Цементы из специальных клинкеров. Цементы из специальных клинкеров

• Название: Цементы из специальных клинкеров
• Дата: 18.02.2020
• Размер: 77.46 Kb.
• Имя файла: Цементы из специальных клинкеров.docx
• Тип: Реферат; #108968
• страница: 2 из 3

Механизм расширения цементного камня.Все расширяющиеся цементы являются смешанными и состоят из основного вяжущего вещества и расширяющейся добавки, в которую, в свою очередь, могут входить несколько компонентов. При твердении таких цементов вследствие взаимодействия компонентов расширяющей добавки или в результате взаимодействия их с основным вяжущим происходит расширение, которое на определенной стадии заканчивается или приостанавливается в результате твердения основного вяжущего. При этом полученная расширенная структура стабилизируется.

Известны два основных механизма расширения цементного камня, т. е. увеличения его линейных и объемных размеров: расширение оксидное в результате гидратации MgO и СаО до Mg(OH)₂и Са(ОН)₂и расширение сульфоалюминатное вследствие образования гид-росульфоалюминатов кальция.

Непосредственной причиной оксидного расширения является разрыхление при гидратации кристаллической решетки исходной фазы и увеличение ее объема. Гидроксиды магния и кальция занимают в два раза больший объем, чем исходные оксиды. Получение цементов с оксидным расширением возможно путем низкотемпературного обжига исходных карбонатов кальция и магния. Синтезируют также специальные клинкеры, состоящие из C₂S, CaSO₄, C₄AF и свободной СаО, выполняющей функции расширяющего компонента.

Применение оксидного расширения особенно целесообразно в тех случаях, когда желательно получить идентичные результаты в различных температурных условиях. Так, на базе магнезиального расширения создана гамма расширяющихся тампонажных цементов с температурами применения от 20 до 200 °С, давлениями до 10 МПа и значениями расширения до 0,7 %. Однако практическое применение оксидного расширения в цементах ограничено вследствие значительных колебаний физико-химических свойств обожженных оксидов.

Основной причиной сульфатного расширения является образование эттрингита — гидросульфоалюмината кальция. Его объем в 2,2 раза больше объема исходных компонентов. Необходимо направлять процесс так, чтобы образование гидросульфоалюмината кальция и вызываемое им расширение происходили в начальный период твердения в достаточно пластичном тесте, когда они не могут сказаться отрицательно на качестве бетона и вызвать появление трещин. Регулирование характера кристаллизации эттрингита достигается изменением степени пересыщения водного раствора CaO, SO₄^2-, AI₂O₃в твердеющем камне путем регулирования соотношения компонентов цемента. Твердение основного компонента расширяющегося цемента, как правило, глиноземистого, стабилизирует через определенный период (1—2 сут) увеличение объема расширяющей добавки. Образуется плотный цементный камень. В результате сульфоалюминатного расширения можно достичь приращения линейных размеров цементного камня в пределах до 4—5 %.

Сульфоалюминатное расширение может быть обеспечено двумя путями. В отечественных расширяющихся цементах (водонепроницаемый, гипсоглиноземистый, напрягающий и др.) добавляют к традиционным вяжущим (глиноземистый цемент либо портландцемент) двухкомпонентную расширяющуюся добавку, включающую сульфат кальция и известь или высокоосновные алюминаты кальция. Последние получают варкой при 120— 150 °С глиноземистого цемента и извести-пушонки в соотношении 1:1.

За рубежом используют расширяющиеся цементы на основе портландцементного клинкера, содержащего наряду с C₃S, C₂S, C₄AF также расширяющий компонент 4CaO-3Al₂O₃-CaSO₄(C₄A₃). Желательно готовить расширяющую добавку в виде клинкера с повышенным содержанием C₄A₃и снижать содержание C₄A₃в готовом продукте за счет совместного помола этого клинкера с обычным портландцементным клинкером и гипсом. В таких клинкерах содержание C₄A₃достигает 8 при содержании C₄A₃в готовом продукте 3—4 %.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ). Это быстросхватывающееся и быстротвердеющее вяжущее вещество, получаемое в результате тщательного смешивания в определенной дозировке глиноземистого цемента и расширяющей добавки, состоящей из гипса и высокоосновного гидроалюмината кальция. Оптимальный состав его следующий (%): глиноземистый цемент 70, полуводный гипс 20, гидроалюминат кальция 10. Перемешивание компонентов осуществляется в шаровой мельнице в течение 20—30 мин. На сите № 02 остатка должно быть не более 12 %, а на сите № 008 — не более 25 %.

ВРЦ должен удовлетворять следующим основным требованиям: начало схватывания — не ранее чем через 4 мин, конец — не позднее чем через 10 мин от начала затворения. Через 1 сут твердения испытываемые образцы должны быть полностью водонепроницаемыми при давлении 0,6 МПа. Предел прочности при сжатии образцов из чистого цементного теста должен быть 7,5 МПа через 12 ч, 30 МПа через 3 сут, 50 МПа через 28 сут. Расширение образцов происходит в течение 1—3 сут, в основном в первые сутки, и составляет 0,05—1 %. Величину расширения регулируют соотношением компонентов. Недостатки ВРЦ: быстрое схватывание, высокая стоимость, пониженная морозостойкость изделий.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент применяют для омоноличивания сборных железобетонных конструкций, гидроизоляции швов между чугунными тюбингами туннелей и стволов шахт, гидроизоляции напорных водопроводных труб, заделки трещин в железобетонных сооружениях.

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент (ГГРЦ).Это быстротвердеющее в воде и на воздухе вяжущее вещество, получаемое в результате совместного тонкого помола высокоглиноземистого доменного шлака и природного двуводного гипса в соотношении примерно 0,7:0,3 по массе. При этом содержание SO₃не должно превышать 17 %. Такой состав создает условия для кристаллизации эттрингита в виде коротких и широких игл.

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент должен удовлетворять следующим основным требованиям: начало схватывания — не ранее чем через 10 мин, конец схватывания — не позднее чем через 4 ч после затворения. При просеивании через сито № 008 должно проходить не менее 90 % массы пробы. Предел прочности при сжатии через 3 сут образцов из раствора 1:3 должен быть не менее 30 МПа. Образцы из цементно-песчаного раствора через 3 сут после изготовления должны оставаться водонепроницаемыми при рабочем давлении 1,1 МПа. Необходимое условие расширения образцов из гипсоглиноземистого расширяющегося цемента — хранение их в воде. При твердении в воздушных условиях развиваются усадочные деформации. Расширение заканчивается через 1—3 сут твердения. Относительное значение линейного расширения 0,1—0,7 %.

Этот цемент применяют для получения безусадочных и расширяющихся водонепроницаемых бетонов и гидроизоляционных штукатурок, для заделки стыков сборных бетонных и железобетонных конструкций, зачеканки швов и раструбов водопроводных линий при рабочем давлении до 1,1 МПа.

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).Это быстросхватывающееся и быстротвердеющее вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельчения смеси, состоящей из 65—75 % портландцемента, 13— 20 % глиноземистого цемента и 6—10 % гипса. Содержание SO₃должно быть не менее 3,5 и не более 7 %.

НЦ отличается от РЦ большей химической энергией расширения, достаточной для самонапряжения арматуры. Затворенный водой НЦ сначала твердеет, затем после набора прочности около 15 МПа расширяется как твердое тело и напрягает стальную арматуру. В процессе расширения он сообщает арматуре, независимо от ее расположения в конструкции, предварительное натяжение, благодаря чему получают предварительно напряженные бетонные конструкции без применения механических или термических способов натяжения арматуры. Особенно важно, что при расширении камня напрягающего цемента арматура получает двух-, трехосное напряжение, которого трудно добиться при механических способах напряжения.

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.

Начало схватывания напрягающего цемента должно наступать не ранее чем через 30 мин, а конец — не позднее чем через 4 ч после затворения. Прочность при сжатии должна быть для НЦ-20 и НЦ-40 через 1 сут 15 МПа, через 28 сут 50 МПа. Относительное линейное расширение через 28 сут должно быть НЦ-20 не более 2 % и НЦ-40 не более 2,5 %. Для увеличения самонапряжения можно вводить до 2 % извести от массы цемента. Напрягающий цемент успешно применяют для изготовления напорных железобетонных труб, резервуаров для воды, оболочек покрытий, при строительстве спортивных сооружений (трибун, плавательных бассейнов и др.), для строительства дорог и аэродромов. Его применение обеспечивает водо-, бензо- и газонепроницаемость конструкций, повышает их трещиностойкость. Особенно эффективно применение НЦ в напряженных стыках элементов сооружений, а также для ремонта и усиления конструкций.

Сверхбыстротвердеющие цементы

Существенную экономию энергоресурсов дает получение без принципиального изменения технологии особо быстротвердеющих цементов, набирающих через 1 сут 60—70 % марочной прочности. Традиционный подход к получению быстро- и особобыстротвердеющих цементов заключается в использовании сырьевых материалов улучшенного качества, увеличении содержания алита в клинкере до 60-65 % и повышении тонкости помола цемента до 3500-4500 см²/г. Однако обжиг клинкера является при этом затруднительным, а получаемые цементы обладают значительной энергоемкостью и недостаточно высоким темпом твердения, не позволяющим распалубливать изделия в первые часы (4-6 ч) после изготовления. Наиболее перспективно в этом направлении модифицирование при низкотемпературном обжиге сульфо- и фторалюминатных фаз. Для этого в сырьевую смесь вводят сульфатные (фосфогипс, гипс) или фторидные соединения, снижают коэффициент насыщения, обжиг ведут при 1300 °С. В результате в клинкере сохраняются сульфоалюминатные фазы, получается модифицированный клинкер и быстротвердеющии цемент при существенном снижении расхода энергии.

В связи с этим представляют интерес вяжущие нового типа – сверхбыстротвердеющие цементы (СБТЦ), изготовляемые из клинкеров специального состава, которые характеризуются очень высоким темпом начального твердения и позволяют резко сократить или исключить ТВО из технологического цикла изготовления изделий. К ним относятся, в частности, фторсодержащие и сульфоалюминатные цементы, разработанные в СССР, США, Японии, ФРГ, ГДР и других странах.

Повышенной по сравнению с портландцементами скоростью твердения обладают хлорсодержащие (алинитовые) цементы, разработанные в НИИСтромпроекте (г.Ташкент), которые могут быть рассмотрены в одном ряду с перечисленными вяжущими. Достоинством фтор-, хлорсодержащих и сульфоалюминатных цементов является пониженная энергоемкость производства (на 30 % и более).

Сульфоалюминатные цементы.Среди композиций на основе сульфоалюминатных клинкеров, содержащих от 8 до 50 % четырехкальциевого сульфоалюмината C₄A₃и преднаэначенных преимущественно для безусадочных и расширяющихся бетонов, выделяется типичный СБТЦ-бесалит, разработанный НИИЦементом и получаемый совместным измельчением сульфоалюминатно-белитового клинкера и сульфата кальция до дисперсности 4000-5000 см /г. Клинкер синтезируется при температурах 1150-1250С и отличается легкой размалываемостью. По мнению специалистов НИИЦемента, для получения бесалита не требуется особого сырья, а в качестве глиноземистого компонента, который должен содержать20 % А1₂О₃могут быть использованы золы ряда ТЭС; это свидетельствует о наличии достаточно широкой сырьевой базы для данного вяжущего.

Важнейшими фазами бесалита являются сульфоалюминат кальция C₄A₃и белит. В качестве оптимального рекомендуется содержание 26-28 % C₄A₃, 55-60 % белита, а также 9-10 % Са SO₄. Интенсивная гидратация C₄A₃(степень гидратации 49-58 %, а в присутствии гипса - 33-42 % через 2 ч) и связывание свободной воды обеспечивают быстрое уплотнение структуры, короткие сроки схватывания и ускоренный рост прочности. Белитовая составляющая обусловливает длительное нарастание прочности и способствует релаксации напряжений при кристаллизации эттрингита; марочная прочность цемента в значительной степени определяется содержанием C₄A₃.

В соответствии с ТУ 21-20-42-80, разработанными НИИцемент, начало схватывания теста должно наступать не ранее 5 мин, а конец - не позднее 1 ч. Среди ряда известных вяжущих бесалит характеризуется весьма высоким темпом твердения (рисунок). НИИЦемент регламентирована прочность бесалита через 6 ч, составляющая 7, 10 и 15 МПа соответственно для марок 300,400 и 500; отдельные партии вяжущего могут соответствовать М 600.

По данным НИИЖБ подбор состава бетонов на бесалите осуществляется традиционным способом. Нормальная густота вяжущего является повышенной вследствие быстрого образования и значительного количества образующегося эттрингита и находится в пределах 29-37 %, за счет чего увеличение водопотребности смесей достигает 15-20 л/м . Сравнение сульфоалюминатного цемента с быстротвердеющим портландцементом, проведенное исследователями ГДР, отличий не выявило: В/Ц стандартного раствора оказалось даже пониженным до 0,45-0,48 в сравнении с 0,5 для портландцемента.

Определяющим при использовании бесалита являются короткие сроки схватывания. Быстрая потеря удобоукладываемости обусловливает необходимость строгого ограничения времени, в течение которого должна быть уложена и уплотнена смесь и которое при обычных температурах (порядка 20 С) не должно превышать 15 мин. Вследствие этого необходимо максимальное приближение формовочного поста к смесительному отделению, что достигается, например, при использовании смесителей непрерывного действия и формовании на вибропрокатных станах. Целесообразно также использование высокоскоростных смесителей, обеспечивающих лучшее разжижение смеси, а также применение подвижных смесей, требующих менее продолжительного перемешивания и вибрирования.



Рис.1. Кинетика твердения различных вяжущих в нормальных условиях (испытания по ГОСТ 310-76) 1 - бесалит, 2 - фторсодержащий СБТЦ, 3 - цемент с крентом, 4 - шлакощелочное вяжущее на метасиликате натрия, 5 - быстротвердеющий портландцемент

Для практики наиболее приемлемым является обеспечение требуемой при укладке подвижности и увеличении сохраняемости смесей за счет введения добавок.

Как наиболее эффективные, отмечены добавки-замедлители схватывания - введение, например, 0,2-0,3 % цитрата натрия, замедляет схватывание сульфоалюминатного цемента с 5-10 мин (начало) и 10-28 мин (конец) соответственно до 15-25 и 25-33 мин. Менее эффективными оказались суперпластификаторы (Melment, Viskoment, Penta и др.), введенные в количестве до 3 %. В СССР рекомендовано использование модифицированных лигносульфонатов (ЛСТМ), но более перспективными следует считать комплексные добавки пластификатора и регулятора структуры (полиоксиэтилен, производные целлюлозы), которые позволяют использовать смеси с высокой начальной подвижностью без опасности их расслоения.

Специалистами США рекомендуются также добавки, включающие лимонную кислоту (0,1-2 % массы цемента) в сочетании с крахмалом (0,25-4 %) и сахарозой (0,25-4 %). С учетом замедляющего действия добавок на твердение бетона главная задача при подборе его состава заключается в определении минимального количества добавки, позволяющего при заданной технологии обеспечить укладку, уплотнение смеси и отделку поверхности изделий.

Прочность бетонов на бесалите существенно зависит от условий твердения. По данным НИИЖБ, пропаривание при температуре 80 С даже по коротким режимам (3 ч) снижает прочность на 15-50 % и более по по сравнению с марочной прочностью, что связано с разрушением эттрингита при ТВО и последующим вторичным его образованием; рекомендуется прогрев при температурах не более 60 °С.

Оценку бесалита следует осуществлять с учетом данных ВНИИЖелезобетон о пониженном модуле упругости бетона естественного твердения на бесалите (на 30 %), большей ползучести (на 50 %) и меньшей усадки (на 60-70 %) по сравнению с равнопрочным пропаренным бетоном на портландцементе.

Исследованиями НИИЖБ выявлена пониженная водостойкость бесалита - скорость коррозии 1 вида, оцененная по растворению СаО цементного камня в дистиллированной воде, оказалась выше, чем у среднеалюминатного портландцемента; сульфатостойкость раствора состава 1:2,4 с В/Ц = 0,67 на бесалите была выше, чем на портландцементе. В целом долговечность бетонов на подобных вяжущих требует дополнительного изучения.

Область применения и технико-экономическая эффективность бесалита и бетонов на его основе.Опытно-промышленные партии бесалита, выпущенные на Подольском цементном заводе, отличались по свойствам, поэтому рекомендации по применению бетонов следует рассматривать как предварительные. Бесалит рекомендуется для производства без ТВО сборных железобетонных изделий, преимущественно с ненапрягаемой арматурой, в том числе внутренних и наружных стеновых панелей, блоков фундаментов, пустотного настила, поддонов санитарно-технических кабин. Хотя по темпу твердения предпочтение следует отдавать бетонам повышенной прочности, указания ВНИИЖелезобетон о применении бесалита в бетонах М 700-800 преждевременны, поскольку конструкции из них еще не получили распространения. Выбор номенклатуры должен осуществляться с учетом специфики поведения бесалита в мягких и сульфатных водах и учетом температурных условий эксплуатации в связи с возможным разрушением эттрингита при повышенных температурах.

Подтверждена возможность применения действующей технологии (агpeгатно-поточной и конвейерной) при изготовлении изделий на бесалите. Наилучшим образом к использованию подобных СБТЦ приспособлены вибропрокатные станы, обеспечивающие формование изделий за 10-20 мин с момента затворения смеси.

Перспективно применение подобных СБТЦ в изделиях из ячеистого бетона и арболита. В первом случае создаются условия для быстрой фиксации структуры смеси, благоприятствующей достижению пониженной плотности бетона и лучшему использованию газообразователя; во втором - благодаря быстрому твердению вяжущего уменьшается вредное влияние водорастворимых составляющих древесины на прочность арболита.

При бетонировании монолитных конструкций бесалит был с успехом применен для зачеканивания отверстий в перекрытиях жилых зданий с использованием сухих товарных смесей и приготовлением раствора на месте укладки. Наибольшего эффекта при его использовании следует ожидать по аналогии с другими СБТЦ при проведении экстренных ремонтных работ в покрытиях зданий, дорог, аэродромов и специальных сооружений, особенно при пониженных температурахг В условиях полигонного производства представляет интерес использование бесалита для изготовления изделий по гелиотехнологии, которое сделает ненужным уход за бетоном после распалубки.