ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ

Главная - ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ

Портландцемент — основное вяжущее, применяемое в современном строительстве для изготовления монолитных и сборных железобетонных конструкций.

Понятие о производстве портландцемента. Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое в результате тонкого измельчения клинкера с небольшой добавкой гипса. Клинкер пред-ствляет собой материал в виде окатанных зерен размером 3...20 мм, получаемый путем обжига до спекания (при температуре 1450 С) сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины. Добавку (З...6%) гипса вводят для регулирования сроков схватывания портландцемента.

Портландцемент — важнейший представитель строительных цементов. Строительные цементы — это собирательное название группы гидравлических вяжущих, главной составной частью которых являются силикаты и алюминаты кальция. Среди этих вяжущих выделяют цементы на основе портландцементного клинкера (портландцемент, шлакопортланд-цемент, пуццолановый портландцемент) и цементы на основе глиноземистого клинкера (глиноземистый, высокоглиноземистый и гипсоглино-земистый).

Изобретение портландцемента связывают с именами Д.Аспдина и Е.Г. Челиева. Каменщик из английского города Лидса Джозеф Аспдин получил в декабре 1824 г. патент на изготовление вяжущего вещества путем обжига смеси извести с глиной. За сходство по цвету с естественным камнем из каменоломен близ города Портленда он назвал это вяжущее портландцементом. Однако Аспдин не доводил смесь до спекания, что является основным условием получения портландцементного клинкера. В то же время начиная с 1817 г. в России военный техник Егор Герасимович Челиев изготовлял вяжущее путем обжига смеси извести с глиной, доводя их до спекания. Полученный цемент Е.Г. Челиев широко использовал как универсальное вяжущее при возведении разнообразных каменных строений в Москве, сильно пострадавшей от пожара 1812 г. Свои работы Е.Г. Челиев обобщил в книге "Полное наставление, как приготовлять дешевый и лучший мертель или цемент, весьма прочный для подводных строений, как-то: каналов, мостов, бассейнов, плотин, подвалов, погребов, и штукатурки каменных и деревянных строений", вышедшей в ноябре 1825 г. Описанный Е.Г. Челиевым способ изготовления вяжущего принципиально не отличается от технологии изготовления современного портландцемента.

СССР - крупнейший в мире производитель цемента. По абсолютному объему производства и выпуску цемента на душу населения наша страна значительно превосходит США и другие промышленно развитые

страны.

Сырьевыми материалами для изготовления портландцементного клинкера являются карбонатные и глинистые горные породы. Главное химическое соединение карбонатных пород (известняка, мела) — карбонат кальция СаСОэ. Глинистые породы (в основном глины) содержат различные алюмосиликаты типа А12Оэ • wSi02- иН20. Для получения клинкера исходные сырьевые материалы берут примерно в соотношении 3:1, т.е. на 1 мас.ч. глины должно приходиться 3 мас.ч. известняка. Известна горная порода — мергель, представляющая собой природную тесную смесь известняка и глины именно в таком соотношении. Там, где есть запасы мергеля, цементные заводы пользуются этим сырьем.

Производство портландцемента включает в себя следующие технологические операции: приготовление сырьевой смеси, обжиг этой смеси и получение клинкера, помол клинкера с добавкой гипса.

Приготовление сырьевой смеси заключается в получении однородной тонкоизмельченной смеси известняка и глины. Эту операцию осуществляют сухим или мокрым способом. При сухом способе подвергают совместному измельчению сухие материалы, из которых удаляют свободную влагу до остаточной влажности не более 1...2 %. Сухой способ особенно выгоден, если влажность сырья небольшая.

Мокрый способ производства клинкера применяют при значительной влажности материалов. Для этого мягкие, распускающиеся в воде сырьевые материалы — мел, глину измельчают и перемешивают в водной среде. Влажность получаемой суспензии настолько велика, что образуется текучая масса, называемая сырьевым шламом. Основной недостаток мокрого способа подготовки сырья состоит в том, что воду, содержащуюся в шламе, затем приходится удалять испарением (в цементной печи), а зто связано с излишними затратами топлива и энер-26

гии — в 1,5...2 раза больше, чем при сухом способе. Поэтому вновь строящиеся и проектируемые цементные заводы в нашей стране рассчитаны на изготовление цемента по сухому способу как более экономичному. Такая же тенденция наблюдается и во всех промышленно развитых странах мира.

Обжиг сырьевой смеси — наиболее энергоемкая и ответственная операция, в результате которой образуется клинкер. Обжиг проводят во вращающихся печах, которые представляют собой огромные цилиндрические барабаны диаметром до 5 м и длиной до 230 м. Угол наклона продольной оси барабана печи к горизонту 3...4°. Благодаря этому сырьевая смесь, загруженная в верхнюю часть печи, при медленном вращении барабана постепенно перемещается к нижнему, выходному концу. В печь загружают исходную сырьевую смесь, а выгружают из нее цементный клинкер. Образование клинкера сопровождается рядом сложных физических и химических процессов; основные из них представлены в табл. 4.

Таблица 4. Основные процессы при обжиге клинкера

Наименование зоны печи I Температура, °С

Преобладающий процесс

1. Зона сушки

100

2. Зона подогрева

200...700

3. Зона кальцинирова-

700... 1100

4. Зона экзотермичес-

1100...1250

ких реакций

1. Испарение из сырьевой смеси свободной (несвязанной) воды

2. Образование комьев, распадающихся на мелкие гранулы

1. Удаление химически связанной воды из глинистых минералов. Переход каолинита в каолинитовый ангидрид

2. Выгорание из сырья органических примесей

1. Термическая диссоциация карбонатов кальция и магния, образование СаО и MgO

2. Распад глинистых минералов на оксиды кремния, алюминия, железа; взаимодействие их с оксидом кальция (реакции проходят в твердом состоянии); образование алюминатов кальция, частично двухкальциевого силиката (минерал белит)

1. Образование белита

2. Выделение теплоты в результате экзотермических реакций

27

Продолжение табл. 4

Наименование зоны печи

5. Зона спекания

Температура, С

1300...1450...1300

6. Зона охлаждения

1300...1000

Преобладающий процесс

1. Частичное расплавление (спекание) шихты

2. Растворение в расплаве белита и оксида кальция, их взаимодействие с образованием минерала алита

3. Частичная кристаллизация при охлаждении расплава до1300°С

4. Слипание мелких гранул в более крупные

[.Формирование основной кристаллической структуры и состава клинкера

2. Образование стекловид-1 ной фазы

По выходе из вращающейся печи клинкер, состоящий из прочных камневидных окатанных гранул ("горошка"), интенсивно охлаждают воздухом с температуры 1000 до Ю0...200°С в холодильниках. После этого его выдерживают на складе 1...2 недели.

Помол клинкера с добавкой гипса — заключительная технологическая операция. В результате получают тонкозернистый порошок темно-серого или зеленовато-серого цвета, который и называют портландцементом.

Полученный в результате помола портландцемент хранят в больших железобетонных банках — силосах, вмещающих до 10 тыс. т цемента. Здесь он постепенно охлаждается, а остатки содержащегося в нем свободного оксида кальция, взаимодействуя с влагой воздуха, гасятся. Это значительно улучшает технологические свойства цемента. Из сило-сов цемент отгружают потребителям в вагонах-цементовозах, автоцементовозах, крытых железнодорожных вагонах. Часть цемента упаковывают в пяти- или шестислойные бумажные мешки.

Схватывание и твердение портландцемента. Вяжущие свойства портландцемента обусловлены особенностями химических соединений, входящих в состав клинкера. По химическому составу клинкер представлен следующими соединениями (табл. 5).

Таблица S. Химический состав портландцементного клинкера

Соединение

Оксид кальция

Химическая формула

СаО

Содержание в клинкере, % по массе

63...66

Продолжение табл. 5

Соединение Химическая формула Содержание в клинкере, % по масс

Диоксид крем-

ния Si02 21...24

Оксид алюминия А12Оэ 4...8

Оксид железа Fe203 2...4

Прочие MgO, S03, Na20, ТЮ2 3...5

При обжиге до спекания эти вещества, соединяясь в различных соотношениях, образуют силикаты и алюминаты кальция, которые входят в состав клинкера в виде минералов кристаллической структуры. Некоторая их часть образует стекловидную фазу.

К основным минералам клинкера относятся алит и белит (силикаты кальция), а также трехкальциевый алюминат и алюмоферрит кальция (алюминаты кальция). Каждый из них можно синтезировать отдельно, что дает возможность сопоставлять свойства минералов.

Алит — основной минерал клинкера. Его химическая формула ЗСаО • Si02, сокращенно C3S* Алита в клинкере содержится 45...60%, т.е. больше, чем любого другого минерала. Алит отличается быстротой твердения и большой прочностью.

Белит — второй по значению клинкерный минерал. Состав белита выражается формулой 2СаО • Si02, сокращенно C2S. Содержание его в клинкере 20...30%. Белит медленно твердеет, но при благоприятных условиях может в длительные сроки образовывать с водой весьма прочные соединения.

Названия искусственных минералов клинкера — алит и белит — образованы от греческого слова "литое" (камень) с прибавлением начальных букв латинского алфавита А и В. Суммарное содержание этих минералов — силикатов кальция составляет в клинкере портландцемента около 75 %. Поэтому его называют иногда силикатным цементом в отличие от алюминатных цементов, например глиноземистого, в клинкерной части которых преобладают не силикаты, а алюминаты кальция.

Трехкалъциевого алюмината ЗСаО • А1203 (С3А) содержится в клинкере 4..: 12%. Отличается чрезвычайно быстрым схватыванием и твердением, но дает небольшую прочность.

Четырехкальциевого алюмоферрита 4СаО-А1203 • Fe203 (C4AF) содержится в клинкере 10...20%. По скорости гидратации он уступает алиту, но превосходит белит, прочность же его незначительна.

Некоторые сравнительные характеристики клинкерных минералов приведены в табл. 6 (все минералы твердели с добавкой гипса)..

•Принято сокращенное написание формул химических соединений: СаО-С SiOa-S, А12Оэ-А, Fe203-F.

29

Таблица 6. Свойства клинкерных минералов

Минерал

C3S C2S С3А C4AF

Относительная прочность, %, при твердении в сроки*

1 сут

25 О

10 5

28 сут

100 20 25 10

2 года

160 190

20

23

Тепловыделение при гидратации за 28 сут, кДж/кг

486 168 876 377

*3а 100 % принята прочность алита через 28 сут твердения.

По этим характеристикам можно составить представление о том, как влияет количественное соотношение между минералами в клинкере на свойства цемента. Так, для получения быстротвердеющего цемента надо увеличить содержание в клинкере наиболее быстротвердеющих соединет ний, т.е. C3S и С3А. Такой цемент одновременно обладает и большим тепловыделением. Свойство быстрого твердения используют при производстве сборного железобетона на заводах, где важно сократить длительность технологического цикла. Бетон, изготовленный на цементе с высоким содержанием C3S и С3А, можно употреблять для работ в зимнее время: из-за большого тепловыделения цемента конструкция медленно остывает даже на морозе, и бетон набирает достаточно высокую

прочность.

При бетонировании массивных конструкций важно предотвратить излишний саморазогрев бетона, который может вызвать его растрескивание. В этом случае применяют цемент с низким тепловыделением, т.е. относительно малым содержанием C3S и С3А.

Для получения морозостойких бетонов ограничивают в клинкере содержание С3 А. Кроме того, нормируют минеральный состав клинкера, чтобы повышать стойкость цементов против химической коррозии. Помимо указанных основных соединений в клинкере присутствует свободный кристаллический оксид магния MgO (минерал периклаз), а также оксиды калия и натрия. Высокое содержание периклаза (более 5 %), особенно в виде крупных кристаллов, представляет большую опасность. При взаимодействии с водой MgO увеличивается в объеме. Если эта реакция происходит в затвердевшем цементном камне, то возникают большие внутренние напряжения, что приводит к растрескиванию бетона. Содержащиеся в клинкере щелочные оксиды К20 и Na20 опасны в том случае, когда в каменных заполнителях бетона (песке и гравии) есть опаловидный кремнезем Si02 • лН2 О. Этот аморфный минерал взаимодействует со щелочами уже при нормальной температуре, причем объем продуктов реакции увеличивается, что также может вызвать 30

растрескивание бетона. Для исключения этого ограничивают суммарное содержание К20 + Na20 в клинкере (не более 0,6 %).

Минералы цементного клинкера способны энергично взаимодействовать с водой, образуя гидратные соединения. Клинкерные минералы » растворяются в воде в большей или меньшей степени, а продукты гидратации цемента (так называемые новообразования или кристаллогидраты) в воде практически нерастворимы. В противном случае отвердевшие цемент или бетон не были бы водостойкими.

t Процесс твердения цемента в соответствии с теорией твердения вя-

жущих, разработанной академиком А.А. Байковым, условно разделяется на три периода: подготовительный, коллоидации и кристаллизации. В подготовительном периоде частицы цемента смачиваются водой и начинают растворяться с поверхности; со временем образуется насыщенный раствор. В этот период, длящийся 1 ...3 ч, цементное тесто пластично и легко поддается формованию.

В период коллоидации концентрациягидратныхновообразований в растворе возрастает. Гидратные новообразования обладают гораздо меньшей растворимостью в воде, чем исходные безводные соединения. Поэтому раствор, насыщенный по отношению к исходным соединениям, является пересыщенным по отношению к новообразованиям. Гидратные новообразования в виде мельчайших коллоидных частичек — субмикрокристаллов — выделяются из раствора, образуя цементный гель.

Возникновение геля в большом количестве приводит к загустеванию цементного теста, которое утрачивает пластичность. Момент загустевания (схватывания) цементного теста наступает через 5... 10 ч после затворе-ния цемента водой. Прочность загустевшего теста в этот период еще невелика.

Период кристаллизации характеризуется дальнейшей гидратацией цемента. Образующийся гель постепенно преобразуется в кристаллические сростки. Число и поверхность контактов в кристаллах новообразований увеличивается, что приводит к заметному росту прочности цементного камня. Твердение цемента и материалов на его основе — бетона, строительного раствора при благоприятных условиях может продолжаться несколько лет.

Новообразования, формирующие кристаллический сросток в цементном камне, возникают в результате химических реакций гидролиза и гидратации минералов цементного клинкера. Гидролиз характеризуется расщеплением исходных минералов, а при гидратации идет лишь присоединение воды к исходному минералу.

Алит C3S и белит C2S при взаимодействии с водой подвергаются гидролизу. В результате реакций возникает соединение ЗСаО • ,2Si02 X < ЗН20, в состав которого входит химически связанная вода. Важно Отметить, что это соединение (гидросиликат кальция), как и другие продукты гидратации цемента, представляет собой твердые вещества. Их называют кристаллогидратами.

Кроме гидросиликатов кальция при гидролизе алита и белита образуется гидроксид кальция Са(ОН)2 в значительных количествах. Это обстоятельство имеет большое значение для формирования многих свойств затвердевшего цемента, о чем будет сказано ниже.

В результате гидратации трехкальциевого алюмината С3 А возникает гидроалюминат кальция. Реакция протекает чрезвычайно быстро. Гидроалюминат кальция образует пространственную структуру, пронизывающую цементное тесто. Оно утрачивает пластичность, и схватывание цемента может происходить уже через 1...2 мин после затворения.

Чтобы замедлить схватывание цемента, вводят в его состав гипсовый камень CaS04 • 2Н20, который связывает алюминат кальция. Так продолжается до тех пор, пока не будет израсходован весь гипс. Лишь после этого начинается интенсивное взаимодействие ЗСаО • А1203 с водой (но уже без гипса), которое приводит к схватыванию цемента.

Последний из клинкерных минералов — четырехкальциевый алюмо-феррит C4AF гидролизуется, и образуются гидроалюминат и гидроферрит кальция.

Таким образом, в результате взаимодействия цемента с водой получаются новые соединения, в состав которых входит химически связанная вода: гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция, а также гидроксид кальция. Они и обусловливают формирование прочной структуры твердеющего цемента.

Ниже приведены наиболее важные выводы из рассмотренного процесса твердения портландцемента.

Все химические реакции взаимодействия клинкерных минералов с водой - экзотермические, т.е. сопровождаются выделением теплоты. Эк-зотермия цемента может рассматриваться и как положительное явление (например, при зимнем бетонировании), и как отрицательное (при бетонировании массивных конструкций или производстве работ в жаркую сухую погоду).

К одному из продуктов взаимодействия силикатных минералов (алита и белита) с водой относится гидроксид кальция. Это значит, что в результате твердения в цементном камне всегда возникает щелочная среда. Данное явление также имеет свои плюсы и минусы. В щелочной среде, как известно, не происходит коррозии железа. Поэтому бетоны на портландцементе (и его разновидностях) хорошо защищают стальную арматуру от коррозии. Это одно из основных условий высокой долговечности железобетона.

С другой стороны, Са(ОН)2 сравнительно легко подвергается коррозии в агрессивных средах и даже может вымываться водой. Поэтому для повышения стойкости бетона к коррозии приходится вводить в цемент особые добавки, связывающие Са(ОН)2 в более стойкие соединения. Таким путем получают, например, пуццолановый портландцемент.

Затворение цементного порошка водой - это необходимое условие образования прочного цементного камня, но избыточное количество воды не увеличивает, а уменьшает его прочность. Это вызвано тем, 32

что цемент способен химически связать не любое, а строго ограниченное количество воды — максимум 25...30% (считая от массы сухого цемента) . Химически связанная вода входит в состав твердой фазы — новообразований цементного камня. Эти новообразования и формируют (синтезируют) прочность цемента.

Вся остальная вода, содержащаяся в цементном тесте или камне, остается в жидком состоянии. Впоследствии, при высыхании бетона, вода испаряется, в результате чего в структуре цементного камня образуется система тончайших пор. Чем больше введено при затворении воды, тем большей окажется пористость и, следовательно, ниже прочность и стойкость цементного камня и бетона.

Свойства портландцемента. К важнейшим техническим характеристикам цемента относятся плотность, тонкость помола, водопотребность, сроки схватывания, прочность и химическая стойкость к коррозии. Истинная плотность р портландцемента колеблется в пределах 3,05...3,15 г/см3. В среднем принимаютр = 3,1 г/см3.

Насыпная плотность порошка рн зависит от степени уплотнения. Для рыхлонасыпанного цемента она составляет 1,1 г/см3, сильно уплотненного — 1,6 г/см3. В расчетах принимают среднее значение рн = 1,3 г/см3. Тонкость помола, т.е. степень дисперсности цемента, оказывает большое влияние на его свойства: скорость твердения, прочность. Тонкость помола портландцемента характеризуют его зерновым составом и удельной поверхностью. Зерновой состав определяют путем просеивания пробы цемента через сито с очень тонкими ячейками — 0,008 мм

1(80 мкм). Основная часть пробы (не менее 85 %) должна пройти сквозь такое сито. Это означает, что современный портландцемент отличается очень тонким помолом, т.е. размер его зерен в среднем составляет 20... 40 мкм. Удельная поверхность такого цемента 2500...3000 см2/г. Промышленность выпускает специальные цементы и более тонкого помола, например быстротвердеющий.

Водопотребность цемента отражает его способность адсорбировать на поверхности частиц определенное количество воды. Плотность зерен портландцемента 3,1 г/см , воды — 1 г/см3. Если затворить цемент излишним количеством воды, то лишь некоторая ее часть будет удерживаться адсорбционными и капиллярными силами. Под действием гравитации частицы цемента оседают, а вода вытесняется вверх. Наступает седиментация, т.е. расслоение теста, которое приводит к выделению излишней воды на поверхности бетонной смеси или раствора. Явление водоотделения крайне нежелательно, поскольку вода, скапливаясь на верхней поверхности конструкций, делает бетон рыхлым и пористым. Впоследствии бетон наиболее интенсивно разрушается именно в этих местах.

Водопотребность цемента характеризуют относительным количеством воды (в %) для получения цементного теста нормальной густоты. Тесто нормальной густоты обладает такой пластичностью, что цилиндрический стержень (пестик) стандартного прибора Вика при погружении

в тесто не доходит до дна прибора на 5...7 мм. Содержание воды в тесте нормальной густоты соответствует ее максимальному количеству, которое цемент может удержать с помощью химических и физико-химических (адсорбционных и капиллярных) сил. Поскольку в таком тесте еще нет водоотделения, цементное тесто нормальной густоты, скатываемое в шарик, не прилипает к ладони.

Водопотребность портландцемента 22...28 %.

Свойство водопотребности цемента имеет важное практическое значение при изготовлении бетонной смеси и раствора. Применяя цементы с низкой водопотребностью, можно изготовить бетонную смесь с относительно небольшим расходом воды. При отвердевании получают бетон с высокой прочностью и стойкостью, так как пористость его невелика. Напротив, цементы с высокой водопотребностью, в частности пуц-цолановый портландцемент, у которого она достигает 40%, отличаются высокой пористостью, и бетон на основе такого цемента оказывается

неморозостойким.

Сроки схватывания цемента характеризуют промежуток времени, в течение которого интенсивно изменяются пластические свойства цементного теста. Различают начало и конец схватывания. В строительной лаборатории сроки схватывания цемента определяют на приборе Вика по глубине погружения в цементное тесто стандартной стальной иглы диаметром 1,13 мм. Началом схватывания считается промежуток времени от затворения цемента водой до того момента, когда игла под действием силы тяжести уже не может полностью погрузиться в цементное тесто нормальной густоты (не доходит до дна прибора на 1...2 мм). Конец схватывания отсчитывают по времени, прошедшему от затворения до момента, когда игла Вика лишь слегка, на 1...2 мм, погружается в затвердевшее тесто или камень.

На стройке можно определить сроки схватывания цемента упрощенным способом. Для этого на цементном тесте делают каждые 5 мин легкие надрезы стальным ножом. Начало схватывания соответствует моменту, когда надрезы перестанут заплывать. Продолжая далее делать легкие, без нажима, надрезы с интервалом 15 мин, замечают, когда нож перестает оставлять след на поверхности цементного камня. Это и будет конец схватывания.

В соответствии с требованиями ГОСТ 10178—85 начало схватывания портландцемента должно наступать не ранее чем через 45 мин после затворения, конец схватывания — не позднее чем спустя 10 ч. Сроки схватывания портландцемента регулируют путем введения добавки гипса. На скорость схватывания цемента влияют температура и содержание воды в тесте. При повышении температуры сроки схватывания сокращаются. Поэтому при бетонных работах в сухую жаркую погоду употребляют цемент, начало схватывания которого наступает не раньше чем через 1,5 ч после затворения. Это позволяет в установленные проектом сроки укладывать бетонную смесь в пластичном состоянии и качественно проводить бетонные работы. Если смесь укладывать после 34

начала схватывания, то, утратив пластичность, она при укладке будет деформироваться с нарушением сплошности структуры. В результате в теле бетона образуются разрывы, трещины и другие дефекты механи-

|ческого происхождения, что отрицательно скажется на прочности и долговечности конструкции. Также важно обеспечить заданные сроки схватывания при транспортировании бетонных смесей автобетоновозами, передвижными бетоносмесителями, перекачивании бетононасосами. Преждевременное схватывание может привести к выходу оборудования из строя, и будет непроизводительно потрачено время на приведение установок в работоспособное состояние.

Сроки схватывания увеличиваются, если для затворения цемента взято больше воды. Объясняется это тем, что при избытке воды возрастает объем пространства в тесте, которое должно быть заполнено новообразованиями. Прочность цементного камня формируется в момент, когда кристаллогидраты образуют пространственную непрерывную структуру. Ясно, что для формирования такой структуры при большем объеме пространства требуется и большее время.

Однако при избытке воды в цементном тесте (или бетонной смеси) прочность затвердевшего камня (бетона) тем меньше, чем больше введено воды. Поэтому увеличивать количество воды в тесте или бетонной смеси ради удлинения сроков схватывания нерационально. Целесообразно применять для этого специальные добавки — замедлители схватывания.

В практике бетонных работ иногда наблюдается ложное схватывание цемента, т.е. загустевание цементного теста или бетонной смеси в сроки, гораздо более короткие, чем предусмотрено стандартом (раньше 45 мин). Это объясняется тем, что в состав такого цемента входит полуводный гипс, а не гипсовый камень. Полуводный гипс быстро взаимодействует с водой, образуя пространственную малопрочную структуру, что и приводит к потере пластичности цементного теста уже через 10...20 мин после затворения. При последующем перемешивании, особенно с небольшой добавкой воды, тесто восстанавливает пластичность и затвердевает, как обычно.

Чтобы не допустить ложного схватывания, помол и хранение цементов осуществляют при пониженной температуре. Во время бетонных работ в жаркое время года ограничивают предельную температуру цемента (не более 50 °С).

Прочность — основная характеристика цемента как материала для изготовления бетонных и железобетонных конструкций. Для ее оценки используют стандартную характеристику цемента — марку. Цемент всегда употребляют в сочетании с заполнителями. Чтобы определить марку Цемента, изготовляют смесь из цемента и стандартного кварцевого песка в соотношении 1:3 по массе. Затворяют эту смесь водой, которую ЬеРут в количестве 40 % от массы цемента. Таким образом, соотношение между водой и цементом составляет 0,4. Из смеси изготовляют приз-

магические образцы размерами 40X40X160 мм, ^g^^J^ почками (рис. 7,«). *^^™?2?%????^ во влажном воздухе, а в течение 27 сУТю^0аД^раз0вавШ„еся при этом Череэ 28 сутбалочки испытывают на изш^ станДартных прокладок половинки балочек - на сжатие с пи™ "*» (рис. 1,6, в).

Ф

В)

Рис. 7. Определение марки цемента:

а - внешний вид образцов, б - схема испытания на изгиб, в - на сжатие (размеры в мм)

Прочность портландцемента стандартных марок охарактеризована в табл. 7.

Таблица 7. Прочность портландцемента

Предел прочности через 28 сут, МПа

Марка

400 500 550 600

при сжатии

39,2 (400) 49,0 (500) 53,9 (550) 58,8 (600)

При определении марки учитывают одновременно оба показателя — пределы прочности при сжатии RaK и изгибе RK. Если один из них меньше указанного в табл. 7, то цемент относят к меньшей марке. Например, при испытании получены значения R^ = 51 МПа иЛи = 6,3 МПа. Следовательно, цемент будет марки 500 (а не 550).

Прочность цемента при соответствующих условиях внешней среды со временем возрастает (рис. 8). Нормальными условиями твердения цементных материалов (строительного раствора и бетона) считают температуру около 20°С и относительную влажность воздуха 95... 100%. При понижении температуры замедляются химические реакции взаимодействия цемента с водой. Это выражается в недоборе прочности (сравните кривые 1 и 2). Для ускорения твердения бетонные изделия обрабатывают насыщенным паром при температуре 60...90 °С. Пропаривание позволяет за 10...12 ч получать распалубочную прочность бетона, составляющую 70 % от проектной 28-суточной (кривая 3). Тепловую обработку изделий надо проводить в условиях, исключающих высушивание 36

SIT

W>

JO

20

10

____3

01

Рис. 8. Рост прочности цемента во времени: 1 — твердение при температуре 5 С, 2 — нормальное твердение при 20 С,3 — пропаривание 2виут пр^с

бетона, так как вода необходима для синтеза кристаллогидратов цементного камня.

Возрастание прочности с течением времени — важное свойство цемен-и материалов на его основе. Этим цементные материалы принципиально отличаются от других каменных материалов — природных (гранита, -звестняка и др.) и искусственных (керамики, стекла), у которых од-ажды сформированная прочность может со временем под воздействием азрушительных факторов среды только уменьшаться.

Цемент же при благоприятных условиях твердения продолжает гидра-роваться. В результате увеличивается объем кристаллического сростка идратных новообразований, а объем промежутков между ними, наоборот, сокращается. Таким образом, физическая причина увеличения прочности связана с уменьшением пористости цементного камня. Снижая пористость, можно существенно повысить его прочность. Так, методом горячего прессования при температуре 250°С идавлении 350 МПа в лабораториях получают цементный камень с очень низким водоцементным отношением — менее 0,1. Пористость такого камня всего 2...4 %, а прочность очень высокая: через 1 сут R^ = 412 МПа, через 90 сут — 655 МПа. Это более чем в 10 раз превосходит самую высокую прочность цемента (60 МПа) и бетона (60...80 МПа), получаемую при стандартных испытаниях. Следовательно, вяжущие свойства цемента используют далеко не полностью. Из-за развитой системы пор и капилляров цементный камень сравнительно легко проницаем для воды, агрессивных жидкостей и газов, которые могут вызвать его коррозию.

Химическая стойкость цементного камня характеризуется отношением его к коррозионным воздействиям, которые подразделяются на три основных вида.

Коррозия первого вида связана с разложением новообразований цементного камня, растворением и вымыванием (выщелачиванием) из него Са(ОН)г. Такая коррозия развивается наиболее интенсивно в мягких водах (дождевых, талых), содержащих небольшое количество солей. Под действием проникающих в бетон мягких вод растворяется наименее стойкое соединение Са(ОН)2. Вслед за этим разлагаются гидросиликаты и гидроалюминаты кальция. Наиболее эффективное средство борьбы с выщелачиванием — введение в состав Цемента добавок, связывающих Са(ОН)2 в более стойкие соединения. Такие добавки, называемые активными минеральными, будут рассмотрены в

Коррозия второго вида обусловлена взаимодействием Са (ОН) 2 и других составных частей цементного камня с агрессивными веществами внешней среды. В результате этого образуются легкорастворимые соединения, которые вымываются из цементного камня, тем самым ослабляя его. К этому виду относится, например, кислотная и магнезиальная коррозия.

Свободные кислоты встречаются в сточных водах промышленных предприятий. Кислотная среда может также возникнуть при конденсации на поверхности конструкций влаги, если в атмосфере содержатся агрессивные вещества — хлор, хлорид водорода, сернистый газ S02. Такая атмосфера характерна для современных промышленных центров. Попадающая в бетон кислота взаимодействует с Са(ОН)2. Образующийся при этом хлорид кальция легко растворяется в воде и вымывается.

Коррозия третьего вида характеризуется тем, что в результате взаимодействия со средой в порах цементного камня возникают новые твердофазные соединения, объем которых намного больше объема исходных продуктов реакции. Кристаллы этих соединений, увеличиваясь в объеме, давят на стенки пор, вызывая большие внутренние напряжения и растрескивание бетона.

Наиболее ярко коррозия третьего вида проявляется при действии на цементный камень сульфатных вод (сульфатная коррозия). Вероятность сульфатной коррозии учитывают при строительстве морских гидротехнических сооружений, возведении фундаментов в районах, где грунтовые воды содержат сульфаты натрия или кальция. В этих случаях применяют сульфатостойкий портландцемент.

23.10.2017
Реклама: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9