строительные матерьялы

–активность – процентное содержание активных, т.е. способных к гашению оксидов (CaO+ MgO);

–содержание непогасившихся зерен – недожога, пережога,

атакже продуктов обжига примесей глины, содержавшейся в сырье;

–время гашения.

В зависимости от активности и содержания непогасившихся зерен известь делят на сорта: первый, второй, третий.

В зависимости от времени гашения различают три вида извести: быстро- , средне-, медленногасящуюся. Чем меньше глинистых примесей в сырье и чем выше качество обжига, тем выше активность извести и быстрее проходит её гашение.

Известковое тесто применяется как компонент штукатурных и кладочных растворов, известковое молоко – для побелки и грунтовки. Молотая негашеная известь применяется в производстве силикатного кирпича и силикатных бетонов. Гидратная известь входит в состав большинства сухих строительных смесей.

М а г н е з и а л ь н ы е в я ж ущ и е Магнезиальные вяжущие – вяжущие вещества воздушно-

го твердения, активной частью которых является оксид магния. Разновидности магнезиальных вяжущих:

каустический магнезит MgO; каустический доломит MgO·СаСО3.

Сырьем для их производства служат горные породы магнезит и доломит, соответственно.

Сырье обжигают при температуре 750…850 оС, продукт обжига измельчают в тонкий порошок. В основе получения лежит реакция термической диссоциации карбоната магния.

MgСО3 = MgО + СО2 .

При обжиге доломита карбонат кальция не разлагается и остается в каустическом доломите в виде балласта.

Для затворения магнезиальных вяжущих используют вод-

41

ные растворы солей магния MgCl2 или MgSO4, так как при затворении водой оксид магния слабо проявляет вяжущие свойства.

Магнезиальные вяжущие при твердении дают камень высокой прочности. Через 28 суток твердения прочность при сжатии каустического магнезита достигает 30…50 МПа, а в жестких смесях – 100 МПа. Они обладают высокой адгезией к древесине. На этом основано применение в производстве фибролита и ксилолита – композиционных материалов с древесным заполнителем. Несмотря на высокие показатели качества и экологическую безопасность, применение магнезиальных вяжущих ограничено в связи с дефицитом солей для затворения.

П о р т л а н д ц е м е н т Цементами называют большую группу гидравлических вя-

жущих сложного химического состава. Известно более 45 видов цементов. Наиболее распространенным является портландцемент, который образно называют хлебом строительства.

Портландцемент – гидравлическое вяжущее, в составе которого преобладают силикаты кальция. Это продукт помола портландцементного клинкера с добавкой гипса (3…5 %). Клинкер – полуфабрикат производства цемента, который образуется в результате обжига до спекания сырьевой смеси.

Основным сырьем для производства портландцемента служат известняк и глина, взятые в соотношении 3:1. Такое соотношение обеспечивает полноту химического взаимодействия между сырьевыми компонентами.

Получение складывается из следующих стадий:

–добыча и транспортировка сырьевых материалов;

–дробление сырьевых материалов;

–приготовление сырьевой смеси;

–обжиг сырьевой смеси, т.е. получение клинкера;

–охлаждение клинкера;

–помол клинкера с добавкой гипса;

–магазинирование готового цемента.

42

Существует два способа получения портландцемента, которые различаются особенностями приготовления сырьевой смеси: мокрый и сухой.

Вмокром способе приготовление сырьевой смеси производят в водной среде. В присутствии воды облегчается помол и перемешивание сырьевых компонентов. В результате получается вязко-текучая однородная сырьевая смесь – шлам, содержащий 36…40 % воды.

Всухом способе производят помол и тесное перемешивание сухих материалов. Полученная сырьевая смесь представляет собой тонкодисперсный порошок – сырьевую муку.

Получить однородную сырьевую смесь сухим способом труднее, чем мокрым. Однако сухой способ позволяет сократить

в1,5 …2 раза затраты энергии при обжиге в сравнении с мокрым способом.

Обжиг сырьевой смеси производят во вращающихся печах,

вкоторых температура достигает 1450 оС. В процессе обжига протекают сложные физические и химические процессы, в ре-

зультате чего образуется зернистый материал – клинкер. Выходящий из печи клинкер имеет температуру 1000 оС, его резко охлаждают до 200 оС, а затем выдерживают на складе до полного остывания.

Чтобы получить портландцемент, клинкер смалывают в тонкодисперсный порошок совместно с добавкой гипсового

камня Ca SO4 2H2О. Эта добавка в количестве 3…5 % необходима для регулирования сроков схватывания цемента. После помола цемент магазинируют, т.е. выдерживают в силосах в течение двух недель. Такая выдержка обеспечивает стабилизацию свойств цемента.

Химический состав клинкера принято выражать про-

центным содержанием оксидов кальция, кремния, алюминия, железа. Их содержание в портландцементном клинкере: CaO – 63…66 %;SiO2 – 21…24 %; Al2O3 – 4…8 %; Fe2O3 – 2…4 %.

Эти оксиды находятся в не свободном, а в химически свя-

43

занном состоянии: в виде клинкерных минералов. Основными минералами клинкера являются алит, белит, трехкальциевый алюминат и четырехкальциевый алюмоферрит. Это не природ-

ные, а искусственные минералы, они образовались в процессе обжига сырьевой смеси. Клинкерные минералы способны к химическому взаимодействию с водой, благодаря чему происходит твердение цемента.

Их ориентировочное содержание в портландцементном клинкере:

алит 3CaO·SiO3 – 45…65 % белит 2CaO·SiO2 – 15…40 %

трехкальциевый алюминат 3СаО·Al2O3 – 5…15 % четырехкальциевый алюмоферрит 4CaO·Al2O3·Fe2O3 – 10…20 %.

Процентное соотношение этих минералов в клинкере определяет свойства цемента в целом. Располагая данными о минеральном составе клинкера и зная свойства клинкерных минералов, можно прогнозировать основные свойства цемента.

Алит 3CaO·SiO3 (C3S) – самый важный клинкерный минерал. Взаимодействуя с водой, быстро схватывается и твердеет, при этом выделяет большое количество тепла (120 кДж/кг). Высокую прочность набирает к 28 суткам твердения. Алит отвечает за марку портландцемента. Однако продукт твердения алита не стоек коррозии и разрушается даже пресной водой.

Белит 2CaO·SiO2 (C2S) – второй по значимости и содержанию силикатный минерал клинкера. Взаимодействуя с водой, схватывается и твердеет очень медленно, тепловыделение при твердении очень низкое (60 кДж/кг). Высокую прочность набирает к двум годам твердения, т.е. при благоприятных условиях (при положительной температуре и достаточной влажности) белит продолжает твердеть в работающей конструкции. Продукт твердения белита стоек коррозии. Белит отвечает за долговечность цементного камня в бетоне.

Трехкальциевый алюминат 3СаО·Al2O3 (C3A) – клинкер-

ный минерал, наиболее активно взаимодействующий с водой.

44

Схватывается и твердеет очень быстро; тепловыделение при твердении очень высокое (200 кДж/кг). Однако продукт его твердения имеет очень низкую прочность, которая со временем не растет, а падает. Он не стоек к коррозии в сульфатных водах. Трехкальциевый алюминат отвечает за схватывание и начальную прочность цемента.

Четырехкальциевый алюмоферрит 4CaO·Al2O3·Fe2O3

(C4AF) – по скорости твердения занимает промежуточное положение между алитом и белитом. Тепловыделение при твердении

–умеренное (100 кДж/кг). Не стоек к коррозии в сульфатных водах. Четырехкальциевый алюмоферрит свою главную роль играет при получении клинкера: он облегчает синтез главного клинкерного минерала – алита.

Клинкерные минералы являются основой клинкера. Кроме того, в нём содержится некоторое количество клинкерного стекла (5…15 %) и свободных оксидов CaO (не более 1 %) и MgO (не более 5 %).

Твердение портландцемента обусловлено сложными химическими и физико-химическими процессами, в результате которых образуются гидратные соединения, практически нерастворимые в воде.

Сразу после затворения цемента водой начинаются хими-

ческие реакции гидратации клинкерных минералов.

Алит быстро взаимодействует с водой с образованием гидросиликата и гидроксида кальция:

2(3CaOSiO2) + 6H2O = 3CaO·2SiO2·3H2O + 3Ca(OH)2.

Белит гидратируется медленнее алита и при его взаимодействии с водой выделяется меньше гидроксида кальция:

2(2CaOSiO2) + 4H2O = 3CaO·2SiO2·3H2O + Ca(OH)2.

Трехкальциевый алюминат взаимодействует с водой чрезвычайно быстро. При этом образуется гидроалюминат кальция

–продукт рыхлой структуры:

3CaO·Al2O3 + 6H2O = 3CaO·Al2O3 ·6H2O.

Гидратация трехкальциевого алюмината замедляется в

45

присутствии сульфата кальция. При этом образуется гидросульфоалюминат кальция – минерал эттрингит. Образование эттрингита на ранних стадиях твердения цемента способствует уплотнению и упрочнению цементного камня:

3CaO·Al2O3 + 3(CaSO4·2H2O) + 25H2O = 3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O.

Четырехкальциевый алюмоферрит при взаимодействии с водой расщепляется на гидроалюминат и гидроферрит кальция:

4CaO·Al2O3·Fe2O3 + mH2O = 3CaO·Al2O3·6H2O + CaO·Fe2O3·nH2O.

Химические реакции протекают параллельно с физическими процессами структурообразования: коллоидизацией, кристаллизацией. По мере протекания реакций прочность камня растет.

Поскольку цементные частицы окружены плотной оболочкой продуктов гидратации, проникновение воды вглубь частиц затруднено и для полной гидратации портландцемента требуется значительное время. Твердение портландцемента происходит медленно. Чтобы ускорить процесс твердения, следует ускорить реакции гидратации. Для этого пользуются следующими технологическими приемами:

–увеличивают тонкость помола цемента;

–повышают температуру твердения, сохраняя при этом влажность, близкую к 100 %;

–вводят добавки солей – катализаторов твердения.

Строительно-технические свойства портландцемента

регламентируются ГОСТ 10178-85 (см. приложение 5). Тонкость помола оценивают просеиванием пробы цемен-

та через контрольное сито № 008 с ячейками размером в свету 0,08 мм. Остаток на сите не должен превышать 15 %. Удельная поверхность цемента составляет 2500…3000 см2/г.

Нормальная густота цементного теста – количество воды, выраженное в процентах от массы цементного порошка, которое необходимо для получения теста заданной (нормированной) пластичности. Нормальную густоту цементного теста определяют с помощью прибора Вика по глубине погружения стандартного пестика в тесто. Для обычного портландцемента

46

нормальная густота лежит в пределах 24…28 %. Необходимое

количество воды определяется не из расчета полного химического взаимодействия вяжущего с водой, а из условия получения удобоформуемого теста. Вода, не вступившая в хими-

ческие реакции, формирует в цементном камне капиллярные поры. Они снижают прочность, морозостойкость, водонепроницаемость цементного камня. Нормальную густоту цементного теста можно уменьшить до 18…22 % за счет введения пластифицирующих добавок.

Сроки схватывания. Схватывание – необратимая потеря пластичности теста в результате гидратации. Различают начало и конец схватывания. Их определяют с помощью прибора Вика по глубине погружения стандартной иглы в тесто нормальной густоты. Начало схватывания портландцемента наступает через 45…120 минут после затворения, а конец – не позднее, чем через 10 часов после затворения.

Равномерность изменения объема. Причиной неравно-

мерного изменения объема при твердении цемента являются местные деформации, вызываемые расширением свободнных СаО и MgO вследствие их гидратации.

Активность и марка. Активность – способность цемента твердеть и давать прочный камень к заданному сроку твердения. Активность и марку определяют испытанием стандартных об- разцов-призм размером 40 40 160 мм. Их изготовляют из стандартной цементно-песчаной растворной смеси. До испытания образцы твердеют 28 суток в нормальных условиях при температуре 18…20 оС: первые сутки – в формах во влажном воздухе, а затем 27 суток – в воде. Образцы-призмы испытывают на изгиб, а получившиеся половинки – на сжатие. Активность – фактический предел прочности при сжатии половинок призматических образцов. В зависимости от активности цементу назначают марки: 400, 500, 550, 600. Марка – условный, округленный в меньшую сторону показатель прочности при сжатии. Предел прочности стандартных образцов при изгибе –

47

вспомогательный показатель, который учитывается при назначении марки.

Разновидности портландцемента Для получения разновидностей портланцемента с задан-

ными специальными свойствами используют следующие технологические приемы:

–регулирование минерального состава клинкера;

–регулирование тонкости помола цемента;

–введение в состав цемента органических и минеральных добавок.

Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) отличается от обычного портландцемента более интенсивным набором прочности в первые трое суток и повышенным тепловыделением при твердении. Это достигается высоким содержанием в клинкере минералов С3S + С3А и более тонким помолом цемента.

Сульфатостойкий портландцемент (СПЦ) отличается от обычного портландцемента более высокой стойкостью к сульфатной коррозии и пониженным тепловыделением при твердении. Это достигается высоким содержанием в клинкере С2S. При этом содержание С3S не более 50 %, С3А не более 5 %, С3А+C4AF не более 22 %.

Белый и цветные портландцементы – декоративные вя-

жущие. Белый цемент получают помолом белого портландцементного клинкера с добавкой гипса и белого диатомита. Сырьем для производства белого клинкера служат известняк и глина, не содержащие примесей железа и марганца. Цветные цементы получают помолом белого портландцементного клинкера с добавкой гипса и цветных щелочестойких пигментов.

Цементы с добавками поверхностно-активных веществ.

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) – органические добавки, вводятся в малых количествах 0,1…0,3 % от массы цемента. Они повышают пластичность цементного теста за счет снижения поверхностного натяжения воды и положительно влияют

48

ряд свойств цемента. Путем введения добавок ПАВ получают пластифицированный и гидрофобный цементы.

Пластифицированный портландцемент – продукт со-

вместного помола портландцементного клинкера, гипсового камня и гидрофильно-пластифицирующей добавки. В качестве такой добавки используют лигносульфонаты технические

(ЛСТ) – побочный продукт производства целлюлозы. Пластифицированный цемент имеет меньшую водопотребность в сравнении с обычным. Благодаря этому при твердении образуется более плотный цементный камень. В результате повышается прочность, морозостойкость, водонепроницаемость, коррозионная стойкость бетонов на пластифицированном цементе.

Гидрофобный портландцемент – продукт совместного помола портландцементного клинкера, гипсового камня и гидрофобизующей добавки. В качестве такой добавки используют отходы нефтеперерабатывающей промышленности – асидол и мылонафт. Молекулы этих веществ дифильны: они имеют полярную голову (атомную группировку –СООН или –СООNa) и неполярный хвост (углеводородный радикал). Адсорбируясь на поверхности цемента, молекулы ориентируются полярными головами к цементной частице. Неполярные хвосты ориентированы в окружающее пространство, что придает цементу гидрофобные, т.е. водоотталкивающие свойства.

Это позволяет избежать преждевременной гидратации и увеличить сроки хранения цемента без снижения активности. При интенсивном перемешивании в процессе приготовления цементного теста, бетонной или растворной смеси гидрофобизующие добавки ведут себя как пластификаторы. В затвердевшем цементном камне они вновь проявляют водоотталкивающие свойства. В результате уменьшается водопоглощение, повышается морозостойкость, водонепроницаемость, коррозионная стойкость бетонов на гидрофобном цементе.

Портландцементы с активными минеральными добав-

ками. Активные минеральные добавки (АМД) – вещества, ко-

49

торые в тонкоизмельченном виде при смешении с воздушной известью и затворении водой образуют тесто, способное к твердению. Эти добавки содержат активный аморфный кремнезем, который вступает в химические реакции с гидроксидом кальция, образуя труднорастворимые гидросиликаты кальция. По происхождению активные минеральные добавки делят на природные

иискусственные.

Вкачестве природных АМД используют горные породы вулканического (вулканические пеплы, туфы, пемза) или осадочного (диатомит, трепел, опока) происхождения.

Вкачестве искусственных АМД используют побочные продукты и отходы промышленности: гранулированные доменные и электротермофосфорные шлаки, топливные золы, нефелиновый шлам. Искусственные АМД, кроме активного кремнезема, содержат силикаты и алюминаты кальция. Например, нефелиновый шлам (побочный продукт выплавки алюминия) на 80% состоит из белита 2CaO·SiO2.

Цель введения активных минеральных добавок:

– снижение себестоимости цемента за счет экономии клинкера;

– придание цементу специальных свойств;

– решение экологических проблем за счет утилизации отходов.

Активные минеральные добавки вводят, как правило, при помоле клинкера вместе с гипсовым камнем. При этом получают следующие разновидности:

–портландцемент с активными минеральными до-

бавками (ПЦД) – содержит природные или искусственные минеральные добавки в количестве 5…20 %, по свойствам практически не отличается от портландцемента;

– шлакопортландцемент (ШПЦ) – содержит добавку гранулированного доменного шлака в количестве 21…80 %, обладает пониженным тепловыделением и большей коррозионной стойкостью в сравнении с портландцементом;

50