Анна Анатольевна Суворова, Татьяна Дмитриевна Пришлецова, Галина Николаевна Сычева, Рудольф Петрович Соболев учебное пособие

Вид материала

Учебное пособие

Содержание Глиноземистый цемент Коррозия глиноземистого цемента. Г Высокоглиноземистый цемент (ВГЦ). ВГЦ 4.3. Пуццолановые цементы Расширяющийся цемент Напрягающий цемент (НЦ) 4.5. Шлакопортландцемент (ШПЦ) Шлакопортландцемент (ШПЦ) Известково-шлаковые цементы

Подобный материал:

• Татьяна Николаевна Зырянова Ответственный за выпуск: Татьяна Николаевна Зырянова пояснительная, 139.7kb.
• А. Н. Суворова введение в современную философию учебное пособие, 1519.74kb.
• Перова Инесса Николаевна Теория и практика написания сочинения учебное пособие, 811.45kb.
• Об авторах балакай Анна Анатольевна, 115.51kb.
• А. Н. Суворова введение в современную философию учебное пособие, 1459.96kb.
• Яковлев Василий Иванович, Яковлева Галина Халимовна, Ярковский Сергей Игоревич. Отсутствовали:, 171.14kb.
• Просекина Анна Николаевна Руководитель проекта: Лаврентьев Сергей Леонидович диплом, 31.22kb.
• Казачкова Татьяна Николаевна Лауреат Iстепени Муратова Дана уэосз ЦК «Виктория»,, 149.58kb.
• Леушина Татьяна Викторовна кандидат экономических наук доцент фгбоу впо «Оренбургский, 351.98kb.
• Методическое пособие Музыкальный отдел Педагог дополнительного образования : Белякова, 487.48kb.

4.2. Глиноземистый и высокоглиноземистый цемент

Глиноземистый цемент – это быстротвердеющее в воде и на воздухе высокопрочное гидравлическое вяжущее вещество. Его получают путем обжига смеси глинозема, с повышенным содержанием Al₂O₃, с известняком, и последующего тонкого помола продуктов обжига.

Химический состав глиноземистых цементов колеблется в следующих пределах в % по массе: 26 – 40% СаО; 2 – 10% SiO₂; 40 – 70% Al₂O₃; 2 – 10% Fe₂O₃.

В глиноземистом цементе может присутствовать небольшое количество оксида магния, обычно в виде магнезиальной шпинели MgO·Al₂O₃. Присутствие шпинели в цементе ухудшает его качество, так как оксид алюминия связывается в неактивное соединение. Поэтому в известняках, предназначенных для производства глиноземистого цемента, содержание гидроксида магния не должно превышать 2%.

Минеральный состав глиноземистых цементов представлен преимущественно низкоосновными алюминатами кальция. Содержание их в цементе составляет в среднем 80 – 85%. Они придают цементу способность приобретать высокую прочность. Главная составляющая часть – однокальциевый алюминат CaO^.Al₂O₃. Наряду с однокальциевым алюминатом образуется в малых количествах пятикальциевый трехалюминат 5CaO^.3Al₂O_3, а также однокальциевый двухалюминат CaO^.2Al₂O₃ и двенадцатикальциевый семиалюминат 12CaO^.7Al₂O₃. Трехкальциевый алюминат 3CaO^.Al₂O₃, который имеется в портландцементе, в глиноземистом цементе не образуется, так как в сырьевой смеси содержится относительно мало оксида кальция. Наряду с алюминатами кальция при обжиге образуются в ограниченных количествах также силикаты, ферриты и алюмоферриты кальция (2СаО^.SiO₂, CaO^.Fe₂O₃, 2CaO^.Fe₂O_3, 4CaO^.Al₂O₃^.Fe₂O₃). Однако преобладающее значение, как по вяжущим свойствам, так и по количественному составу принадлежит однокальциевому алюминату СаО^.Al₂O₃.

Сырьем для глиноземистого цемента служат бокситы и известняки. Сырьевую смесь, состоящую из боксита и известняка, обжигают при температурах выше 1250^оС, а иногда при более низких температурах (1500⁰С).

При обжиге сырья протекают следующие процессы.

50-250^оС - удаление воды из бокситов;

800 – 900 ^оС - разложение карбонатов:

CaCO₃ = CaO+ CO₂;

800-900^оС - образование

CaO^.Al₂O₃ : CaO + Al₂O₃ = CaO^.Al₂O₃;

1000-1100^оС - образование

CaO^.2Al₂O₃: CaO^.Al₂O₃ + CaO = CaO^.2Al₂O₃ ;

900-1200^оС - образование

CaO^.Fe₂O₃ и 2CaO^.Fe₂O₃.


Гидратация и твердение глиноземистого цемента. При взаимодействии глиноземистого цемента с водой его твердение происходит, главным образом, в результате процессов гидратации однокальциевого алюмината. Этот процесс протекает следующим образом: сначала при гидратации СаО^.Al₂O₃ образуется в виде геля десятиводный кальциевый гидроалюминат:

CaO^.Al₂O₃ + 10 H₂O = CaO^.Al₂O₃^.10H₂O$

В этот период происходит схватывание, которое протекает с такой же скоростью, как и у портландцемента. Получающийся гель неустойчив, из него выделяются восьмиводный гидроалюминат, имеющий гексагональную кристаллическую решетку, и гидроксид алюминия:

2(CaO^.Al₂O₃^.10H₂O) → 2CaO^.Al₂O₃^. 8H₂O$ + 2Al(OH)₃ $ + 9H₂O

Поскольку эта реакция протекает быстро, прочность цементного камня нарастает с большой скоростью. Уже через сутки глиноземистый цемент имеет прочность, составляющую примерно 90% от марочной прочности, а через трое суток его твердение практически полностью заканчивается. Портландцемент после суточного твердения имеет в 3-5 раз меньшую прочность по сравнению с глиноземистым цементом.

Суммарный процесс затвердевания можно представить следующим образом:

2(CaO^.Al₂O₃) + 11H₂O = 2CaO^. Al₂O₃^.8H₂O + 2Al(OH)₃ $

Гидратация CaO^.2Al₂O₃ и 12CaO^.7Al₂O₃ протекает также как и СаО^.Al₂O_3, но при этом выделяется большое количество гидроксида алюминия.

Обязательным условием для гидратации глиноземистого цемента и сохранения его прочности является поддержание в период твердения положительной температуры, не превышающей 25⁰С. Иначе возможна потеря прочности до 50%. Чувствительность глиноземистого цемента к действию повышенных температур объясняется изменением характера продуктов гидратации. Десятиводный гидроалюминат кальция и восьмиводный гидроалюминат кальция при 30-35°С переходят в шестиводный трехкальциевый гидроалюминат 3CaO^.Al₂O₃^.6H₂O, выделяя 2Al(OH)₃:

CaO^.Al₂O₃^.10H₂O + 2CaO^.Al₂O₃^. 8H₂O = 3CaO^.Al₂O₃^.6H₂O + 2Al(OH)₃ $ + 9H₂O

Такая перекристаллизация гексагональных гидратов в кубический гидроалюминат 3CaO^.Al₂O₃^.6H₂O способствует уменьшению объема на 25-35%. При этом в твердеющем цементе возникают сильные внутренние напряжения. Они нарушают структуру материала, вызывают образование микро- и макротрещин, уменьшают прочность. Поэтому, глиноземистый цемент нельзя применять в условиях жаркого климата, а в случае изготовления массивных бетонных конструкций, их необходимо охлаждать.

Глиноземистый цемент при нормальной гидратации связывает большое количество воды, которое составляет 30-45% от веса цемента. В то же время портландцемент связывает всего лишь 15-20% воды при одинаковом водоцементном отношении и прочих равных условиях. Пористость цементного камня глиноземистого цемента почти в два раза меньше, чем у портландцемента. В отличие от портландцемента, глиноземистый цемент обладает значительно большей плотностью. Поскольку в ГЦ нет свободного гидроксида кальция и трехкальциевого алюмината, то этот цемент отличается значительной стойкостью в пресной воде и практически не подвержен сульфатной коррозии. Относительно большей стойкости глиноземистого цемента в указанных средах способствует также меньшая пористость отвердевшего глиноземистого цемента по сравнению с портландцементом. В отличие от портландцемента глиноземистый цемент не образует сильнощелочной среды.

Коррозия глиноземистого цемента. Глиноземистый цемент обладает высокой коррозионной стойкостью в минерализованных водах. Причиной этого является образование на кристаллах гидроалюминатов кальция защитной пленки из гидроксида алюминия Al(OH)₃, что не позволяет им вступать в реакцию с сульфатами. Глиноземистый цемент уступает портландцементу по стойкости при воздействии щелочей. Находящиеся в воде щелочные соединения (карбонаты, гидроксиды) вступают во взаимодействие с гидроксидом алюминия, образуя хорошо растворимые в воде щелочные алюминаты:

2Al(OH)₃ + K₂CO₃ = 2КAIO₂ + CO₂ + 3H₂O

Постепенно защитные пленки на кристаллах гидроалюминатов разрушаются, и цементный камень подвергается коррозии.

Присутствие щелочей изменяет и характер кристаллизации гидроалюминатов кальция в период твердения. Поэтому важно не только предохранять бетоны, изготовленные на основе ГЦ, от воздействия щелочных вод, но и избегать использования заполнителей, содержащих растворимые в воде щелочные соединения, которые взаимодействуют с продуктами твердения:

K₂CO₃ + 2CaO^.Al₂O₃^. 8H₂O =

2КAIO₂ + CaCO₃ + Са(OH)₂ + 7H₂O

По этой же причине глиноземистый цемент нельзя смешивать с портландцементом и известью, при гидратации которых образуется гидроксид кальция.

Глиноземистый цемент применяют при ремонтных работах, для тампонирования трещин, иногда при зимних работах. Он широко используется также в смеси с шамотом, хромовой рудой, магнезитом для изготовления жаростойкого и жароупорного бетона.

Бетоны на глиноземистом цементе характеризуются высокой водостойкостью, морозостойкостью и жаростойкостью. Однако глиноземистый цемент в 5-6 раз дороже портландцемента.

Высокоглиноземистый цемент (ВГЦ). ВГЦ получают при обжиге смеси глинозема и известняка при температуре 1500⁰С. Клинкер состоит из 72-75% Al₂O₃ и 22-25% CaO. По минералогическому составу ВГЦ содержит 85-90% CaO^.2Al₂O₃, небольшое количество моноалюмината CaO^.Al₂O₃ и геленита 2CaO^.Al₂O₃^.SiO₂.

Процесс гидратации ВГЦ протекает, в основном, как и в случае глиноземистого цемента. Однако параллельно также происходит гидратация геленита:

2CaO^.Al₂O₃^.SiO₂ + 8H₂O = 2CaO^.Al₂O₃^.SiO₂^.8H₂O

Цементный камень имеет огнеупорность до 1750⁰С. ВГЦ применяется для футеровки печей.


4.3. Пуццолановые цементы

В последнее время все большее значение приобретают неорганические вяжущие вещества, получаемые путем смешивания друг с другом различных вяжущих веществ и введением активных минеральных добавок (Таблица 3). К таким материалам относятся гипсоцементо-пуццолановые вяжущие вещества. Их изготовляют путем тонкого измельчения смеси, состоящей из 50 – 75% полуводного гипса, 15 – 25% портландцемента и 10 – 25% активной минеральной добавки.

Активными минеральными добавками называют тонкоизмельченные природные или искусственные материалы, вводимые в вяжущие вещества для улучшения их свойств. В таблице 3 представлены химический состав и активность некоторых минеральных добавок.


Таблица 3

Химический состав и активность некоторых минеральных добавок

Добавки	Содержание, %		Активность, мг, СаО
	SiO2	Al2O3
Природные вулканического происхождения: трасс пемза	75 67	11 15	120 53
Природные осадочного происхождения: трепел опока диатомит	83 82 77	8 7 8	371 343 272
Искусственные: сиштоф глинит	79 70	4 15	380 75
Золы от сжигания: бурый уголь сланцы	30-50 30-60	20-45 15-30	50-100 -

Активность добавки дана в виде количества СаО (мг), поглощенного 1 г добавки из водного раствора извести в течение 30 суток.

Пуццолановые цементы являются гидравлическими вяжущими веществами. Они обладают способностью к быстрому твердению.

Гипс вводят в пуццолановый цемент для регулирования скорости схватывания. Если гипс был бы смешан с одним только портландцементом и водой, то при твердении получился бы непрочный материал, разрушающийся через несколько месяцев. Такое поведение твердеющей смеси гипса с цементом объясняется образованием трехсульфатной формы гидросульфоалюмината кальция:

ЗСаО • А1₂0₃ + З(СаS0₄ · 2Н₂О) + 25Н₂0 = 3CaO^.Al₂O₃·3СаSО₄·31Н₂О$

Образование гидросульфоалюмината кальция происходит в среде, насыщенной гидроксидом кальция, который выделяется при гидролизе трехкальциевого силиката цемента. Гидросульфоалюминат кальция, кристаллизуется с 31 молекулами воды, что вызывает значительное увеличение объема и приводит к разрушению цементного камня. Поэтому портландцемент, смешанный с большим количеством гипса, не может служить вяжущим веществом. При уменьшении концентрации гидроксида кальция гидросульфоалюминат кальция разлагается с переходом трехсульфатной формы в односульфатную:

3CaO^.Al₂O₃·3СаSО₄·31Н₂О = 3CaO^.Al₂O₃·СаSО₄·12Н₂О$ + 2(СаSО₄·2Н₂О)$ + 15Н₂О

При этом формируется низкосульфатный гидросульфоалюминат кальция, содержащий сравнительно мало (12 молекул) воды. Образование этих соединений происходит практически без заметного увеличения объема. Понижение концентрации гидроксида кальция достигается введением в пуццолановый цемент активных минеральных добавок. Эти добавки содержат активный оксид кремния, который реагируя с со свободной известью твердеющего цемента, связывает ее в гидросиликаты кальция:

Ca(OН)₂ + SiO₂ + (n-1) H₂O = 2СаО· SiO₂·nН₂О$

Таким образом, при твердении смесей гипса и портландцемента с активной минеральной добавкой внутренние напряжения в цементном камне ослаблены. Гипсоцементно-пуццолановые вяжущие гидравлически твердеют без увеличения объема. При температуре +5°С твердение прекращается. Цементы отличаются повышенной стойкостью к коррозии в пресных водах и повышенной сульфатостойкостью. Они предназначены для изготовления подземных и подводных конструкций зданий и сооружений: тоннелей, фундаментов, подвалов зданий. Применение их в зонах попеременного замерзания – оттаивания и высыхания – увлажнения запрещается.

4.4 Специальные цементы гидротехнического

назначения.

Расширяющийся цемент. Любой расширяющийся цемент состоит из двух компонентов: основной цемент (матрица) и расширяющаяся добавка, которая увеличивается в объеме и уплотняет структуру в ранние сроки твердения. Такие добавки получают на основе СаО, МgО и сульфоалюминатов кальция. Специальный расширяющийся клинкер содержит четырехкальциевый сульфоалюминат 4CaO^.Al₂O₃·3СаSО₄, обеспечивающий увеличение объема при гидратации цемента. В основе процессов расширения лежит реакция образования тригидросульфоалюмината кальция (ТГСАК):

3СаО·Аl₂О₃·6Н₂О + 3(СаSО₄·2Н₂О) + 19 Н₂О = 3СаО·Аl₂О₃·3СаSО₄ · 31Н₂О

При этом происходит увеличение объема системы в 30 раз.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) – это быстросхватывающееся и быстротвердеющее вяжущее, получаемое в результате тщательного смешивания 70% ГЦ, 20% полуводного гипса СаSО₄·0,5Н₂О и 10% гидроалюмината кальция 3СаО·Аl₂О₃·6Н₂О. Два последних компонента являются расширяющими добавками, образующими гидросульфоалюминат кальция в первые сутки, когда цемент еще пластичен. Через сутки твердения образцы ВРЦ должны быть водонепроницаемы под давлением в 6 атм. Цемент применяют для сборных ж/б конструкций, гидроизоляции швов между тюбингами отдельных тоннелей, стволов шахт, гидроизоляции водонапорных труб и заделки трещин.

Напрягающий цемент (НЦ) – это быстросхватывающееся и быстротвердеющее вяжущее, получаемое путем тонкого измельчения смеси из 65 - 70% портландцемента, 16 - 20% высокоглиноземистого шлака и 14 – 16% гипса. Свойства НЦ улучшаются при пропаривании его в течение 5 – 6 часов. После 28-и суток твердения образцы должны быть водонепроницаемы под давлением 22 атм. НЦ используют при изготовлении тонкостенных изделий (резервуаров для воды), напорных железобетонных труб и др.


4.5. Шлакопортландцемент (ШПЦ)

Шлаки, как отходы производства, представляют собой силикатный и алюмосиликатный расплав. Они обладают собственной гидравлической активностью, т.е. способностью к взаимодействию с водой. Обычно применяют доменные шлаки. Они содержат не менее 38% SiO₂, 43% CaO, 2,5% P₂O₅ и делятся на основные и кислые. Гидравлическая активность основных шлаков выше, чем кислых. Шлаки, предназначенные для производства вяжущих материалов, подвергаются грануляции. Их гидравлическая активность шлаков определяется режимом их охлаждения при грануляции. При медленном охлаждении шлаков образуются хорошо оформленные кристаллы минералов, которые не реагируют с водой. При резком охлаждении они не успевают закристаллизоваться и застывают в виде стекла с несовершенной структурой с высокой гидравлической активностью. Способность к твердению проявляется у шлаков в гранулированном виде – в стекловидном состоянии под действием активизирующих добавок, к которым относятся щелочи, известь, сульфат кальция.


Существуют два способа грануляции шлаков:

1. Мокрая грануляция струей воды под давлением 1,5 – 7,5 атм. При этом пары воды разбивают частицы шлака (влажность 20 – 40%).
   
2. Полусухая грануляция, когда частицы шлака разбиваются струей воды (влажность 15 – 20%).
   

Шлакопортландцемент (ШПЦ) получают путем совместного помола 40-70% портландцемента, 30-60% гранулированного шлака и до 3,5% - гипса. ШПЦ хорошо твердеет при тепловлажностной обработке. Он обладает пониженной морозостойкостью и повышенной сульфатостойкостью. ШПЦ применяется в гидротехническом, шахтном и портовом строительстве. Его предпочитают использовать при изготовлении бетонов для массивных сооружений, а также при сооружении горячих цехов. Не рекомендуется применять ШПЦ в условиях переменного замерзания – оттаивания и при пониженных температурах.

Известково-шлаковые цементы получают при совместном помоле доменных шлаков с известью и портландцементом. Содержание извести составляет 10-30%, гипса - 5% и портландцемента - 10-20%. Они применяются в строительных растворах для кладки и штукатурки.