Гидравлические вяжущие вещества

Портландский цемент – гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением клинкера с гипсом (3-5%), а иногда и с активными минеральными добавками (до 10%).

Клинкер получают обжигом до спекания тонкодисперсной однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины или некоторых других материалов (мергеля, доменного шлака и пр.), при этом обеспечивается преимущественное содержание в нём высокоосновных силикатов кальция (70-80%).

Минералогический состав цемента может колебаться в следующих пределах (см.табл.1).

Таблица 1

Минералогический состав цемента

Минерал	Формула	Условное обозначение	Содержание в клинкере, %
Трёхкальциевый силикат (алит)	3СаО·SiO2	C3S	45-60
Двухкальциевый силикат (белит)	2СаО·SiO2	C2S	20-30
Трёхкальциевый алюминат	3СаО·Al2O3	C3A	4-15
Четырёхкальциевый алюмоферрит (целит)	4СаО·Al2O3·Fe2O3	C4AF	10-20

Кроме того, в клинкере в небольших количествах содержится оксид магния MgO (до 4,5%), а также иногда свободный оксид кальция СаО (до1%).

В твердеющем цементном камне можно выделить три основные структурные составляющие:

1. кристаллический сросток, образованный сросшимися друг с другом кристалликами гидроалюминатов кальция, гидроксида кальция, а также гидросульфоалюмината и гидросульфоферрита кальция;

2. гелевую структурную составляющую, в которой дисперсной фазой являются субмикрокристаллы гидросиликатов кальция;

3. не до конца гидратированные зёрна цемента.

Кристаллический сросток цементного камня возникает за счёт микроскопических кристаллических образований, которые в зависимости от дальнейших условий гидратации цемента или объединяются в единый кристаллический сросток, или остаются в структуре цементного камня в виде микроскопических включений, разобщённых гелем гидросиликатов кальция.

Гидросиликаты кальция обладают способностью адсорбционно связывать значительное количество воды. Адсорбция воды происходит как на внешней поверхности, так и вдоль внутренних плоскостей слоистых кристаллов гидросиликатов кальция, что приводит к увеличению межплоскостных расстояний кристаллической ячейки.

Гелевая составляющая – основной структурный компонент цементного камня, занимающий примерно 75% его объёма.

В настоящее время выпускаются следующие основные разновидности портландцемента:

быстротвердеющий портландцемент;

пластифицированный и гидрофобный портландцемент;

сульфатостойкий портландцемент, содержащий C₃S не более 50% и C₃А не более 5%;

шлаковый портландцемент с 21-60% доменного гранулированного шлака;

пуццолановый портландцемент, содержащий до 20-40% пуццолановых добавок;

белый и цветные портландцементы.

Различные виды цементов характеризуются различной стойкостью против действия тех или иных агрессивных факторов. Например, цементы с низким содержанием алюминатов кальция характеризуются повышенной стойкостью против действия гипса и других сульфатов и называются, поэтому сульфатостойкими. Пуццолановые портландцементы отличаются повышенной водостойкостью и т.д. Поэтому выбирать цементы для бетонов различного назначения следует не только с учётом их прочностных показателей, но и стойкости против действия тех агрессивных сред, в которых должны работать бетонные конструкции.

Оксид магния является нежелательной примесью в цементном клинкере, но он неизбежен, так как сырьевая смесь всегда содержит соединения магния.

Гидратация оксида магния приводит к увеличению объёма и протекает очень медленно, нередко в уже готовой бетонной конструкции. Это вызывает возникновение внутренних напряжений и трещин, приводящих к разрушениям бетонных конструкций даже через 6-12 месяцев после их создания. Поэтому количество оксида магния в современных цементах ограничено. Кроме того, особенно важно, чтобы большая часть свободного кристаллического оксида магния находилась в стекловидной фазе в виде мелких кристаллов, скорость гидратации которых выше. В этом случае гидратация MgO произойдёт до затвердевания цемента и не вызовет разрушения изделий.

Процесс гидратации СаО также сопровождается увеличением объёма, но он не опасен, так как оксид кальция содержится в клинкерах в незначительных количествах и в виде очень мелких частиц.

Все минералы цементного клинкера образуются при очень высоких температурах и поэтому обезвожены. Они способны при обычных условиях взаимодействовать с водой и образовывать гидратные соединения, практически не растворимые в воде. Гидратные соединения образуются в результате частичного гидролиза и гидратации минералов клинкера при взаимодействии с водой:

3 СаО·SiO₂ + (n+1)H₂O = 2 СаО·SiO₂·nH₂O + Ca(OH)₂

2 СаО·SiO₂ + nH₂O = 2 СаО·SiO₂·nH₂O

3 СаО·Al₂O₃ + 6 H₂O = 3 СаО·Al₂O₃·6H₂O

4 СаО·Al₂O₃·Fe₂O₃ + (n+6)H₂O = 3 СаО·Al₂O₃·6H₂O + СаО·Fe₂O₃·nH₂O

Все эти процессы приводят к превращению пластичного материала в прочный, хотя и пористый камень.

Глинозёмистый цемент – быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, состоящее преимущественно из низкоосновных алюминатов кальция и получаемое тонким измельчением обожжённой до спекания сырьевой смеси известняка и бокситов. Если в портландцементе преобладают силикаты кальция, то в глинозёмистом цементе – алюминаты кальция. При этом главная роль принадлежит однокальциевому алюминату СаО·Al₂O₃, определяющему быстрое твердение и другие свойства глинозёмистого цемента.

Глинозёмистый цемент обладает высокой прочностью только в том случае, если он твердеет при умеренных температурах, не свыше 25С. Его нельзя применять для бетонирования массивных конструкций из-за разогрева бетона, а также в условиях влажного климата. Запрещается подвергать глинозёмистый цемент тепловлажностной обработке.

При обычных температурах (до 25С) в процессе твердения глинозёмистого цемента образуется высокопрочное вещество – двухкальциевый гидроалюминат:

2(СаО·Al₂O₃) + 11H₂O = 2СаО· Al₂O₃·8H₂O + 2Al(OH)₃.

Образование гидроалюминатов кальция и твердение глинозёмистого цемента протекает настолько интенсивно, что уже через 24 часа от момента затворения вяжущего водой достигает 75-90% конечной прочности, рост которой к трём суткам практически завершается.

Бетоны на глинозёмистом цементе характеризуются высокой водостойкостью, морозостойкостью и жаростойкостью.

Водостойкость этого цемента объясняется отсутствием в продуктах его гидратации гидроксида кальция, характеризующегося значительной растворимостью в воде.

Бетоны на глинозёмистом цементе более морозостойки, чем на обыкновенном портландцементе, что обусловлено повышенной плотностью цементного камня. При прочих равных условиях пористость затвердевшего глинозёмистого цемента в 1,5 раза меньше пористости портландцементного камня. Пониженная пористость объясняется высокой степенью гидратации, повышенным вовлечением воды в гидратные соединения, а также образованием значительного количества гелевидных масс гидроксида алюминия при твердении глинозёмистого цемента.

Глинозёмистый цемент более, чем портландцемент, стоек в растворах сульфата кальция и магния (но не калия, натрия и аммония), а также в слабых растворах и парах неорганических кислот. Стоек он и в водных растворах щелочных металлов, кальция и магния, в морской воде, в углекислых и болотных водах, в растворах сахара, в животных и растительных маслах. Глинозёмистый цемент разрушается в растворах щелочей и солей аммония.

Бетоны на глинозёмистом цементе хорошо сопротивляются действию повышенных температур (до 1200С и более). В этом случае не возникают разрушающие деформации (как у бетонов на портландцементе) при увлажнении их после воздействия высоких температур. Это объясняется тем, что в глинозёмистом цементе нет гидроксида кальция, который, присутствуя в затвердевшем портландцементе, при нагревании до 500С и выше переходит в оксид кальция. Последний при увлажнении вновь гидратируется, увеличиваясь в объёме и разрушая цементный камень.