Расширяющийся портландцемент

Введение

Опыт применения расширяющихся цементов в строительстве подтвердил их высокие качества и вызвал увеличение спроса на высокопрочные расширяющиеся цементы в таких количествах, которые не могло удовлетворить производство расширяющихся цементов на основе глиноземистого цемента. Известно, что вы пуск его невелик, а стоимость сравнительно высока. В связи с этим встал вопрос о создании расширяющегося цемента на основе более дешевого и широко распространенного портландцемента. Указанный цемент по своим строительным качествам должен был по возможности максимально приближаться к гипсоглиноземистому расширяющемуся цементу.

Теоретической основой создания расширяющегося портландцемента послужили наблюдения над процессами образования гидросульфоалюмината кальция при гидратации глиноземистого и портландского цементов. Эти наблюдения показали, что в гидратирующемся портландцементе образуется гидросульфоалюминат в количествах, не обеспечивающих расширения или хотя бы безусадочности цемента при твердении. Повышение количества гипса, вводимого в портландцемент, не увеличивает количества гидросульфоалюмината кальция, образующегося в первый период твердения. Между тем, в цементе в это время еще содержится значительное количество алюминатов и алюмоферритов кальция, которые могли бы взаимодействовать с гипсом. Они и вступают в такую реакцию, но в отдаленные сроки твердения, когда цементный камень уже потерял эластичность. Такое запоздалое образование гидросульфоалюмината кальция может привести только к возникновению нежелательных внутренних напряжений и даже к разрушению затвердевшего цементного камня. Все это свидетельствует о том, что реакция образования гидросульфоалюмината кальция в портландцементе идет неполно, главным образом вследствие того, что количество вскрытых при помоле цемента алюминатов кальция невелико. Остальные алюминаты кальция находятся внутри клинкерных частиц и при гидратации цемента закрыты массами гелеобразных новообразований. Вследствие этого они практически не участвуют в реакции и не могут служить реальной базой для увеличения количества гидросульфоалюмината кальция, образующегося в первые сроки твердения. Как показали наши наблюдения, практически только 30-50% глинозема, содержащегося в портландцементе, расходуется на образование гидросульфоалюмината кальция в первый период твердения, когда это соединение образуется без ущерба для прочности твердеющего цементного камня.

Поскольку такого количества гидросульфоалюмината кальция недостаточно для того, чтобы обеспечить расширение цемента, то вводится недостающее количество алюминатон кальция в виде глиноземистого цемента, легко подвергающегося гидратации и способного практически полностью превратить все содержащиеся в нем алюминаты в гидросульфоалюминат кальция.

Для того чтобы ускорить растворение алюминатов кальция при образовании гидросульфоалюмината, ввели в состав нового цемента активную гидравлическую добавку. Она взаимодействует с известью, выделяющейся при гидролизе. С уменьшает концентрацию СаО в жидкой фазе и, таким образом, обеспечивает быстрое растворение алюминатов кальция и образование гидросульфоалюмината кальция путем кристаллизации из раствора. Естественно, что вследствие

 

гетерогенности системы «гидратирующийся цемент – вода» возможны местные повышения концентрации гидроокиси кальция выше 1,08 г/л, но это обстоятельство уже не будет доминирующим и определяющим основное направление реакций образования гидросульфоалюмината кальция в твердеющем цементном камне. Таким образом, расширяющийся портландцемент состоит из четырех компонентов: портландцемента, глиноземистого цемента, гипса и активной минеральной добавки.

Колебания в составе расширяющегося портландцемента определяются колебаниями в минералогическом составе исходного портландцемента Их следует уточнять в каждом конкретном случае, исходя из содержания алюминатов и алита в составе портландцементного клинкера.

Вторым вопросом было ускорение затвердевания цемента при пропаривании.

Общей технологической операцией, определяющей процесс производства разнообразных железобетонных изделий на раз личных заводах, является ускоренное твердевие отформованного изделия. В настоящее время почти все заводы железобетонных изделий для ускорения твердения применяют пропаривание. Повышение температуры твердения изделий до 80°С ускоряет реакции гидратации портландцемента, обусловливающие увеличение прочности примерно в 15-20 раз. Пропаривание железобетонных изделий на заводах длится в среднем от 10 до 24 час. Это вызвано тем, что реакции твердения портландцемен а (главным образом образования гидросиликатов кальция) даже при повышенной температуре протекают сравнительно медленно, что обусловливает малую оборачиваемость форм и повышенный расход пара. При этом следует учитывать, что пропарочные агрегаты требуют больших производственных площадей. Поэтому значительный практический интерес представляло Изыскание средств для дальнейшего ускорения реакций твердения обычного портландцемента или создание специального цемента, быстро затвердевающего при пропаривания.

Исследованиями было установлено, что образование гидросульфоалюмината кальция при взаимодействии алюминатов кальция с гипсом при температурах 60-80° протекает с большой скоростью, значительно превышая скорость образования гидросилвкатов кальция. Это дало основание предположить, что прочность цементов, твердение которых в значительной степени основано на образовании гидросульфоалюмината кальция (гипсоглиноземистый АГ-цемент, гипсошлаковые цементы), должна увеличиваться при пропаривании значительно быстрее, чем портландцементов. Действительно, проведенные в этом направлении исследования подтвердили, что, например, гипсоглиноземистый расширяющийся цемент твердеет под влиянием пропаривания гораздо быстрее, чем портландцемент. Проектная прочность бетона на гипсоглиноземвстом цементе достигается уже через 2-4 часа после начала пропаривания. Однако гипсоглиноземистый расширяющийся цемент сравнительно дорог, объемы его производства невелики. Все это затрудняет и даже делает невозможным его применение в таких широких масштабах, какие требуются для промышленности железобетонных изделий.

Исходя из этого, сочли необходимым создание расширяющегося цемента, обладающего, с одной стороны, свойством быстро увеличивать прочность при пропаривавии, а с другой – достаточно доступного и экономически выгодного.

Таким вяжущим мог бы оказаться расширяющийся портландцемент, в котором ускоренное нарастание прочности во время пропаривания происходит за счет

усиленного образования гидросульфоалюми вата кальция, а после пропаривания прочность увеличивается за счет обычных реакций, протекающих при твердении портландцемента.

Все описанные выше процессы, происходящие при твердении расширяющегося портландцемента при нормальной температуре, будут идти и при пропаривании изделия, но более быстро. Кроме того, взаимодействуя с Са(ОН)2 выделяющейся при гидратации ЗСаО•SiО2 гидравлическая добавка в процессе пропаривания должна образовывать дополнительные количества гидросиликатов кальция, повышающих прочность пропариваемого изделия.

В общем виде процесс твердения расширяющегося портландцемента при его пропаривании представляется как образование:

1) гидросульфоалюмината кальция  — в результате взаимодействия алюминатов портландского и глиноземистого цементов с гипсом;

2) гидросиликатов кальция —  за счет гидратации силикатов  клинкера и взаимодействия гидрата  окиси кальция с кремнекислотой добавки. При этом процесс образования гидросульфоалюмината кальция протекает значительно быстрее процесса образования гидросиликатов кальция и полностью заканчивается в течение З-4 час. пропаривания. Дальнейшие реакции гидратации РПЦ после окончания пропаривания идут примерно так же, как и реакции гидратации обычного цемента с гидравлическими добавками.[1; 2]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Характеристика выпускаемого продукта

Расширяющийся портландцемент – РПЦ – является гидравлическим вяжущим веществом, получаемым совместным тонким измельчением портландцементного клинкера, высокоглиноземистых шлаков, гипса и активной гидравлической добавки, взятых в установленных соотношениях.

Для улучшения процесса помола и качества расширяющегося цемента, а также для замедления сроков схватывания допускается введение добавок, номенклатура и предельное содержание которых утверждаются соответствующими ВТУ.

По внешнему виду расширяющейся портландцемент отличается от обычного портландцемента только более светлым цветом. Начало схватывания теста нормальной густоты должно наступать не ранее 30 мин., а конец – не позднее 12 час. от начала затворения. По соглашению между поставщиком и потребителем допускается выпуск цемента с иными сроками схватывания. Затвердевший цемент при испытании кипячением и в парах кипящей воды должен обнаруживать равномерность изменения объема.

В зависимости от прочности расширяющийся портландцемент делится на марки 400, 500 и 600. Марка цемента обозначает минимальный предел прочности при сжатии образцов жесткой консистенции состава 1:3 (по весу), испытанных через 28 суток после изготовления. Прочность на сжатие и растяжение у образцов кубов и восьмерок, стандартно изготовленных из раствора жесткой консистенции состава 1:3 по весу, при их испытаниях должна быть не ниже следующих величин:

 

Марка цемента	Предел прочности на сжатие в кГ/см2 через				Предел прочности на растяжение в кГ/см2 через
	1 сут.	3 сут.	7 сут.	28 сут.	1 сут.	3 сут.	7 сут.	28 сут.
400	100	190	280	400	12	16	19	23
500	150	260	380	500	15	20	23	27
600	200	300	450	600	18	22	27	32

 

Линейное расширение призм размером 40х40х160 мм, изготовленных из чистого цементного теста нормальной густоты, должно составлять:

1) при комбинированном вводно-воздушном  твердении через:

      1 сут. – не менее 0,15%

    28 сут. – 0,1%

2) при водном твердении через:

      1 сут. – не менее 0,15%

    28 сут. – 0,3 и не более 0,4%

 

Образцы из бетонной смеси с расходом цемента 400 кг/м3 при испытании по ГОСТ 4800-59 должны обнаруживать полную водонепроницаемость при рабочем давлении в 10 атм через 5 суток после изготовления. При пропаривании цемента указанную степень водонепроницаемости получают непосредственно после окончания пропаривания.

 

Правила приемки, упаковка, маркировка, паспортизация и методы испытания, а также транспортирование и хранение рас ширяющегося портландцемента должны полностью соответствовать ГОСТ 970-41.

Линейное расширение цемента определяют в соответствии с временной инструкцией по методам испытания гипсоглиноземистого расширяющегося цемента ГОСТ 11052-74.

Так как Sуд = 3500 см2/гр, то помол будет вестись по замкнутому циклу.[7; 8]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор сырьевых (исходных) материалов и их характеристика

Обычные цементы при схватывании и твердении дают усадку, что отрицательно проявляется при возведении бетонных сооружений и монтаже железобетонных конструкций. Именно поэтому были начаты работы по изготовлению безусадочных и расширяющихся цементов.

Ключевой характеристикой расширяющихся и безусадочных цементов можно считать наличие в их составе расширяющегося компонента, который при формировании цементного камня увеличивает его объем. Расширяющимся компонентом может быть строительный гипс, гидросульфоалюминаты кальция и высокоосновные гидроалюминаты кальция.

К примеру, при схватывании и твердении цементного теста из водонепроницаемого расширяющегося цемента происходит следующее: глиноземистый цемент взаимодействует с водой, что ведет к образованию однокальциевого гидроалюмината, который после превращается в двухкальциевый восьмиводный гидроалюминат с выделением гидрата окиси алюминия. Вместе с тем  полуводный гипс, вступая в контакт с водой, превращается в двуводный. Двуводный гипс взаимодействует с четырехкальциевым гидроалюминатом  и формирует гидросульфоалюминат кальция.

Высокоосновный гидроалюминат кальция производят посредством смешения под бегунами увлажненной смеси, в составе которой 25 вес. ч. глиноземистого цемента, 25 вес. ч. пушонки и 50 вес. ч. воды.

Расширяющиеся и безусадочные цементы достаточно часто используются в строительной сфере для зачеканки швов и гидроизолирующих покрытий, заделки и уплотнения стыков между железобетонными конструкциями и трещин в них. Помимо этого, напрягающий цемент актуально применять при химическом напряжении арматуры в железобетонных конструкциях.

Расширяющиеся цементы не рекомендуется использовать при отрицательных температурах и в конструкциях, эксплуатируемых выше 80º С.

Изготовление расширяющихся цементов основывается на подготовке материалов: их дроблении и помоле, дозировании и смешивании. Процессы дробления и помола отдельных компонентов вполне могут производиться раздельно с дальнейшей дозировкой и смешиванием их в смесителях различных систем. В другом случае смешивание компонентов, входящих в состав цемента,  протекает при совместном помоле их в шаровых мельницах. Выбор метода зависит от физической природы и свойств смешиваемых материалов.