Расширяющиеся цементы

Портландцемент и материалы на его основе при твердении на воздухе обнаруживают усадку. Так, тесто на портландцементе при В/Ц = 0,45 имеет усадку на воздухе около 2,5 мм/м, а раствор на том же цементе = 1 мм/м. Из-за этого при бетонировании протя­женных конструкций, например, покрытий полов, на них появля­ются трещины. В то же время в ряде случаев растрескивание бетона абсолютно недопустимо, например, для конструкций, работающих под давлением воды, таких, как трубы, резервуары и т. п. Для этих целей применяют специальные расширяющиеся и безусадочные це­менты (рис. 8.5).

Расширяющиеся цементы даже при твердении на воздухе имеют небольшое увеличение в объеме при твердении.

Безусадочные це­менты — это расширяющиеся цементы, у которых расширение только компенсирует усадку. Поэтому такие цементы как бы сами уплотняют себя, делая бетон водонепроницаемым. А в случае, если расширяющиеся цементы используются в железобетонных конструкциях, эффект расширения вяжущего может вызывать натяжение арматуры и, как следствие, сжатие самого бетона, что дополнительно защитит бетон от образования трещин (подробнее см. п. 13.1). Такие цементы называют напрягающими.

Эффект расширения вяжущего может быть достигнут различны­ми методами. Например, путем образования газовых пузырьков в твердеющем тесте вяжущего или с помощью реакции гашения до­бавляемого в цемент СаО при переходе в Са(ОН)₂ (см. п. 8.6). Эти методы применяют при решении различных задач. Например, ме­тод гашения СаО используют при добыче крупных каменных бло­ков с помощью так называемого «тихого взрыва».

Для строительных целей, в основном, используют цементы, в ко­торых расширение достигается с помощью образования эттринги­та — гидросульфоалюмината кальция ЗСаО • А1₂О₃ • 3CaSO₄ • 32Н₂О. Образование эттрингита возможно при взаимодействии алюмина­тов и сульфатов кальция в водной среде; оно было рассмотрено при описании сульфатной коррозии портландцементного камня (см. п. 8.8).

Как видно из формулы, в состав эттрингита входит большое ко­личество воды. Именно это обстоятельство обеспечивает эффект расширения: исходные твердые продукты, взаимодействуя друг с другом и гидратируясь (т. е. присоединяя воду), увеличиваются в объеме в 2...2,5 раза.

В твердеющем материале на расширяющемся цементе протека­ют два процесса — расширение, обусловленное процессом кристал­лизации эттрингита с увеличением объема новообразований и рос­том внутренних растягивающих напряжений, и препятствующий расширению процесс — рост прочности самого цементного камня.

Если образование эттрингита будет протекать раньше, чем у це­ментного камня появится хотя бы небольшая прочность, то эттрин-гит будет сжимать податливую гелеобразную массу и заметного рас­ширения не произойдет.

Если эттрингит будет образовываться в то время, когда цемент­ный камень набрал достаточно высокую прочность, то напряжения, обусловленные ростом кристаллов эттрингита в ограниченном объ­еме, могут вызвать падение прочности и даже разрушение цемент­ного камня, как это имеет место при сульфатной коррозии (см. п. 8.8).

Таким образом, главная задача при разработке составов расши­ряющихся и безусадочных вяжущих — правильный выбор не только количества образующегося эттрингита, но и момента его образования относительно процесса формирования структуры цементного кам­ня. Для различных видов расширяющихся цементов период наибо­лее интенсивного и безопасного расширения цементного камня со­ставляет от 12 ч до 3...7 сут в зависимости от свойств основного структурообразующего вяжущего.

Основными вяжущими в расширяющихся цементах могут быть:

• алюминатные цементы (глиноземистый и др.);

• силикатные цементы (портландцемент и др.);

• сама расширяющаяся система (эттрингит).

Ниже приведены главнейшие виды расширяющихся и безуса­дочных цементов.

На основе портландцемента получают:

• расширяющийся портландцемент (РПЦ), получаемый совмест­ным помолом клинкера портландцемента (60...65 %), высокоглино­земистых доменных шлаков (5..7 %), двуводного гипса (7...10 %) и активных минеральных добавок. Сроки схватывания и прочностные характеристики соответствуют портландцементу (марки 400, 500 и 600). Линейное расширение на воздухе через 28 сут — не менее 0,1%;

• напрягающий цемент (НЦ), разработанный В.В. Михайловым, получают совместным помолом клинкера портландцемента (65...75 %), двуводного гипса (6...10 %) и высокоглиноземистого компонента (13...20 %). Сроки схватывания: начало — не ранее 30 мин, конец — не позднее 4 ч. Прочность через 1 сут — не менее 15 МПа; через 28 сут — не менее 50 МПа.

В случае изготовления железобетонной конструкции на напря гающем цементе энергия расширения вяжущего частично идет на создание растягивающих напряжений в арматуре. Реакция арматуры вызывает в бетоне сжимающие напряжения. Таким образом, получаются самонапряженные железобетонные конструкции высокой плотности и трещиностойкости. Такой метод самонапряжения ис­пользуется при бетонировании емкостей для хранения газов и жид­костей, устройстве гидроизоляционных слоев. Например, при бето­нировании чаши стадиона в Лужниках, которая одновременно яв­ляется и полом, на котором находятся скамьи для зрителей, и крышей для помещений внизу, для обеспечения водонепроницае­мости использовалась смесь на основе напрягающего цемента. На основе алюминатных вяжущих производят:

• водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ), получаемый совместным помолом глиноземистого цемента (70 %), гипса (20 %) и высокоосновного гидроалюмината кальция (10 %). ВРЦ — быстросхватывающееся (минуты) и быстротвердеющее вяжущее (В^_ж че­рез 6 ч — не менее 7,5 МПа; через 3 сут — не ниже 30 МПа). Расширение на воздухе через 1 сут — не менее 0,05 %, через 28 сут — не менее 0,02 %.

• гипсоглиноземистый цемент (разработан И. В. Кравченко) по­лучают совместным помолом высокоглиноземистых шлаков (70 %) и двуводного гипса (30 %). Этот цемент схватывается в течение 2...4 ч и быстро твердеет; к_сж через 3 сут — 40...50 МПа. Расширение через 28 сут при твердении на воздухе — не менее 0,1 %.

В последнее время в роли безусадочных и расширяющихся вя­жущих стали использовать гипсоалюминатные системы, основным и часто единственным продуктом твердения которых является эт-трингит. Бетоны и растворы на таких вяжущих быстро твердеют, достигая прочности 30...50 МПа через 1...3 сут в воздушно-сухих ус­ловиях. Прототипом таких смесей является гипсоглиноземистый цемент И.В. Кравченко.

Для обеспечения образования эттрингита в смесях с без­усадочными и расширяющимися цементами должна присутст­вовать вода в продолжение всего времени твердения. Эттрингит при нагреве выше 80... 100 °С начинает отдавать кристалли­зационную воду, что сопровождается снижением прочности. Эти обстоятельства необходимо учитывать при использовании расширяющихся цементов.

Перспективная область применения бетонов и растворов на рас­ширяющихся и безусадочных вяжущих — бесшовные тонкослойные стяжки или лицевые покрытия полов большой площади, получае­мые из сухих смесей (см. п. 11.9). С помощью полимерных модифи­каторов таким смесям придают свойство самовыравнивания, а эф­фект безусадочное™ гарантирует трещиностойкость. Быстрое твер дение и защитные полимерные добавки обеспечивают необходимое количество воды для протекания полной гидратации без какого-ли­бо специального ухода.