ отличается высокой химической стойкостью и жаростойкостью. Его недостатком является высокая чувствительность к повышенным температурам (свыше 25 °С) при твердении, в результате чего может произойти разрушение изделий. С учетом специфических свойств и высокой стоимости ГЦ применяется при аварийно-спасательных работах, особенно в холодных условиях (на Севере), а также для получения огнеупорных и химически стойких бетонов. Кроме того, глиноземистый цемент используется для получения расширяющихся цементов.

Расширяющиеся и напрягающие цементы обладают рядом ценных свойств: большой скоростью твердения, способностью расширяться при твердении, что позволяет избежать усадочных деформаций, растрескивания цементного камня и получить водонепроницаемые бетоны.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) является быстросхватывающимся и быстротвердеющим гидравлическим вяжущим. Он получается путем тщательного смешивания глиноземистого цемента  (70 %), гипса (20 %) и молотого специально изготовленного гидроалюмината кальция (10 %).

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент (ГГРЦ) – быстротвердеющее гидравлическое вяжущее, получаемое совместным тонким помолом глиноземистого клинкера или шлака (70 %) и природного двуводного гипса (30 %). ГГРЦ обладает свойством расширения при твердении в воде; при твердении на воздухе он проявляет безусадочные свойства.

Расширяющийся портландцемент (РПЦ) – гидравлическое вяжущее, получаемое совместным тонким помолом портландцементного клинкера (58 – 63 %), глиноземистого клинкера или шлака (5 – 7 %), гипса
(7 – 10 %) и доменного гранулированного шлака или другой активной минеральной добавки (23 – 28 %). РПЦ отличается быстрым твердением, высокой плотностью и водонепроницаемостью цементного камня при условии регулярного увлажнения в течение первых трех суток.

Напрягающий цемент (НЦ) отличается от РЦ большей химической энергией расширения, достаточной для самонапряжения арматуры. Этот цемент состоит из 65 – 75 % портландцемента, 13 – 20 % глиноземистого цемента и 6 – 10 % гипса. Затворенный водой НЦ сначала твердеет, затем после набора прочности около 15 МПа расширяется как твердое тело и напрягает стальную арматуру. Изделия на НЦ должны твердеть в стыках или швах конструктивных элементов зданий и сооружений либо при достаточном пространственном армировании конструкций. Эти цементы имеют марки НЦ-20, НЦ-40 и НЦ-60 (цифра в обозначении марки указывает энергию расширения в десятых долях МПа). Цемент марки НЦ-20 проявляет безусадочные свойства и применяется для изготовления бетонов с компенсированной усадкой. Цементы НЦ-40 и НЦ-60 обеспечивают получение водонепроницаемых бетонов и самонапряженных железобетонных изделий и конструкций: напорных труб, монолитных и сборных резервуаров для воды, плавательных бассейнов, подземных сооружений.

6. БЕТОНЫ

6.1. Общие сведения

Бетон – искусственный каменный материал, получаемый путем затвердевания рационально подобранной смеси минерального или органического вяжущего вещества, заполнителей, воды  и добавок. Это один из самых массовых строительных материалов, обладающий комплексом ценных свойств, способностью приобретать любые формы в зданиях и сооружениях, сравнительно низкой стоимостью.

Классификация бетонов. Бетоны классифицируют по средней плотности, виду вяжущего вещества и назначению.

По плотности различают особо тяжелые бетоны с плотностью более 2500 кг/м3; тяжелые – 1800...2500 кг/м3; легкие – 500...1800 кг/м3; особо легкие – менее 500 кг/м3. Особо тяжелые бетоны получают на основе заполнителя из железной руды, барита, чугунного скрапа, свинцовой дроби; тяжелые – на основе заполнителя из плотных горных пород: гранитов, диабаза, песчаника и др. В легких бетонах используют природный или искусственный пористые заполнители, в том числе пемзу, керамзит, аглопорит и др. Особо легкие бетоны (теплоизоляционные) отличаются тем, что своеобразным заполнителем в них являются воздушные или газовые поры-ячейки.