Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология портландцемента и его разновидностей. Учебное пособие
.pdf
тов кальция. Одновременно гипс, взаимодействуя с алюминатами кальция, приводит к образованию эттрингита 3СаО • Аl2O3 • 3СаSО4 •
31Н2О. По мере вовлечения доменного шлака в реакцию гидратации
под воздействием щелочной и сульфатной активации и взаимодействия
его с гидратом оксида кальция концентрация последнего в водной среде снижается, соответственно увеличивается количество низкоосновных гидросиликатов кальция в цементном камне.
При твердении ШПЦ при 80…100 °С состав новообразований остается практически таким же, как и при обычных 20…25 °С. В процессе твердения ШПЦ в автоклавах при 174,5…200 °С и давлении насыщенного пара 8…15 атм возникают гидросиликаты состава С2SН (А),
СSН(В) и гидрогранаты.
Свойства шлакопортландцемента. Плотность цемента колеблется в пределах 2800…3000 кг/м3, объемная масса в рыхлом состоянии
равна 900…1200 кг/м3, в уплотненном ― 1400…1700 кг/м3. Водопо-
требность ШПЦ несколько выше, чем у портландцемента. Так, нормальная густота портландцементного теста составляет 24…24,5 %, а
ШПЦ ― 26…27 %. Водоотделение из теста ШПЦ несколько больше,
чем из теста портландцемента. С увеличением степени измельчения
ШПЦ его водоудерживающая способность возрастает. Сроки схватывания ШПЦ более короткие, чем у ПЦ.
Контракция шлакопортландцемента уменьшается при увеличении
С3S и С3А в клинкере и шлака в цементе. Повышение дисперсности и
содержания сульфатов в цементе увеличивает контракцию.
Тепловыделение цемента меньше, чем у портландцемента. Чем
больше шлака в цементе, тем ниже его тепловыделение. Тепловыделение ШПЦ с 60 % шлака через 3 суток равно 76 кДж/кг, а ПЦ в эти же
сроки ― 180 кДж/кг.
Усадка и набухание. При одинаковой тонкости помола усадка и набухание ШПЦ характеризуются приблизительно такими же показателями, что и у обычного портландцемента. Усадка цемента увеличивается с увеличением трехкальциевого алюмината и уменьшается с увеличением алита в клинкере. Набухание с увеличением дисперсности
клинкерной составляющей возрастает, а шлаковой ― снижается.
Прочность. По показателям прочности ШПЦ подразделяется на
марки 300, 400 и 500 (при испытаниях в соответствии с ГОСТ 10178).
Прочность цементов при увеличении содержания шлака снижается.
Шлакопортландцемент характеризуется относительно медленным нарастанием прочности в начальные сроки твердения. В более отдален-
91
ные сроки (2―3 месяца) прочность ШПЦ возрастает и даже превосхо-
Клинкер
C3S
C2S
C3A
C4AF
1
57
21 7 14
2
57
14
11
14 2 47
24
10
12 4 65
15 5 13
Шлак
Содержание оксидов, %
Сорт по
ГОСТ 3476
Стекло, %
Al2O3
MgO
TiO2
MnO
1
12,1
8,5
0,2
O,4 1 90
2
13,4
7,2 ― 0,2 1 85
3
15,5
11,9 ― 0,7 2 90
4
9,7
6,1
0,1
2,9 3 35
дит прочность портландцемента той же марки. При пониженной температуре (ниже 10 °С) схватывание и твердение ШПЦ замедляется, а при
тепловлажностной обработке (ТВО) резко ускоряется. ТВО при 80…95 °С
способствует ускорению процессов твердения, причем через 28 суток
прочность пропаренных бетонов в 1,5-2 раза превосходит прочность
бетонов, твердевших при обычной температуре (15…20 °С). Шлакопортландцементы, предназначенные специально для производства изделий с применением ТВО, должны изготавливаться с повышенной
дисперсностью и высоким содержанием шлака, поскольку эффективность пропаривания, т.е. отношение прочности бетона при пропаривании к его прочности при нормальном твердении, возрастает с увеличением доли шлаковой составляющей в цементе. Это наглядно видно из
приведенных ниже данных.
Приготовление цементов осуществлялось совместным помолом
клинкеров различного минералогического состава (табл. 24), шлаков с
равным химическим составом (табл. 25) и содержанием шлака от 20 до
80 % при дисперсности Sуд = 340…370 м2/кг.
Таблица 24
Минералогический состав клинкеров, %
Таблица 25
Характеристика шлака
92
Установлено, что четырехкратное снижение доли клинкера в цементе, полученном на основе клинкера 1, почти не отразилось на его
прочности после пропаривания, хотя прочность при нормальном твердении уменьшилась в полтора раза. Напротив, для пары 4-4 (клинкер и
шлак по табл. 24 и 25) снижение прочности после пропаривания особенно значительно. Проявилось отрицательное влияние MnO, низкое
содержание стеклофазы и высокое содержание MgO.
Влияние температуры и длительности пропаривания следующее:
лучшие результаты достигаются при 85 °С. Повышение температуры
пропаривания до 95 °С эффективно только для цемента на основе низкоалитового клинкера. При температуре 85…90 °С оптимальная длительность пропаривания исчисляется 6…8 ч. Увеличение прочности
цементного камня при увеличении длительности ТВО до 14 ч наблюдается только при снижении температуры пропаривания до 75 °С.
Высокая эффективность пропаривания и интенсивность роста
прочности после ТВО бетонов на основе цементов с большим содержанием шлаков позволяет на основе этих цементов получать бетоны, равнопрочные бетонам на бездобавочных цементах, значительно сократив
при этом расход дефицитного клинкера. Экономия клинкера особенно
хорошо прослеживается, если в качестве критерия эффективности ввода шлака в цемент принять относительный расход клинкера на приготовление бетона одинаковой марки:
Q = Ц (100 – % шлака) / Цбд, (34)
где Ц ― расход цемента с добавками, кг/м3;
Цбд ― расход бездобавочного цемента, кг/м3.
Удельный расход клинкера снижается примерно на количество
введенного шлака. При длительном пропаривании создаются благоприятные условия для использования шлакопортландцемента, преимущества которого остаются очевидными, если даже расход пара увеличится
на 100 кг/м3 (9 кг усл. топлива) ― так как расход условного топлива на
его производство на 97…117 кг меньше, чем на производство бездобавочного цемента той же марки (табл. 26). Для сборного железобетона необходимо, чтобы его активность при пропаривании была не менее 25 МПа. Такие цементы при удлиненных режимах пропаривания
могут с успехом применяться для широкой номенклатуры изделий наравне с портландцементами с минеральными добавками, особенно когда нормальная густота вяжущего не превышает 28 %.
93
Стойкость ШПЦ при воздействии мягких и сульфатных вод. Зна-
Марка
Составляющие
расхода на
производство бетона
Относительный расход
цемента, клинкера и топлива
(%) на 1 м3 бетона при
использовании портландце-
ментов с добавками
Расход
шлакопорт-
ландцемента
на 1 м3
бетона, %
бетона
цемента
шлака
шлака и
трепела
трепела
200
400
Цемент
120
105
106
107
Клинкер
84
89
97
59
Топливо
86
86
84
63
500
Цемент
102
104
105
107
Клинкер
87
93
98
69
Топливо
90
93
88
72
300
400
Цемент
101
105
106
106
Клинкер
83
90
98
58
Топливо
85
90
92
62
500
Цемент
103
104
107
108
Клинкер
88
91
98
71
Топливо
90
93
96
83
чительное снижение концентрации гидрата оксида кальция в жидкой
фазе твердеющего ШПЦ обусловливает его высокую стойкость к воздействию мягких и сульфатных сред. В затвердевшем цементном камне
из-за уменьшенного содержания Са(ОН)2 снижается возможность образования эттрингита при проникновении сульфатных вод, соответственно, не возникают объемные деформации, нарушающих структуру камня.
Морозостойкость. По сравнению с портландцементом морозостойкость ШПЦ ниже, причем, чем выше содержание шлака в цементе,
тем ниже его морозостойкость. Это объясняется меньшей плотностью и
повышенной водопроницаемостью бетонов на основе шлакопортландцемента. Бетоны обычно выдерживают 50―100 циклов замораживания
и оттаивания, поэтому ШПЦ не рекомендуют для изделий и конструкций, работающих в особенно суровых условиях, например, для гидротехнических сооружений.
Таблица 26
Расход цемента, клинкера и топлива на 1 м3 бетона
94
Жаростойкость. Пониженное содержание Са(ОН)2 в цементном
камне обеспечивает способность ШПЦ выдерживать воздействие повышенных температур (600…800 °С) без снижения прочности, поэтому
жаростойкость ШПЦ выше жаростойкости портландцемента.
Применение цемента. Области применения ШПЦ самые разнообразные. Его используют для изготовления бетонных и железобетонных
конструкций, для кладки, для штукатурки. Из него сооружаются массивные наземные и подводные объекты, подвергающиеся действию
агрессивных водных сред. Он отличается повышенной стойкостью в
горячих цехах предприятий. Не рекомендуется использовать ШПЦ в
конструкциях, подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию, увлажнению и высыханию.
Быстротвердеющий шлакопортландцемент. Эта разновидность
ШПЦ отличается более высокой скоростью твердения в первые сроки.
Согласно стандарту (ГОСТ 10178-75), через 3 суток прочность образцов должна быть на изгиб не менее 3,5 Мпа и при сжатии ― не менее
20 МПа. Марка ШПЦ ― 400 и 500.
Для ускорения твердения цемента используется клинкер с повышенным содержанием С3S и C3A, осуществляется более тонкий помол,
применяются ускорители твердения.
Другие разновидности шлаковых цементов. На основе доменных
гранулированных шлаков известны следующие разновидности шлаковых цементов: известково-шлаковый, сульфатно-шлаковый, шлаковый
бесклинкерный цемент, шлакощелочные вяжущие материалы.
Известково-шлаковый цемент. Это гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным помолом сухого гранулированного
шлака (10…30 %), гидратной извести и гипса (до 5 % от всей массы).
Иногда цемент получают путем перемешивания раздельно измельченных указанных материалов. Известь применяют воздушную или гидравлическую в гашеном и негашеном виде. Предпочтительнее негашеная известь-кипелка, позволяющая получать известково-шлаковый цемент высокого качества. При смешивании цемента с водой в первый
момент протекают реакции гидратации извести и гипса. Насыщенный
известково-гипсовый раствор действует на шлак как щелочносульфатный возбудитель и способствует образованию гидроалюминатов и гидросульфоалюминатов кальция. В последующем шлак начинает
самостоятельно гидратироваться с образованием гидрогеленита, силикатов и алюминатов кальция.
95
Свойства цемента. Плотность известково-шлакового цемента
составляет 2,5…2,9 г/см3 и зависит в основном от вида и содержания в
нем извести. Плотность цемента на гидратной извести пониженная.
Объемная масса в рыхлонасыпанном состоянии колеблется в пределах 800…900 кг/м3, а в уплотненном состоянии — в пределах
1200…1400 кг/м3.
Водопотребность известково-шлакового цемента несколько выше,
чем у шлакопортландцемента, и зависит, главным образом, от вида и
содержания в нем извести. Наибольшая водопотребность характерна
для цементов на гидратной извести.
Скорость схватывания для известково-шлакового цемента не нормирована. Этот цемент отличается колеблющимися сроками схватывания в зависимости от качества исходных материалов, вида извести и ее
содержания, а также от тонкости помола. Обычно начало схватывания
наступает через 2…4 ч, а конец ― через 4…8 ч. При использовании в
качестве исходного материала 20…30 % молотой негашеной извести и
шлаков с повышенным содержанием оксида алюминия происходит
иногда чрезмерно быстрое схватывание, препятствующее нормальному
использованию известково-шлакового цемента. Этот недостаток обычно уменьшается по мере постепенного гашения извести влагой воздуха
при хранении.
Прочность. Известково-шлаковый цемент по прочности разделяет-
ся на марки 50, 100, 150 и 200, устанавливаемые по результатам испытания стандартных образцов из нормального (1:3) раствора жесткой
консистенции через 7 и 28 суток твердения.
Известково-шлаковые цементы приобретают наибольшую прочность при использовании негашеной извести. Особенно это проявляется при испытании образцов из растворов пластичной консистенции.
Характерная особенность известково-шлаковых цементов — повышенная прочность при растяжении: значение отношения прочности
при растяжении к прочности при сжатии этих цементов составляет
1:8―1:9, а у портландцемента это отношение колеблется в пределах
1:12―1:16, у шлакопортландцемента и других шлаковых цементов ― в
пределах 1:9―1:12. Прочность и скорость твердения известковошлакового цемента при увеличении тонкости его помола резко возрастают.
Известково-шлаковый цемент чувствителен к внешним температурным воздействиям. При низких положительных температурах (менее 10 °С) этот цемент твердеет медленно. И наоборот, повышение
96
температуры значительно ускоряет его твердение. При тепловой обработке (электропрогреве, пропаривании при 90…95 °С, а особенно при
автоклавировании) растворы и бетоны на этом цементе через 8…10 ч
приобретают прочность, достигаемую при твердении в нормальных
условиях в течение 1―2 и даже 3 месяцев.
Прочность известково-шлакового цемента заметно снижается при
хранении его на складах в течение 2―3 недель и более. Это объясняется гашением и последующей карбонизацией молотой негашеной извести влагой и углекислотой воздуха. Прочность известково-шлакового
цемента при твердении в воздушно-сухой среде обычно ниже, чем при
твердении в воде или во влажной среде. При твердении на воздухе возможно преждевременное высыхание бетона, прекращение дальнейшей
гидратации зерен шлака и образование гидросиликатов кальция. Это
замедляет и даже преждевременно прекращает рост прочности бетонов
на известково-шлаковом цементе, особенно при использовании кремнеземистых шлаков. Иногда прочность бетонов, находящихся в воздушно-сухой среде, через 8―12 месяцев несколько снижается, что объясняется влиянием усадочных деформаций при сильном высыхании, а
возможно и разложением некоторых цементирующих новообразований
углекислотой воздуха. Это требует тщательного ухода за бетоном и
предохранения его от высыхания в течение 3―4 недель.
Равномерность изменения объема известково-шлакового цемента
зависит в основном от содержания в негашеной извести трудно гасящихся зерен. При значительном их содержании возможно неравномерное изменение объема.
Тепловыделение известково-шлакового цемента при схватывании и
твердении относительно невелико и определяется главным образом содержанием в цементе негашеной извести. Невысокая экзотермия этого
цемента благоприятствует его применению в строительстве массивных
бетонных сооружений.
При гидратации известково-шлакового цемента при обычной температуре и водотепловой обработке при 90…95 °С возникают соединения преимущественно в виде высокодисперсных гелевидных образований. Поэтому данный цемент отличается от других шлаковых цементов
повышенными показателями усадки и набухания. При твердении на
воздухе бетоны на этих цементах следует тщательно оберегать от
преждевременного высыхания.
97
Коррозионная стойкость. Низкая основность новообразований
(возникающих при твердении этого вяжущего в условиях пониженного
содержания Са(ОН)2), предопределяет его повышенную стойкость к
воздействию мягкой пресной, морской и сульфатной вод.
Сохранность стальной арматуры в бетоне на известково-шлаковом
цементе такая же, что и в бетоне на шлакопортландцементе со значительным содержанием шлака (до 60…70 %).
Морозостойкость известково-шлакового цемента, вследствие его
повышенной водопотребности, ниже, чем шлакопортландцемента. Она
достигает обычно 25―50 циклов замораживания и оттаивания. Поэтому известково-шлаковый цемент можно применять для изготовления
изделий наружных стеновых и других ограждающих конструкций, а
также тех частей гидротехнических сооружений, которые подвергаются
нечастым периодическим воздействиям замораживания и оттаивания.
Для повышения морозостойкости этого вяжущего в него вводят иногда
портландцемент (15…20 % веса смеси).
Известково-шлаковый цемент используют в строительных бетонах
и растворах низких марок для подземных и подводных конструкций.
Особенно целесообразно изготовлять из него разнообразные изделия
для жилищного и гражданского строительства на заводах, где практикуется водотепловая обработка в камерах и автоклавах. В этом случае
можно получать бетонные изделия на известково-шлаковом цементе
с прочностью при сжатии до 20…30 МПа (пропариванием при
90…100 °С). При автоклавной обработке прочность бетонов возрастает
до 40…50 МПа.
Не рекомендуется применять известково-шлаковый цемент в конструкциях, подвергающихся систематическому попеременному замораживанию и оттаиванию, увлажнению и высыханию.
Сульфатно-шлаковый цемент. Это гидравлическое вяжущее вещество, изготовляемое совместным помолом гранулированного доменного шлака и гипса или ангидрита с небольшими добавками щелочного
возбудителя его твердения.
Обычно сульфатно-шлаковый цемент содержит 80…85 % шлака,
10…15 % ангидрита или двуводного гипса, до 6 % портландцементного
клинкера или до 2 % извести.
Разновидность сульфатно-шлакового цемента получают помолом
гранулированного доменного шлака с обожженным доломитом и ангидритом или двуводным гипсом.
98
При использовании основных доменных шлаков наиболее высокая
активность характерна обычно для цементов, состоящих из 90 % шлака,
5 % ангидрита и 5 % доломита, обожженного при 800…900 °С. При
кислых доменных шлаках оптимальные составы цемента следующие:
85 % шлака, 5…8 % ангидрита и 7…8 % доломита, обожженного при
1000…1100 °С. Применение искусственно полученного ангидрита по-
зволяет получать цемент более высокой прочности. Введение доломита
вместо извести уменьшает опасность сульфоалюминатного разрушения
и дает продукт с более равномерными свойствами.
Для изготовления сульфатно-шлакового цемента целесообразнее
всего применять основные шлаки с повышенным содержанием глинозема (в пределах 10 …20 %) и пониженным ― закиси марганца (не более 3 %), а также кислые шлаки с модулем основности не менее 0,8 и
модулем активности не ниже 0,45, при содержании закиси марганца и
глинозема соответственно не более 3,5 и 20 %.
Хотя качество сульфатно-шлакового цемента зависит главным образом от свойств исходного доменного шлака и в меньшей степени от
остальных исходных компонентов (возбудителей), для активации шлаков следует применять портландцемент марок 300―500, известь 1-го
сорта и чистый однородный гипс или ангидрит.
Свойства сульфатно-шлакового цемента. Плотность от 2,9 до
3,1 г/см3. Объемная масса цемента в рыхлонасыпанном состоянии
900…1100 кг/м3, а в уплотненном ― 1500…1650 кг/м3.
Водопотребность сульфатно-шлакового цемента такая же, как и
водопотребность шлакопортландцемента, и зависит в первую очередь
от тонкости его измельчения. Однако, в отличие от портландцемента и
шлакопортландцемента, сульфатно-шлаковый цемент связывает при
гидратации значительно больше воды. Поэтому, если при использовании портландцементов увеличение водоцементного отношения сверх
0,3…0,4 приводит обычно к почти линейно выраженному падению
прочности, то при сульфатно-шлаковом цементе максимальная прочность достигается лишь при В/Ц, равном 0,5…0,65. Это свойство сульфатно-шлакового цемента позволяет изготовлять на нем пластичный
бетон без ущерба для его прочности. На сульфатно-шлаковом цементе
не рекомендуют изготовлять бетонные смеси с В/Ц меньше 0,5.
Сроки схватывания этого цемента находятся в пределах, установленных для других цементов: начало ― не ранее 30 мин, конец ― не
позднее 12 ч. Сроки схватывания сульфатно-шлакового цемента с увели-
99
чением тонкости его помола значительно уменьшаются. Начало схватывания цемента, размолотого до удельной поверхности 500 м2/кг, ― через
20 мин, конец ― через 95 мин. При прочих равных условиях сульфатно-шлаковый цемент на основном шлаке схватывается несколько быстрее, чем на кислом.
Небольшие добавки хлористого или сернокислого кальция не
влияют на сроки схватывания и твердения сульфатно-шлакового цемента, добавки солей магния замедляют их.
Прочность. По СНиП 1-В.2-62 сульфатно-шлаковый цемент по пределу прочности при сжатии в возрасте 28 суток делится на две марки:
300 и 400. Марку сульфатно-шлакового цемента определяют испытанием
образцов стандартного изготовления из раствора состава 1:3 (по массе).
Сульфатно-шлаковый цемент наиболее интенсивно твердеет при
температуре 20…30 °С. При низких положительных температурах окружающей среды (ниже 10 °С) рост прочности значительно замедляется, а иногда и прекращается.
При температуре более 40 °С, как и при запаривании под давлением или пропаривании при 80 °С и более, сульфатно-шлаковый цемент
приобретает невысокую прочность.
Специфический характер твердения сульфатно-шлакового цемента
и опасность гипсового набухания при повышенном содержании портландцемента или извести полностью исключает возможность его смешивания с другими цементами и известью.
Равномерность изменения объема при твердении сульфатношлакового цемента, как и других шлаковых цементов, находится в допустимых пределах. При чрезмерном количестве вводимой извести,
особенно при малоактивном шлаке, изменение (увеличение) объема
будет неравномерным. Предполагают, что явление это обусловлено переходом низкосульфатной формы сульфоалюмината кальция с течением времени при высокой концентрации Са(ОН)2 в растворе в устойчивую высокосульфатную форму с увеличением объема. Поэтому, для
того чтобы получить вяжущее с равномерным изменением объема,
нужно тщательно устанавливать оптимальное содержание извести в
зависимости от качества доменного шлака.
Возникающий при гидратации сульфатно-шлакового цемента гидросульфоалюминат кальция образуется с некоторым увеличением объема. Это недостаточно для разрушения цементного камня, но способствует, однако, полной или частичной компенсации сокращения объема
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]