Глава 7. Неорганічні в'яжучі матеріали, будівельні розчини та бетони

цементом і активною мінеральною добавкою (трепел, опока, зола ТЕС). ГЦПВ виготовляють марок М100 і М150, вони характеризуються швид- ким тужавленням і твердінням, підвищеною водостійкістю та сульфато- стійкістю і належать до гідравлічних в’яжучих. ГЦПВ використовують для виготовлення панелей та блоків зовнішніх і внутрішніх стін, пере- городок та об’ємних кабін санвузлів, вентиляційних блоків, основ для влаштування підлог, а також для мурувальних і оздоблювальних буді- вельних розчинів.

Вироби на основні гіпсових в’яжучих речовин характеризуються високи- ми тепло- та звукоізоляційними властивостями, є неспалимими, корозій- но- та біостійкими, завдяки пористості здатні змінювати відносну воло- гість повітря в середині приміщень і створювати сприятливий мікро- клімат.

Технології виготовлення гіпсових виробів відрізняються достатньою простотою, низькою енергоємністю, різноманітністю способів форму- вання, швидкістю твердіння, можливістю вдосконалення якості поверхні виробів та утворення будь-якої текстури, а також регулювання їх експлуа- таційних характеристик (пористості, міцності, водостійкості). Крім того, гіпсові вироби є зручними при монтажі завдяки легкості розрізання, ви- свердлювання, фарбування тощо.

Вироби на основі гіпсових в’яжучих можуть бути виготовлені з гіпсо- вого тіста, розчинової та бетонної сумішей. Як мінеральні заповнювачі застосовують щебінь із пористих гірських порід, паливні і металургійні шлаки, а як органічні заповнювачі — деревну тирсу, січку соломи, очере- ту, кострицю льону, подрібнену паперову макулатуру, тобто речовини, з якими гіпсовий камінь зчеплюється краще, ніж із заповнювачами зі щіль- них гірських порід.

З урахуванням можливості застосування поряд зі звичайними також змішаних (наприклад, ГЦПВ) гіпсових в’яжучих речовин, отримані виро- би за призначенням поділяють на конструкційні (стінові камені, плити і панелі для перегородок, перекриттів), облицювальні (гіпсокартонні листи — суха штукатурка»), теплоізоляційні вироби (цегла, плити, сегменти для ізоляції трубопроводів); акустичні вироби (плити, армовані скловолокном із наскрізною перфорацією); архітектурно-декоративні деталі (колони, капітелі, карнизи, балясини, ніші, арки, фризи).

Повітряне будівельне вапно — продукт випалювання не до спікання при температурі Ю00...1200°С кальцієво-магнієвих гірських порід (вапня- ку, крейди, вапняку-черепашника, доломітизованого вапняку), що міс- тять не більше 6% глинистих домішок.

209

Повітряне вапно може бути негашене грудкове СаО (вапно-кипілка) — продукт випалювання переважно вапняку; негашене мелене — продукт помелу грудкового вапна; гідратне (гашене) вапно Са(ОН)₂- тонкий пух- кий порошок, який утворюється при змішуванні грудкового вапна з во- дою з інтенсивним виділенням теплоти та пароутворенням. При збіль- шенні кількості води утворюється вапняне тісто і вапняне молоко.

Гашене вапно, змішане з кварцовим піском та іншими дрібними запов- нювачами, використовують для отримання будівельних розчинів, що зда- тні повільно тверднути. Твердіння ванна пов’язане з процесами кристалі- зації Са(ОН), і наступної карбонізації з утворенням СаСО, (карбонатне твердіння). У разі використання автоклавної обробки (при умові дода- вання силікатного компонента (кварцового піску) до вапняних розчинів) можлива реалізація ще одного виду твердіння — гідросилікатного, який спостерігається при отриманні силікатної цегли та силікатних бетонів. Реакція між кварцовим заповнювачем і Са(ОН)₂ за нормальних умов практично не відбувається.

Повітряне вапно використовують для отримання мурувальних розчи- нів, а також для виготовлення штучних бетонних виробів, силікатної цег- ли й інших вапняно-піщаних виробів автоклавного твердіння, змішаних гідравлічних в’яжучих речовин (вапняно-шлакових, вапняно-зольних, вапняно-пуцоланових цементів) та мінеральних фарб.

Вапняно-шлакові цементи випускають марок М50, МІ00, М І50, М200, М250. Для цих цементів характерне інтенсивне твердіння при підвищених температурах, низька морозостійкість, але висока стійкість в агресивних водах і мала екзотермія.

Вапняно-зольні цементи отримують спільним помелом або змішуван- ням окремо мелених золи та вапна. Кількість вапна в цих цементах стано- вить 10...40%. Марки вапняно-зольних в’яжучих: М50, М100, М150 та М200. Автоклавна обробка дає змогу отримати на основі таких в’яжучих бетони міцністю 15...25 МПа.

Основною галуззю використання вапняно-зольних цементів є муруваль- ні та штукатурні розчини, а також вироби автоклавного твердіння.

Вироби та матеріали на основі вапняних та вапномістких в’яжучих (си- лікатні) представлені цеглою силікатною (одинарна, потовщена, кольо- рова), каменями та ніздрюватими виробами (газо- та піносилікат).

Магнезіальні в’яжучі поділяють на каустичний магнезит і каустичний доломіт. Це дисперсні порошки, що складаються з оксиду магнію та за- мішуються не водою, а водними розчинами солей сульфату або хлориду магнію. Магнезіальні цементи, відомі як цементи Сореля, забезпечують

210

високу вогнестійкість, низьку теплопровідність, підвищену міцність (до 100 МПа) та зносостійкість утвореного штучного каменю.

Магнезіальні в’яжучі речовини характеризуються високою адгезією не тільки до мінеральних, але й органічних заповнювачів. Оскільки каустич- ний магнезит і каустичний доломіт — це повітряні в’яжучі, то у воді та на вологому повітрі їх міцність значно зменшується.

Матеріали та вироби па основі магнезіальних в’яжучих виготовляють змішуванням та формуванням суміші каустичного магнезиту чи доломіту, заповнювача та розчину хлориду чи сульфату магнію. Як органічні запов- нювачі використовують відходи переробки деревини: стружку, тирсу чи деревну вовну. Завдяки невеликій густині органічних заповнювачів, ма- теріали та вироби на основі магнезіальних в’яжучих мають високі тепло- та звукоізоляційні властивості. Найпоширенішими матеріалами цієї гру- пи є фіброліт і ксилоліт, які використовують для отримання конструкцій- них, теплоізоляційних та акустичних виробів.

Рідинне (розчинне) скло — це технічний продукт, що складається із си- лікатів лужних металів, і його склад може бути представлений формулою R₂О • mS\0₂, де R — натрій або калій, т — модуль розчинного скла, тобто число молекул Si0₂, що припадає на одну молекулу оксидів лужних мета- лів. Для натрієвого скла модуль становить 2,6...3,5, для калієвого — 3...4.

За фізичним станом розчинне скло поділяють на силікат-брилу, що складається з твердих кусків різних розмірів, і водний розчин силікат- брили — рідинне скло.

Рідинне скло — це колоїдний водний розчин силікату натрію чи силі- кату калію, який має густину 1,3... 1,5 г/см³. Для виробництва рідинного скла як кремнеземисту сировину застосовують кварцові піски, природні та штучні аморфізовані речовини, як лужний компонент — соду, поташ, сульфат натрію, гідроксиди натрію та калію.

Рідинне скло використовують як самостійну в’яжучу речовину, а та- кож як складову частину багатокомпонентих цементів. Цементи на основі водорозчинних силікатів лужних металів, у тому числі шлаколужні, лужні алюмосилікатні зв’язуючі речовини та композиції, що містять як отверд- жувач кремнефторидні сполуки, застосовують для виготовлення компо- зиційних матеріалів і покриттів загальнобудівельного та спеціального призначення.

Гідравлічні в’яжучі матеріали. Гідравлічне вапно отримують випалюван- ням при температурі 900...1150°С вапняків, що містять від 6 до 20% гли- нистих або високодисперсних кремнеземистих домішок. Під час випалю- вання утворюються не лише вільні оксиди СаО та MgO, а й їх сполуки з

211

кремнеземом та дегідратованою глиною, які надають вапну гідравлічних властивостей.

Гідравлічне вапно використовують для приготування будівельних роз- чинів підвищеної водостійкості, мурувальних та штукатурних розчинів, для виробництва вапняно-пуцоланових цементів, легких бетонів, для ста- білізації ґрунтів при будівництві доріг із малою інтенсивністю руху. Ця речовина входить до складу сухих будівельних сумішей та придатна для виготовлення шпаклівок, замазок і фарб. Гідравлічне вапно можна засто- совувати як основу під фресковий живопис (нанесення розбавленими у воді мінеральними фарбами малюнків на свіжу штукатурку).

Романцемент найчастіше розглядають як один із етапів розвитку тех- нології портландцементу. Сьогодні виробництво романцементу є нерен- табельним, цементні заводи його майже не виготовляють.

Портландцемент — гідравлічна в’яжуча речовина, яку отримують спіль- ним помелом клінкеру з гіпсом або іншими добавками. Портландцемент- ний клінкер — продукт випалювання до спікання (при температурі 1450°С) сировинної суміші, що містить приблизно 75% карбонатних порід і 25% алюмосилікатних (глини). Як карбонатні породи використовують вапня- ки, крейду, вапняки-черепашники, вапнякові туфи. Для регулювання строків тужавлення і підвищення міцності до складу портландцементу вводять двоводний гіпс.

Під час випалювання сировинної суміші відбуваються фізичні та фі- зико-хімічні перетворення у складі шихти, що приводять до спікання та формування зерен клінкеру розміром 20...30 мм, мінералогічний та хіміч- ний склад яких істотно відрізняється від складу вихідної сировини. У процесі випалювання сировинної суміші до спікання утворюються чоти- ри основні мінерали (фази) цементного клінкеру: трикальцієвий силікат 3СаО^.SiO, (С₃S) — аліт; двокальцієвий силікат 2СаО•SiO₂ (C₂S) — беліт; трикальцієвий алюмінат ЗСа0А1,0₃ (С₃А); чотирикальцієвий алюмоферит 4СаО•А1₂O₃- Fe₂O3 (С₄АF). Звичайно, це не чисті мінерали, а тверді роз- чини, склад і будова яких залежать від складу сировинної суміші, тонкості її помелу, режиму термічної обробки та багатьох інших факторів.

Аліт С₃S є найважливішою фазою клінкеру, він швидко реагує з водою та відіграє головну роль у синтезі міцності штучного каменю, особливо на ранніх стадіях твердіння.

Беліт С₂S повільно реагує з водою і надає штучному каменю міцності у пізні строки твердіння (після 1 року).

Трикальцієвий алюмінат С₃A швидко піддається гідратації та твердінню з утворенням штучного каменю невеликої міцності. Наявність такого компонента може бути причиною виникнення сульфатної корозії бетону.

212

Чотирикальцієвий алюмоферит C₄AF входить до складу клінкеру як проміжна речовина.

Внаслідок змішування цементу з водою відбувається його гідратація, яка приводить до тужавіння та твердіння цементного тіста з утворенням штучного (цементного) каменю. Міцність каменю на основі портландцемен- ту залежить від складу новоутворень (гідросилікати, гідроалюмінати, гід- росульфоалюмінати кальцію, гідроксид кальцію) і визначається не тільки складом портландцементу, але й умовами твердіння, співвідношенням твердої та рідкої фаз і деякою мірою складом та властивостями добавок.

Технічні характеристики портландцементу. Водопотреба цементу — це мінімальна кількість води, необхідна для приготування тіста заданої кон- систенції, зазвичай становить 24...28%. Зниження водопотреби досягаєть- ся використанням поверхнево активних добавок-пластифікаторів і супер- пластифікаторів.

Строки тужавлення цементу — це час, протягом якого цементне тісто (паста) втрачає свою пластичність, переходячи майже в твердий стан. Роз- різняють умовний початок тужавлення (початок втрати пластичності) — не раніше 45 (60) хв і кінець тужавлення (повна втрата пластичності) — не пізніше 10 годин.

Рівномірність зміни об’єму пов’язана із запізнілою гідратацією деяких компонентів портландцементу. Основними причинами цього явища є гашення вільного (намертво випаленого) вапна СаО або периклазу MgO.

Міцність цементу встановлюють за показником границі міцності при стиску половинок зразків-балочок розмірами 160x40x40 мм, які виготов- ляють із цементно-піщаної суміші складу 1:3 (за масою) при водоцемент- ному відношенні (В/Ц), що забезпечує нормальну консистенцію розчи- нової суміші. Протягом першої доби зразки зберігають у камері з вологим повітрям, а після цього — у ванні з водою протягом 27 діб.

Активність цементу — значення границі міцності при стиску таких зразків.

Марка цементу — значення активності, визначене на 28 добу (в кгс/см²), округлене в бік зменшення. Згідно зі стандартом України, встановлено такі марки портландцементу: МЗОО, М400, М500, М550, М600.

За європейськими стандартами для оцінки міцності при стиску цемент- них зразків замість марок використовують класи (визначені в МПа), а саме: 32,5; 42,5 та 52,5. Цементи цих класів поділяють на цементи нормального та прискореного твердіння (до останніх додають літеру R).

За речовинним складом та міцністю при стиску (на 28 добу) цементи загальнобудівельного призначення поділяють на такі типи і марки:

тип І — портландцемент (містить від 0 до 5% мінеральних добавок), марки МЗОО, М400, М500, М550, М600;

213

тип II — портландцемент із мінеральними добавками (від 6 до 35%), марки М300, М400, М500, М550, М600;

тип III — шлакопортландцемент (від 36 до 80% доменного гранульо- ваного шлаку), марки МЗОО, М400, М500;

тип IV — пуцолановий цемент (від 21 до 55% мінеральних добавок), марки МЗОО, М400, М500;

тип V — композиційний цемент (від 36 до 80% мінеральних добавок, причому доменного гранульованого шлаку від 18 до 60%, пуцолани від 10 до 40%). Марки МЗОО, М400, М500.

Спеціальні цементи. В’яжучі речовини низької водопотреби (ВНВ) отри- мують спільним помелом портландцементу і суперпластифікатора (пито- ма поверхня становить 480...520 м²/кг). Водопотреба такого цементу не перевищує 16% (порівняно з 24...30% для звичайного портландцементу). Міцність при стиску цементів без добавок становить 90... 100 МПа. Моро- зостійкість бетону на основі в’яжучих речовин низької водопотреби пере- вищує 500 циклів.

Пластифікований портландцемент виготовляють тонким подрібнен- ням портландцементного клінкеру з двоводним гіпсом (3...5%) та плас- тифікуючою добавкою, наприклад, лігносульфонатом технічним (ЛСТ) в кількості 0,15...0,25%. Це дозволяє зменшити водоцементне відношення та підвищити щільність, морозостійкість, водонепроникність й сульфато- стійкість бетону. Найдоцільніше його застосовувати в гідротехнічному та дорожньому будівництві.

Гідрофобний портландцемент одержують подрібненням портландце- ментного клінкеру з двоводним гіпсом (3...5%) та гідрофобізуючими до- бавками в кількості 0,08...0,25%. Гідрофобний цемент доцільно застосо- вувати при виготовленні бетонів для гідротехнічного, дорожнього, аеродромного та інших видів будівництва, де використовують його спе цифічні властивості, в тому числі підвищену водо-, морозостійкість, стій- кість в умовах змінної вологості.

Сульфатостійкий портландцемент — це цемент, який утворює камінь, стійкий до дії водних сульфатмістких середовищ. Головним засобом за- побігання розвитку сульфатної корозії є використання цементів із низь- ким вмістом С,А. Існує декілька різновидів таких цементів: сульфатостій- кий портландцемент, сульфатостійкий портландцемент із мінеральними добавками, сульфатостійкий шлакопортландцемент, пуцолановий порт- ландцемент.

Білий портландцемент отримують із сировинних матеріалів, що міс- тять обмежену кількість барвників (оксидів феруму, мангану, хрому, ба-

214

жано менше 0,3% від маси клінкеру). Основною вимогою до білого порт- ландцементу, що визначає його якість, є ступінь білизни. За цим показ- ником цемент поділяють на три сорти. Білий портландцемент випускають марок М400 і М500 та використовують для декоративних і оздоблюваль- них робіт, у тому числі для виготовлення цементних фарб.

Кольорові поріпландцементи отримують одночасним помелом білого клінкеру з відповідними мінеральними пігментами. При виготовленні кольорового цементу застосовують пігменти, стійкі до дії лугів, тобто: во- хру, мумію — для жовтого; сурик залізний — для червоного; залізооксидні пігменти — для жовтого, коричневого, червоного, теракотового; оксид хрому — для зеленого; піролюзит — для коричневого і чорного; сажу - для чорного; ультрамарин — для блакитного та синього кольорів. Із орга- нічних пігментів, стійких до дії лугів, є блакитний та зелений фталоціані- нові, але через велику собівартість вони мають обмежене застосування. Як кольорові пігменти також раціонально використовувати фарбові руди — бурий залізняк, сурик-рудута марганцеві руди.

Білий та кольорові портландцементи не мають достатньо високої мо- розо- та корозійної стійкості, відрізняються підвищеними деформаціями усадки, що зумовлено їх мінералогічним складом. Ці цементи застосову- ють для архітектурно-оздоблювальних робіт, виготовлення облицюваль- ного шару стінових панелей і блоків, штучного мармуру, скульптурних робіт.

Шлакопортландцемент одержують змішуванням попередньо мелених компонентів або спільним помелом портландцементного клінкеру, гіпсу (до 5%) та гранульованого доменного шлаку у кількості 36...80%. Тепло- виділення при твердінні такого цементу в 2...2,5 рази нижче, ніж звичай- ного, і тому його можна застосовувати для виготовлення масивних бетон- них конструкцій. Шлакопортландцемент відрізняється від пуцоланового помірною водопотребою, вищою повітро- і морозостійкістю, а тому може застосовуватися для зведення наземних, підземних і підводних частин споруд. Шлакопортландцемент випускають трьох марок: М300, М400 і М500. Недоліком цього цементу є повільний набір міцності у початковий період твердіння й особливо — при від’ємних температурах. Процес твер- діння значно прискорюється при застосуванні теплової обробки виробів (наприклад, у пропарювальних камерах).

Пуцолановий цемент виготовляють спільним помелом клінкеру, дво- водного гіпсу (3...5%) та активних мінеральних добавок (21 ...55%), які під час гідратації цементу здатні зв’язувати гідроксид кальцію у практично нерозчинні гідросилікати кальцію, шо істотно підвищує стійкість цементу

215

до корозії. Природні пуцоланові добавки представлені породами осадового та вулканічного походження. До добавок вулканічного походження (ві- домих як пуцолани) належать вулканічний попіл, вулканічний туф. пем- за. Добавки штучного походження представлені кислими золами та палив- ними шлаками, що є мінеральними відходами спалювання кам’яного та бурого вугілля, сланців, торфу, і містять склокристалічні фази алюмоси- лікатного складу. Золами називають дисперсні матеріали з розмірами час- тинок, меншими ніж 0,3 мм. Зола-винесення утворюється під час спалю- вання пиловидного палива й уловлюється електрофільтрами. Вона від- різняється високою дисперсністю і може бути застосована без додатко- вого помелу. Паливні шлаки — це спечені частинки золи із розміром зерен понад 0,3...0,5 мм.

Водопотреба пуцоланових цементів вища, ніж звичайного портландце- менту. Пуцоланові цементи випускають марок М300 і М400. Застосовують їх при масивному будівництві, в тому числі гідротехнічному, бетонуванні під- водних та підземних частин споруд, особливо якщо потрібна підвищена стійкість проти дії м’яких і сульфатних вод, а також водонепроникність.

Глиноземистий цемент виготовляють спіканням бокситу та вапняку при температурі 1150... 1250°С для отримання продукту, що складається переважно з мінералу Са0А1,0₃ (СА).

Головною перевагою глиноземистого цементу є швидке нарощування міцності: так, цемент марки М400 через 24 години характеризується міц- ністю не менше 23 МПа, через 3 доби — 40 МПа. Глиноземистий цемент має підвищену стійкість проти дії м’якої, морської та мінералізованих вод, його використовують при проведенні аварійних ремонтів гребель, доріг, мостів, при терміновому спорудженні фундаментів і оборонних об’єктів. Також його можна використовувати при отриманні жаростійких бетонів із температурою експлуатації до 1300°С (при застосуванні шамот- ного заповнювача). Вартість такого цементу в декілька разів перевищує вартість звичайного портландцементу.

Цементи, здатні до розширення. Для запобігання виникненню усадко- вих деформацій і трішиноутворення, а також зниження морозо- та коро- зійної стійкості цементного каменю використовують багатокомпонентні в’яжучі речовини спеціального призначення, що здатні до розширення. Вони складаються з в’яжучої речовини і розширної добавки, до складу якої входить кілька компонентів. Як в’яжуча речовина використовується глиноземистий цемент або портландцемент.

Лужні цементи — це системи, що є поєднанням силікатів (або алюмі- натів) природного чи техногенного походження та сполук лужних мета-

216