Учебники / Основин. Строительные материалы и изделия. Учебное пособие

сроков схватывания цемента к клинкеру при помоле добавляют гипс (не менее 1,5% и не более 3,5% от массы цемента). От качества клинкера зависят важнейшие свойства цемента: прочность и скорость ее нарастания, долговечность, стойкость в различных эксплуатационных условиях.

Сырье для производства портландцемента должно содержать 75…78% известняка и 22…25% глины.

В зависимости от способов приготовления смеси различают мокрый и сухой способы производства цемента. При мокром способе сырье смешивают и измельчают в присутствии воды и смесь в виде жидкого шлама, содержащего 40…50% воды, обжигают во вращающихся печах. При сухом способе сырьевые материалы смешивают, измельчают и обжигают в сухом виде. Существует и комбинированный способ приготовления смеси: сначала смесь подготавливают по мокрому способу, потом шлам обезвоживают и делают из него гранулы, обжигаемые по сухому способу.

При смешивании портландцемента с водой образуется пластичное, легко формуемое клейкое тесто, постепенно густеющее и переходящее в камневидное состояние.

Процесс твердения портландцемента определяется в основном гидратацией силикатов, алюминатов и алюмоферритов кальция.

Вследствие малой растворимости компонентов процесс твердения портландцемента протекает длительное время (годами). Однако нарастание прочности цемента с течением времени замедляется. Поэтому качество цемента принято оценивать по его прочности после 28 сут твердения.

К основным свойствам портландцемента относятся средняя плотность, истинная плотность, тонкость помола, водопотребность, сроки схватывания, тепловыделение, равномерность изменения объема и прочность.

Средняя плотность портландцемента в рыхлом состоянии равна 1000…1100 кг/м3, в уплотненном – 1400…1700 кг/м3. Истинная плотность составляет 3050…3150 кг/м3.

Тонкость помола определяется остатком на сите № 008 (размер ячейки в свету – 0,08 мм) не более 15% от общей навески или удельной поверхностью – площадью поверхности зерен (в квадратных сантиметрах) в 1 г цемента. Удельная поверхность портландцемента должна быть 2500…3000 см2/г. С увеличением тонкости помола цемента до 4000…4500 см2/г воз-

100

растает скорость твердения и повышается прочность цементного камня.

Водопотребность определяется количеством воды (в процентах), которое необходимо для получения цементного теста нормальной густоты, т.е. заданной стандартной пластичности. Нормальной густотой цементного теста считается его консистенция, при которой пестик стандартного прибора не доходит до пластинки на 5…7 мм, что составляет 22…28% воды от массы цемента. Повышение водопотребности плохо сказывается на свойствах цемента: уменьшаются прочность и морозостойкость, увеличиваются усадочные деформации и т.д. Снижают водопотребность цемента добавки-пластификаторы.

Сроки схватывания цементного теста нормальной густоты определяют на приборе Вика по глубине проникания иглы. Начало схватывания должно наступить не ранее чем через 45 мин, заканчивается оно не позднее чем через 10 ч от начала затворения. Эти показатели определяют при температуре (20 ± 2) °С. Схватывание портламендцемента обычно наступает через 1…2 ч, а заканчивается через 4…6 ч. На сроки схватывания портландцемента влияют его минералогический состав, тонкость помола и другие факторы.

Тепловыделение при твердении цемента происходит длительное время, поэтому сильный разогрев бетона и раствора не происходит. Если же объем укладываемого в конструкцию бетона велик (например, при возведении плотин или массивных фундаментов), то разогрев достигает 80 °С, что опасно: бетон растрескивается, разрушается.

Равномерность изменения объема цемента при твердении – признак его высокого качества. При твердении на воздухе цемент уменьшается в объеме – дает усадку. Линейная воздушная усадка цемента достигает 1 мм/м. При твердении в воде, особенно в начале твердения, цемент увеличивается в объеме – набухает. Линейное набухание его достигает 0,5 мм/м. В конце твердения цемент даже в воде уменьшается в объеме.

Прочность портландцемента характеризуют маркой, которую устанавливают по пределу прочности при сжатии и изгибе образцов-балочек размерами 40×40×160 мм, испытанных в возрасте 28 сут твердения. Балочки изготавливают из цемент- но-песчаного раствора состава 1 : 3 (цемент : нормальный песок) стандартной консистенции при водоцементном отношении В/Ц = 0,4. На воздухе (над водой) образцы твердеют в

101

течение сут., а в воде комнатной температуры (без форм) – 27 сут. Портландцементы разделяют на марки 400, 500, 550

и600.

8.7. Коррозия цементного камня и защита от нее

Бетонные сооружения могут разрушаться под действием природных вод. Разрушение начинается с цементного камня, структурные составляющие которого или растворяются, или вступают в химическое взаимодействие с солями и кислотами, содержащимися в минирализованной воде. Образующиеся новые химические соединения растворяются в воде или кристаллизуются в цементном камне со значительным увеличением объема, приводящим к возникновению внутренних напряжений и разрушению бетона (коррозии).

Коррозию цементного камня, встречающуюся в практике, можно разделить на три вида. Коррозия п е р в о г о в ид а начинается обычно с растворения свободного гидроксида кальция, выделяемого цементом при гидратации; коррозия в т о - р о г о в и д а обусловлена образованием легкорастворимых солей при действии кислот, кислых газов и других агрессивных веществ на гидроксид цементного камня (кислотная, магнезиальная коррозия); коррозия т р е т ь е г о в и д а связана с образованием в порах цементного камня соединений, занимающих больший объем, чем исходные продукты реакции, что вызывает появление внутренних напряжений и растрескивание (сульфоалюминатная и щелочная коррозия). В практике редко встречается коррозия одного вида. Кроме того, трудно разграничивать коррозию, например, первого и второго вида. Однако почти всегда можно выделить преобладающий вид коррозии и с учетом сопутствующих ему вторичных коррозионных воздействий запланировать меры по защите конструкций от коррозии.

Стойкость цементного камня при воздействии природных вод может быть обеспечена комплексом мер, главными из которых являются:

повышение плотности;

выбор специальных вяжущих веществ;

введение добавок, изменяющих структуру цементного камня, уменьшающих водопотребность;

102

обработка поверхностного слоя флюатированием, высокомолекулярными соединениями;

защита поверхности от агрессивной среды путем окраски, оклейки, оштукатуривания гидроизоляционными материалами.

8.8. Применение портландцемента

Портландцемент широко используется для приготовления строительных растворов, при возведении монолитных бетонных и железобетонных конструкций и сооружений, производстве сборных бетонных и железобетонных конструкций. Применение портландцемента целесообразно в тех случаях, когда конструкции и сооружения не подвергаются агрессивному воздействию окружающей среды. Не следует изготавливать из портландцемента конструкции, которые подвергаются воздействию морской, минеральной или даже пресной воды (проточной или под сильным напором). В этих случаях рекомендуется применять портландцементы специальных видов – сульфатостойкий, гидрофобный, пуццолановый портландцемент, шлакопортландцемент и др. При хранении портландцемента снижается его активность (это свойственно всем видам цемента): после 3 месяцев хранения – на 8…20%, после 6 месяцев – на 14…29, после года – на 18…39%. Портландцемент марок 500, 550, 600 применяют в тех случаях, когда необходимо получить бетон с высокой прочностью в раннем возрасте.

Для удовлетворения специфических требований строительства (стойкость к агрессивной среде и др.), повышения долговечности сооружений и конструкций, сокращения стоимости строительства их и расхода цемента промышленность выпускает целый ряд разновидностей портландцемента.

8.9. Разновидности портландцемента

Наряду с обыкновенным портландцементом выпускают большое количество его разновидностей: быстротвердеющий, пластифицированный, гидрофобный, сульфатостойкий, белый и цветной. Эти цементы более дорогие и рекомендуются только в тех случаях, когда их специальные свойства могут быть использованы с максимальной эффективностью.

103

Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) характеризуется более интенсивным нарастанием прочности в первые трое суток твердения. Более быстрое твердение цемента достигается за счет содержания в клинкере активных минералов (C3S + С3А = 60…65%), а также за счет повышения тонкости помола клинкера до удельной поверхности 3500…4000 см2/г. При помоле БТЦ допускается введение активных минеральных добавок (не более 15% по массе цемента) или доменных гранулированных шлаков (до 20%).

Пластифицированный портландцемент (ППЦ) получают помолом портландцементного клинкера вместе с гипсом и пластифицирующими добавками в виде концентрата сульфит- но-спиртовой барды (ССБ) кальциевой или лигносульфоновой кислоты (ЛСТ) и других добавок в количестве 0,15…0,25% по массе цемента. Марки этого цемента – 400 и 500. Пластифицированный портландцемент придает растворным и бетонным смесям повышенную подвижность по сравнению с обычным портландцементом при одинаковом расходе воды.

Гидрофобный портландцемент (ГПЦ) получают путем введения при измельчении клинкера 0,1…0,3% мылонафта, асидола, синтетических жирных кислот и других гидрофобизирующих добавок. Осаждаясь на частицах цемента, эти вещества создают водонесмачиваемость оболочки, чем снижают его гигроскопичность. Поэтому гидрофобный цемент при длительном хранении даже во влажных условиях не портится, не комкуется, сохраняет свою активность.

Сульфатостойкий портландцемент (СПЦ) получают тонким помолом клинкера следующего минералогического состава: C3S – не более 50%, С3А – не более 5, С3А + C4AF – не более 22, MgO – 5%. Введение в цемент инертных и активных минеральных добавок не допускается. При таком составе цемента уменьшается возможность образования в цементном камне (бетоне) под действием сульфатных вод гидросульфоалюмината кальция – цементной бациллы. Выпускают СПЦ марки 400.

Белый портландцемент (БПЦ) – твердеющее на воздухе и в воде вяжущее вещество, получаемое измельчением белого маложелезистого клинкера, минеральных добавок и гипса. Выпускают БПЦ марок 400 и 500. П о с т е п е н и б е л и з н ы белый портландцемент подразделяют на три сорта с коэффициентом отражения не менее 80, 75 и 68 % соответственно.

104

Цветной портландцемент (ЦПЦ) – твердеющее на воздухе и в воде вяжущее вещество, получаемое путем совместного тонкого измельчения белого или цветного клинкера (не менее 80%), минеральных (не более 15%) и органических красителей, гипса и активной минеральной добавки (не более 6%). Органические пигменты вводят в количестве не более 0,5% от массы цемента. Выпускают ЦПЦ марок 300, 400, 500 желтого, розового, красного, коричневого, зеленого, голубого и черного цвета.

8.10. Цементы с активными минеральными добавками

Портландцемент с минеральными добавками (ПЦД) изготавливают тонким измельчением клинкера, гипса и минеральных добавок. В качестве добавок вводят доменные гранулированные шлаки или активные минеральные добавки осадочного происхождения, но не более 20% от массы цемента.

Пуццолановый портландцемент получают путем совместного или раздельного помола и последующего смешивания клинкера портландцемента (75…60%), активной минеральной добавки (20…40%) и небольшого количества природного гипса. Активными минеральными добавками являются вулканические пеплы (пуццоланы) и туфы, пемзы, диатомит, опока, трепел, зола теплоэлектростанций и пр. Активные добавки связывают образующийся при твердении цемента гидроксид кальция Са(ОН)2 в не растворимые в воде гидросиликаты кальция, благодаря чему повышается коррозионная стойкость и водостойкость цементного камня, бетона и раствора. Выпускают пуццолановый портландцемент марок 300 и 400.

Шлакопортландцемент (ШПЦ) получают тонким измельчением портландцементного клинкера (20…79%), природного гипса (до 5%) и доменного гранулированного (быстроохлажденного) шлака (21…80%). Доменные шлаки – побочные продукты, образующиеся при плавке чугуна. Самостоятельно шлаки не твердеют, но в присутствии портландцемента и гипса проявляют вяжущие свойства.

Шлакопортландцемент выпускают марок 300, 400 и 500.

105

8.11. Специальные цементы

Глиноземистый цемент (ГЗЦ). Это быстротвердеющее и высокопрочное гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением специального клинкера. Клинкер глиноземистого цемента получают спеканием (при температуре 1300 °С) или плавлением (при температуре 1400 °С) сырьевой смеси, состоящей из известняка СаСО3 и боксита Al2O3 nН2О.

Расширяющиеся цементы (РЦ). При твердении цементы уменьшаются в объеме – дают усадку. Эффект расширения цемента при твердении основан на образовании в цементном камне гидросульфоалюминатов кальция, связывающих большое количество воды и за счет этого увеличивающих объем цементного камня, раствора и бетона.

Напрягающий цемент (НЦ). В зависимости от размера достигаемого самонапряжения НЦ разделяют на напрягающий цемент с малой энергией самонапряжения – не менее 2 МПа (НЦ-20), со средней энергией – 4 МПа (НЦ-40) и с высокой энергией самонапряжения – 6 МПа (НЦ-60) (последний находится в стадии промышленного освоения). Начало схватывания НЦ должно наступать не менее чем через 30 мин, конец – не позже чем через 4 ч после затворения.

8.12.Гипсоцементно-пуццолановое

игипсошлакоцементное вяжущие вещества

Гипсоцементно-пуццолановое вяжущее вещество состоит из 50…75% строительного гипса, 15…25% портландцемента и 10…20% активной минеральной добавки. Вместо портландцемента и активной минеральной добавки может применяться пуццолановый портландцемент. Пуццолановыми добавками служат трепел, диатомит, опоки и другие материалы.

Гипсовые вяжущие вещества совместно с портландцементом быстро твердеют, но через 1–3 месяца деформируются и даже могут разрушаться. Это происходит в результате образования трехсульфатной формы гидросульфоалюмината кальция, увеличивающегося в объеме.

Начало схватывания гипсоцементно-пуццоланового вяжущего вещества наступает не ранее чем через 4 мин, конец – не позднее 20 мин. Марки по прочности – 100 и 150. Достоинства такого вяжущего – повышенная водостойкость и способность твердеть во

106

влажной и водной среде. Коэффициент размягчения составляет 0,6…0,8. Это вяжущее применяют для изготовления сантехнических кабин, вентиляционных блоков, наружных стеновых камней.

Гипсошлакоцементное вяжущее вещество состоит из 40…65% строительного гипса или ангидрита, 30…50% кислого доменного гранулированного шлака и 5…8% портландцемента. Портландцемент вводится для активизации твердения шлака. Это вяжущее имеет те же свойства и применение, что и гипсоцементно-пуццолановое.

8.13. Транспортировка и хранение цементов

Цементы доставляют с завода-изготовителя к месту потребления железнодорожным и автомобильным транспортом. При доставке его по железной дороге используют вагоны-цементовозы бункерного типа, цистерны и контейнеры, а также обыкновенные крытые вагоны, цемент в которые загружают навалом или в бумажных мешках. В случаях перевозки цемента навалом его выгружают механизированным способом пневматическими и пневмомеханическими разгрузчиками. При транспортировке автоцементовозами его загружают через герметически закрывающийся люк, а выгружают с помощью сжатого воздуха, который поступает от компрессора, установленного на цементовозе.

В бумажных мешках обычно перевозят белый и цветной портландцемент, а также глиноземистые, водонепроницаемые, расширяющиеся и безусадочные портландцементы. Цемент, поступающий навалом, хранят на силосных или бункерных складах раздельно по видам, маркам и партиям от различных заводов. Запрещается при хранении смешивать цементы различных видов и марок. Цемент в бумажных мешках хранят на закрытых складах с плотными водонепроницаемыми крышей, стенами и деревянным полом, приподнятым над поверхностью земли не менее чем на 30 см. При транспортировке и хранении необходимо оберегать цемент от воздействия влаги и засорения посторонними примесями.

При поступлении цемента на склад на каждую емкость сразу ставят указатели с обозначением вида, марки, времени поступления и количества цемента. В случае необходимости контроля качества цемента от каждой партии отбирают пробу массой 20 кг и направляют ее в строительную лабораторию, где проводят стандартное и ускоренное испытания цемента.

107

БЕТОНЫ

9.1. Классификация бетонов

Бетоном называют искусственный каменный материал, получаемый в результате твердения правильно подобранной, тщательно перемешанной и уплотненной смеси вяжущего вещества, воды, заполнителей и в необходимых случаях – специальных добавок. Смесь из указанных выше компонентов до начала ее затвердевания называют бетонной смесью.

Бетоны классифицируют по следующим основным признакам: назначению, средней плотности, виду вяжущего вещества, виду и крупности зерен заполнителей, структуре, условиям твердения.

П о н а з н а ч е н ию бетоны подразделяют на конструкционные, теплоизоляционные, конструкционно-теплоизоляционные, жаростойкие, химически стойкие, напрягающие, декоративные, радиационно-защитные, дорожные, гидротехнические и др.

Конструкционные бетоны – это бетоны несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений, определяющими требованиями к качеству которых являются требования по фи- зико-механическим характеристикам.

Теплоизоляционные бетоны предназначены для устройства тепловой изоляции конструкций, зданий и сооружений.

Конструкционно-теплоизоляционные бетоны предназначены для железобетонных конструкций, к которым предъявляются требования как по несущей способности, так и по теплоизоляционным свойствам.

К жаростойким относят бетоны, предназначенные для работы в условиях воздействия температур выше 200 °С.

Химически стойкими называют бетоны, предназначенные для работы в условиях воздействия агрессивных сред.

Напрягающие бетоны приготавливают на основе напрягающего цемента. Они обладают способностью при твердении увеличиваться в объеме и в условиях ограничения деформаций развивать усилие самонапряжения.

108

Декоративные бетоны предназначены для отделки зданий и сооружений.

Радиационно-защитные бетоны применяют для защиты от воздействия радиационных излучений.

Дорожные бетоны (для дорожных и аэродромных покрытий) – это бетоны, к которым предъявляются повышенные требования по морозостойкости и прочности на растяжение при изгибе. Они предназначены для устройства транспортных коммуникаций.

К гидротехническим относят бетоны, применяемые при строительстве гидротехнических, мелиоративных и водохозяйственных сооружений.

В з а в и си м о с т и о т с р е д н е й п л о т н о с т и различают особо тяжелые, тяжелые, легкие и особо легкие бетоны.

Особо тяжелые бетоны со средней плотностью более 2500 кг/м3 приготавливают на особо тяжелых заполнителях (магнезит, лимонит, барит, чугунная дробь, обрезки стали). Эти бетоны применяют для изготовления специальных конструкций, например при сооружении зданий атомных электростанций для защиты от радиоактивного излучения.

Тяжелые бетоны со средней плотностью 2000…2500 кг/м3 приготавливают на песке и крупном заполнителе из плотных горных пород и используют во всех несущих конструкциях.

Легкие бетоны со средней плотностью 500…2000 кг/м3 приготавливают на пористом крупном заполнителе и пористом или плотном мелком заполнителе. Их используют в основном для производства ограждающих и несущих конструкций.

Особо легкие (ячеистые) бетоны со средней плотностью менее 500 кг/м3 приготавливают на основе вяжущего вещества и порообразователя. Применяются они в качестве теплоизоляционного материала в виде плит, скорлуп и других изделий.

Классификация бетонов по средней плотности – это, в сущности, разделение по структурному признаку в зависимости от общей пористости. Основная доля в объеме бетона приходится на заполнители, поэтому плотность бетона регулируют, применяя плотные или пористые заполнители.

П о в и д у в я ж у щ е г о в е щ е с т в а бетоны подразделяются на следующие группы: цементные, известковые, гипсовые, шлаковые, смешанные, специальные.

109