книги из ГПНТБ / Михайлов В.В. Расширяющийся и напрягающий цементы и самонапряженные железобетонные конструкции

скпе исследователи этих цементов А. Клейн, В. Бертеро, М. Поливка, С. Л'ронп, П. Мета в своих работах [90, 97, 98, 104, 105, 115, 133] проводят всесторонние исследова­ ния технологии заводского приготовления расширяюще­ гося цемента. Она основана на совместном обжиге при температуре 1380° С южноамериканского боксита (или гндратнрованной окиси алюминия), гипса и карбоната кальция (мела) в примерном соотношении по весу 20 : 30 : 50. Получаемый сульфоалюмпнатный клинкер

содержит (в % ) : С — 55, А — 24 и S — 18,5. Наряду со связанным сульфоалюмпнатом кальция в клинкере име­ ется до 23% свободной извести и 2% гипса. Разработан­ ный авторами расширяющийся цемент составляют из портландцемента, к которому прибавляют расширяю­ щий компонент, составленный из C4A3S, свободного гип­ са и свободной извести. Количество расширяющего ком­ понента выбирается с таким расчетом, чтобы в бетоне на расширяющемся цементе усадка компенсировалась.

Во второй половине шестидесятых годов начинается широкое применение этого цемента в строительстве под маркой К-цемента (автор Клейн). Примерно с 1969 г. в США фирма «Юнпверсал Атлас Семент Ко» начинает производство другого расширяющегося цемента, анало­ гичного советскому напрягающему цементу, названному в США_JVlju£M.eiiTOM_по имени автора В. В. Михайлова. Этот цемент получают в результате добавки к портланд­ цементу расширяющего компонента в виде продукта помола клинкера глиноземистого цемента и гипса. Коли­ чество расширяющего компонента берется в расчете на получение компенсации усадки бетона. М-цемент произ­ водится для широкого применения по специальным тех­ ническим условиям.

В последние годы (1969 —1970 гг.) в США в опытном порядке начали изготовлять еще один расширяющийся портландцемент (S-цемент), получаемый непосредствен­ ным обжигом всех сырьевых материалов. Расширяющий компонент заключен в зернах клинкера, из которого после помола без каких-либо добавок получается рас­ ширяющийся цемент. Выпущены опытные партии це­ мента. Наибольшее расширение цемента полностью не компенсирует усадку, а только частично ее уменьшает.

Американская Ассоциация химического преднапряжения получила патент № 3,251,701. 1969 г. на анало­

ге)

гичный расширяющийся цемент, который также уже в клинкере содержит все вещества, необходимые для по­

В известных условиях этот цемент может быть применен и как напрягающий.

Производство в "США К-цемента, М-цемента и S-це- мента все возрастает. В 1970 г. было выпущено и исполь­ зовано более 200 тыс. т расширяющихся цементов.

В СССР над совершенствованием нескольких напря­ гающих и расширяющихся цементов продолжают рабо­ тать группы специалистов.

Под руководством В. В. Михайлова работают С. Л. Литвер, А. Н. Попов, Л. И. Будагянц, В. А. Попо­

са и извести. Соотношение компонентов принимали та­ ким, чтобы получить при естественном твердении в воде самонапряжение 20—30 кгс/см2 и при специальной тепловлажностной обработке — 40—60 кгс/см2. В первом случае состав цемента (в % ) : портландцемента или его клинкера 65—70, глиноземистых шлаков или глиноземи­ стого цемента 16—20, гипсового камня или полуводного гипса 8—12 и извести 0—5, во втором случае — порт­ ландцемента или его клинкера 60—65, глиноземистых шлаков или глиноземистого цемента 18—22, гипсового камня или полуводного гипса 10—14 и извести 0—5. Оба цемента в определенный срок затвердевания и при приобретении минимальной прочности 100 кгс/см2 подвер­ гаются увлажнению (первый цемент) и кратковременно­ му прогреву в воде (второй цемент), после чего изделие обязательно выдерживается во влажной среде в тече- 'ние заданного времени (от 3 до 12 суток). Для всех бе­ тонов на напрягающих цементах является обязательным

21

Под руководством I I . В. Кравченко работают Т. В. Куз­ нецова, А. С. Арапова, Ю. Ф. Соломатина и др. [88, 95]. Были усовершенствованы предложения авторов на рас­

вяжущим, компенсирующим усадку бетона. Разработа­ но заводское изготовление цемента; как расширяющийся

и БТРЦ. Расширяющийся портландцемент РПЦ являет­

высокоглнноземистых доменных шлаков (10—17%), гра­ нулированного доменного шлака (8 — 12%), гипса (7— 9%) и извести (0,5—2%). Расширение РПЦ в тесте в во­ де составляет 0,3—2%, и он должен быть отнесен к це­ менту, компенсирующему усадку бетона. РПЦ применен в строительстве при устройстве полов промышленных зданий.

Быстротвердеющий расширяющийся цемент БТРЦ является гидравлическим.вяжущим, твердеющим на воз­

Расширение БТРЦ в тесте в воде составляет 0,05—1,5%. Под руководством К. С. Кутателадзе исследования проводят Т. Г. КабададзеТНГТ. Нергадзе и др. [84, 96, 103, 134, 144, 150, 151, 152]. Был предложен ряд расши­ ряющихся и напрягающих цементов, основанных на при­ менении горной породы, содержащей алунит, обожжен­ ной при 600 и 700° С. Алунитовая порода является рас­

При 700° С сернокислый алюминий распадается и выде­ ляет свободное S. Водонепроницаемый расширяющийся портландцемент предложен авторами в составе клинке­ ра портландцемента, обожженного алунита и гипса, со-

22

общающих цементу способность расширяться в процес­ се твердения, компенсируя усадку бетона. Этот цемент применен в опытном порядке в гидротехническом строи­ тельстве. Адундшззьш. напрягающий цемент АНЦ пред­ ложен авторами в составе портландцемеитного клинкера (73—78%), алуиитовой породы, обожженной при 600— 700°С (12—15%), и гипса (10—12%). Температура об­ жига алуиитовой породы придает весьма различные свойства получаемому АНЦ: после обжига при 600° С АНЦ в первые сутки расширяется на 0,5%, а затем, бу­ дучи опущен в воду, расширяется до 10%; после обжига при 700° С АНЦ в первые 3—4 ч твердения расширяется на 5—10%; при дальнейшем водном хранении наблюда­ ется еще небольшое расширение, которое стабилизирует­ ся. Степень достигаемого цементным тестом самонапря­ жения составляет 40—60 кгс/см2, что указывает на вы­ деление АНЦ большой энергии самонапряжения, могу­ щей обеспечить в железобетоне интенсивное преднапряжение.

С целью обеспечить строителей дешевым расширяю­ щимся цементом авторы предложили безусадочный и расширяющийся портландцемент на базе обожженной

лучаются безусадочный (0,12—0,4%)) и расширяющийся (0,6—0,8%) цементы. Прочность этих цементов на 12— 34% ниже прочности исходного портландцемента.

Под' руководством О. П. Мчедлова-Петросяна над малорасширяющимся цементом работают Л. Г. Филатов, А. В. Ушеров-Маршак и др. [114]. Были разработаны слаборасширяющиеся составы на основе портландцемен­ та, существенно снижающие последующую усадку бето­ на. Расширяющийся цемент РВВБРБ получается при добавке к портландцементу алюминиевого порошка ,'(0,01%), сульфата алюминия ( 2 % ) , хлористого кальция (2%) и сульфитно-спиртовой барды (0,15%)- Расшире­ ние теста составляет 0,4—0,8%, что указывает на воз­ можность предотвращения появления в бетоне усадоч­ ных трещин.

23

и лабораториях под руководством известных профессо­ ров велись работы по созданию и изучению расширяю­ щихся цементов на основе твердения кальцийсульфоалюмннатного клинкера [87, 142, 146]. Японские предложе­ ния в основном аналогичны американским и касаются использования кальцийсульфоалюминатного клинкера вида C4A3S и C3A3S в качестве расширяющегося компо нента, добавляемого в количестве 10—13% к портланд­ цементу. В результате получается расширяющийся це­ мент, способный в бетонах давать расширение порядка 0,5—1,5% и полиостью гарантировать от возникновения в бетонах усадочных трещин. Разработанный в Японии цемент находит применение в строительстве.

Помимо приведенных в настоящей главе работ раз­ личных авторов над расширяющимся и напрягающим цементами, представляют интерес исследования многих зарубежных ученых: Т. Армстронга — сульфоалюминатпый цемент [106]; Д. В. Пфейфера — тепловая обработ­ ка расширяющегося цемента [107]; Г. Боддорфа—рас­ ширяющийся цемент [108]; К. Аустена и Е. Бубниса—

цементов [92]; И. Девара—бетоны на расширяющихся цементах [99]; Г. Монфора—изучение свойств расши­

тах [121, 122]; М. Швита, У. Лудвига и П. Гегера — изу­

бетона на расширяющемся цементе [131, 132]; Д. Мак-Ки—изучение технических свойств расширяю­ щегося цемента [136] и др.

24

Г л а в а 2

Р А С Ш И Р Я Ю Щ И Е СЯ И Н А П Р Я Г А Ю Щ И Е ЦЕМЕНТЫ

А. РАСШИРЯЮЩИЕСЯ ЦЕМЕНТЫ

2.1. УСАДКА ЦЕМЕНТА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА СТРОИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА БЕТОНА

Из цементов, используемых в строительстве, наи­ большее применение получил портландцемент. Поэтому именно портландцемент принят нами для получения напрягающего цемента. Рассмотрим механизм схваты­ вания и твердения этого цемента с позиции физикохимии.

Наиболее характерными разновидностями структуры алитового портландцемента являются клинкерные сое­ динения вида:

а) высокоалюминатногопортландцемента (рис.2.1,а), в котором полиминеральные C3 S и C2 S склеены массой алюминатных С3 А и некоторым количеством ферроалюминатных C 4 AF соединений кальция;

ены массой исключительно ферроалюминатных C 4 A F ' соединений кальция; С3 А полностью отсутствует.

При затворении цемента водой в результате адсорбционног_о_и.химического диспергирования зерна цемента распадаются на отдельные микроосколки, покрываются диполями воды и образуют гидратирующиеся частицы исходных материалов. Это диспергирование, хорошо описанное П. А. Ребиндером [44], облегчается высокой растворимостью массы алюминатных и ферроалюминат­ ных соединений и расклинивающим действием воды, проникающей в многочисленные микротрещины частиц цемента. Скорость диспергирования цемента была де­ тально изучена Н. Г. Зайцевой и А. М. Смирновой [72],

26

пресыщение раствора и обеспечивает кристаллизацию новообразовании вокруг зерна цемента, поскольку он от­ делен от него слоем диффузной воды, свободной от рас­ творимых содей. Через этот слой в процессе дальнейшего растворения непрерывно выбрасываются гидратпрованные ноны и молекулы минералов клинкера, которые и по­ глощаются ближайшими центрами кристаллизации но­ вообразований.

'.на ход и скорость гидратации и кинетику роста прочно-

\сти. От распределения воздуха в системе в значитель­ ной степени зависит развитие объемных деформаций, водо- и газопроницаемость системы.

Условное изображение твердеющего цемента дано на схеме (рис. 2.3) к моменту, когда процесс затвердевания в достаточной степени развился и гидратирована подав­ ляющая часть алюминатных соединений; зерна C3S гидратированы на некоторую глубину, зерна C2S гидратированы в очень небольшой степени и поэтому на схеме не показаны. Диффузные слои воды по мере гидратации зерен C3 S становятся тоньше, и гидратация приостанав-

28

лпвается вследствие недостатка воды. Чем больше воз­ духа распределено в системе, тем быстрее насыщение раствора и кристаллизация новообразований. Весь объ­ ем, который ранее занимала вода с растворенным в ней воздухом, теперь заполнен растущими частицами ново­ образований, среди которых частицы гидросиликатов кальция 1, алюминатов кальция 2 и гипса 3 взаимодей-

Рис. 2.4. Схема вза­ имодействия колло­ идных частиц цемент­ ного камня в капил­ лярном контакте (представлено в виде кольцевого мениска) при изменении влаж­ ности среды с ср на ср'

ствуют через свои капиллярные контакты. Стрелками в области скопления новообразований условно показан переход ионов SO3 к алюминатам кальция 2, для обра­ зования на их поверхности кристаллов гидросульфоалюминатов кальция в твердой фазе.

Как результат этого процесса возникает объемное давление и расширение системы, показанное на схеме противоположно направленными стрелками. С другой стороны, при гидратации гидросилнкатов кальция про­ исходит непрерывное сжатие систем.

Действительно, в результате постоянного отсоса во­ ды в направлении гидратирующихся минералов клин­ кера в зоне размещения цементного клея происходит всестороннее сжатие системы и отдельные частицы но­ вообразований сближаются (рис. 2.4), испытывая энер­ гичное действие молекулярных сил в контактах частиц коллоидных размеров. При сближении частиц с расстоя­

Пп и соответственно увеличивается с г\ до гг диаметр капиллярного контакта^

29