Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология портландцемента и его разновидностей. Учебное пособие
.pdf
твердеющего на воздухе цемента вследствие усадки. Поэтому сульфатно-шлаковым цементам часто свойственно отсутствие усадки или даже
незначительное объемное расширение при твердении.
При твердении в водной среде сульфатно-шлаковый цемент набухает сильнее, чем портландцемент, что благоприятствует его применению в массивном бетоне и уменьшает опасность образования трещин в
конструкциях.
Тепловыделение при твердении сульфатно-шлакового цемента по-
ниженное. Через 7 суток теплота гидратации этого цемента составляет
около 40…45 ккал/кг, а к 28 суткам ― 45…50 ккал/кг.
Коррозионная стойкость. Сульфатно-шлаковый цемент отличает-
ся от портландцемента и шлакопортландцемента повышенной стойкостью к воздействию мягких и сульфатных вод. Это объясняют тем, что
в процессе его твердения не выделяется гидрат окиси кальция, а продукты его гидратации — сульфоалюминат кальция и низко основные
гидросиликаты и гидроалюминаты кальция — более стойки, чем продукты гидратации портландцемента, шлакопортландцемента и других
шлаковых вяжущих.
Бетоны на сульфатно-шлаковом цементе ведут себя удовлетворительно в контакте с насыщенным гипсовым раствором, сильно сульфатированными грунтовыми водами, в искусственной и природной морской воде.
Имеются также сведения о повышенной стойкости бетонов на
сульфатно-шлаковом цементе к действию молочной кислоты, льняного
масла, серной кислоты при концентрации ее до 0,5…0,7 %, водных растворов сульфатов магния и алюминия до 2 % и, наконец, раствора
сульфата аммония до 0,5 %.
В бетонах на сульфатно-шлаковых цементах, не подвергающихся
увлажнению, коррозия арматуры не развивается. При работе бетонов в
условиях повышенной влажности арматура ржавеет. Последнее объясняют обычно разрушающим действием сульфатных ионов на защитные
оксидные пленки на поверхности стали при пониженной концентрации
гидроксильных ионов в водном растворе, находящемся в порах цементного камня. Поэтому при изготовлении железобетонных конструкций на этом цементе следует применять меры по защите стали в бетонах, используемых во влажных условиях.
Сульфатно-шлаковый цемент можно применять при возведении наземных сооружений, но в этом случае необходимо предохранять бетон
от преждевременного высыхания в течение первых 2―3 недель тверде-
101
ния, иначе его поверхностный слой становится хрупким и непрочным.
При длительном хранении на воздухе прочность сульфатно-шлакового
цемента, как и других шлаковых цементов, заметно снижается.
Наибольший эффект дает применение сульфатно-шлакового цемента при возведении массивных бетонных и железобетонных подземных и подводных сооружений, особенно подверженных действию агрессивных вод и выщелачиванию.
102
4. ПУЦЦОЛАНОВЫЙ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ
Природные добавки
Искусственные добавки
вулканические
осадочные
Пеплы
Диатомиты
Обожженные глинистые материалы
Пуццоланы
Трепелы
Активные кремнеземистые отходы
Туфы
Опоки
Горелые породы
Трассы
Глиежи
Золы и топливные шлаки
Пемзы ― Зола-унос
Пуццолановым портландцементом называют гидравлическое
вяжущее вещество, получаемое путем совместного помола портландцементного клинкера с активной минеральной добавкой и гипса, твердеющее в воде или во влажных условиях.
Активные минеральные добавки. Активные минеральные добавки
разделяют на природные и искусственные вещества (табл. 27).
Таблица 27
Разновидности минеральных добавок
Все указанные выше добавки, будучи введенными в состав портландцемента, способны вступать в химическое взаимодействие с гидроксидом кальция при гидратации цемента с образованием гидросиликатов или гидроалюминатов (ферритов) кальция. Поэтому они получили название активных минеральных добавок, а реакция взаимодействия
их с Са(ОН)2 ― реакцией пуццоланизации.
Добавками вулканического происхождения являются вулканические пеплы, туфы, трассы, пемзы, представляющие собой мельчайшие
обломочные частицы, выпадающие на землю в период извержения вулканов. Они в основном состоят из вулканического стекла, различающиеся по структуре, пористости и плотности. Их активность зависит от
химического состава (табл. 28) и скорости охлаждения породы при ее
образовании. Степень связывания гидроксида кальция зависит от количества стекловидной составляющей породы.
103
К добавкам вулканического происхождения относятся также цео-
Добавки
SiO2 Al2O3 Fe2O
3
CaO+
MgO
R2O
Активность,
мг, СаО/г
Вулканические:
– трасс
– пепел
– пемза
71,4
70,4
66,5
11,1
12,1
15,0
5,7
1,7
2,7
2,8
5,3
2,3
3,9
3,2
2,3
120
74
53
Осадочные:
– трепел
– опока
– диатомит
83,1
81,7
84,3
8,2
7,3
5,4
2,7
4,0
3,0
2,5
2,2
1,1
―
2,1
1,2
371
342
272
Искусственные:
– сиштоф
– глинит
– микрокремнезем
79
69
88,1
3,7
14,4
1,8
3,7
7,9
4,0
―
4,3
4,3
―
1,3
0,1
380
75
360
Золы от сжигания углей:
– бурый уголь
– торф
– сланцы
45
40
45
32
11
22
11
10
22
5
25
30
―
―
4
75
75
50
литизированные породы, содержащие преимущественно цеолиты.
К добавкам осадочного происхождения относятся диатомит, тре-
пел, опока, глиежи.
Таблица 28
Химический состав и активность минеральных добавок, %
Все эти породы состоят из мельчайших частичек опала и различаются по структуре, пористости и плотности. Меньшей плотностью обладают диатомиты и трепелы. При взбалтывании с водой они легко
распускаются, образуя «молоко». Опока является более плотным материалом, состоящим из мельчайших частиц округлых телец аморфного
кремнезема. Глиежи ― обожженные глинистые породы, образовавшиеся в результате пожаров в угольных пластах.
К искусственным добавкам относят: активные кремнеземистые отходы; обожженные глины (глинит, цемянка, горелые породы); топливные золы и шлаки.
104
Кремнеземистые отходы получаются при производстве сернокислого алюминия из глины (сиштоф). При переработке дегидратированной огнеупорной глины серной кислотой глинозем переходит в раствор, а кремнезем в виде твердого вещества используется в качестве
минеральной активной добавки при производстве цемента.
Глинит, цемянка, горелая порода представляют собой обожженную
глину, активность которой зависит от количественного содержания в
ней каолинита и температуры ее обжига (рис. 13).
Рис. 13. Зависимость активности обожженной
глины от температуры обжига
Для получения высококачественной добавки необходимо брать
глину с достаточно высоким содержанием каолинита Al2O3 • 2SiO2 •
2H2O (Al2O3 не менее 15 %) и обжигать ее при температуре в пределах
600…800 °С (табл. 29).
105
Таблица 29
Наименование
показателей
Единица
измерения
Требования
стандарта
Термообработанная
глина при Т °С
600
800
1000
Содержание Са(ОН)2
ниже состояния насыщения
ммоль/г
не менее 0,5
2,5
3,5
0,3
СаО, поглощенное
добавкой из насыщенного раствора Са(ОН)2
мг/г
50
75
83
10
Конец схватывания
сут
не более 7
3 2 10
Водостойкость
сут
не менее 3
5 7 1
Характеристика обожженной глины
Для большинства глин эта температура является оптимальной, с
понижением или повышением активность ее добавки снижается.
Микрокремнезем ― отход производства ферросилиция, представляет собой аморфный кремнезем с размером частиц 0,25 мкм и менее.
Высокая дисперсность (удельная поверхность составляет 20…25 м2/г)
обусловлена осаждением аморфного кремнезема из газовой фазы в
процессе производства ферросилиция, силикомарганца и других сплавов кремния. Поэтому за рубежом микрокремнезем называют силикатной пылью (silica fume). Микрокремнезем активно взаимодействует с
гидроксидом кальция, выделяющегося при гидратации портландцемента, с образованием низкоосновного гидросиликата кальция. Высокая
пуццолановая активность, удельная поверхность микрокремнезема оказывает положительное влияние на процессы гидратации портландцемента, а именно: интенсифицирует процесс гидратации и способствует
синтезу низкоосновных гидросиликатных фаз с высокой степенью полимеризации кремнекислородных ионов; модифицирует морфологию
гидратных фаз; упрочняет и уплотняет контактную зону цемента с заполнителем, способствуя уплотнению цементного камня в целом, тормозя диффузию агрессивных ионов и тем самым обеспечивая коррозионную стойкость затвердевшего цемента.
Зола. Минеральная часть золы твердого топлива близка по хими-
ческому составу к глинам. Среди добавок этой группы наибольшее
значение имеет зола-унос, получающаяся при сжигании твердого топ-
106
лива в пылевидном состоянии и улавливаемая из топочных газов элек-
Показатели
Нормы для добавок
Методы испытаний
по ГОСТ 25094
природных
техногенных
Конец схватывания теста
от начала затворения,
сутки, не позднее
7,0
7,0
п. 2.1
Водостойкость образца,
сутки, не менее
3,0
3,0
п. 2.2
Прочность образцов после
пропаривания, МПа:
– при изгибе, не менее
– при сжатии, не менее
―
―
1,0
3,0
п. 2.3
Содержание Са(ОН)2 в
жидкой фазе, находящейся в контакте с цементом,
должно быть ниже состояния насыщения на
величину, ммоль/л, не
менее
0,5 ― п. 2.4
трофильтрами и другими устройствами. Активность золы-уноса невелика и проявляется обычно в поздние сроки твердения цемента. Кроме
золы-уноса известные топливные шлаки (продукт грануляции расплава,
выдаваемого из энергетических топок с жидким шлакоудалением, а
также золошлаковые смеси) ― полидисперсная масса из отвалов тепловых электростанций.
Оценка активности минеральных добавок. Наиболее простым
методом оценки активности добавки является метод определения поглощения извести в мг СаО на 1 г добавки из насыщенного раствора
Са(ОН)2 за 30 суток. ТУ 21-26-11-90 «Добавки для цементов. Активные
минеральные добавки. Технические условия» предусматривает следующие показатели, приведенные в табл. 30.
Таблица 30
Нормативные показатели минеральных добавок к цементу
Производство пуццоланового портландцемента по наиболее распространенному способу ― совместному помолу ― отличается от производства портландцемента тем, что клинкер, выходящий из печи, раз-
107
малывается в трубной мельнице вместе с активной минеральной добавкой и гипсом. До помола добавку дробят и сушат в сушильном барабане, гипс же только дробят. Весовое содержание добавок зависит от их
состава и свойств.
Содержание добавок осадочного происхождения составляет
20…30 %, добавок вулканического происхождения, обожженной глины, глиежа, топливной золы ― 25…40 %. Оптимальное соотношение
между портландцементным клинкером и активной минеральной добавкой зависит также и от минералогического состава клинкера. При помоле пуццоланового портландцемента добавляют гипс в количестве,
необходимом для регулирования сроков схватывания, однако общее
содержание SО3 в пуццолановом портландцементе не должно превышать 3,5 %.
Поскольку расходы по получению клинкера выше, чем расходы по
добыче, доставке, дроблению и сушке добавок, себестоимость пуццоланового портландцемента ниже себестоимости портландцемента. С увеличением количества вводимой добавки себестоимость этого цемента
уменьшается.
Требования стандарта к тонкости помола этого цемента такие же,
что и для портландцемента: остаток на сите № 008 не должен превышать 15 %. Однако целесообразно размалывать пуццолановый портландцемент возможно более тонко, так как при этом увеличивается поверхность взаимодействия между реагирующими компонентами, что
ведет к ускорению твердения. Весьма эффективен, особенно при использовании мягких добавок, двухступенчатый помол, при котором
вначале измельчают портландцементный клинкер с гипсом до обычной
или несколько меньшей удельной поверхности, а затем в мельницу подают активную минеральную добавку, и всю смесь измельчают до за
данной тонкости помола. При совместном помоле, когда в мельницу
одновременно загружают клинкер, добавку и гипс, добавка размалывается в первую очередь ― она оказывается измельченной более тонко,
чем портландцементный клинкер, что ухудшает свойства пуццоланового портландцемента.
Гидратация и твердение. При твердении пуццоланового портландцемента вначале взаимодействуют с водой портландцементные
частицы, образуя высокоосновные гидроалюминаты и гидроферриты
кальция. Наличие активных минеральных добавок ускоряет процесс
гидратации портландцемента. Вслед за этим гидрат оксида кальция,
двухкальциевый гидросиликат С2SH2 и активная минеральная добавка
108
вступают во взаимодействие с продуктами гидратации портландцемента. Это вызывает постепенное уменьшение концентрации Са(ОН)2 в
жидкой фазе твердеющей системы, в результате чего двухкальциевый
гидросиликат переходит в однокальциевый СSН(В), а высокоосновные
гидроалюминаты ― в менее основные. При взаимодействии гидроалюминатов и активного SiO2 возможно образование сульфатостойких гидрогранатов типа 3СаО • А12O3 • xSiO2 • (6 – 2x)Н2О, которые значительно быстрее образуются при автоклавном твердении.
Свойства пуццолановых цементов. Водопотребность пуццола-
нового портландцемента, особенно изготавливаемого на основе добавок осадочного происхождения, выше, чем водопотребность портландцемента. Введение этих добавок увеличивает количество воды, необходимое для получения цементного теста нормальной густоты, примерно
с 25 до 30…40 % и выше. Соответственно повышается и водопотребность растворной и бетонной смесей. При использовании в качестве
добавок трасса или туфа водопотребность пуццоланового портландцемента несколько меньше, но все же превышает водопотребность портландцемента. Повышенный расход воды и ряд других причин вызывают необходимость увеличивать расход пуццоланового портландцемента на 1 м3 бетона на 15…20 % по сравнению с портландцементом той
же марки.
Водоотделение пуццолановых цементов заметно уменьшается, ко-
гда применяются трепел и диатомит. В других случаях оно не отличается от показателей портландцемента.
Схватывание цемента. Стандарт предусматривает сроки схватывания для пуццоланового портландцемента такие же, как и для портландцемента: начало схватывания ― не ранее 45 мин, а конец ― не
позднее 10 ч.
Равномерность изменения объема. Пуццолановый портландцемент
должен обнаруживать равномерность изменения объема при испытании
кипячением образцов лепешек в воде.
Прочность. Марки пуццоланового портландцемента по ГОСТ
22266-76 ― 300, 400 (предел прочности при сжатии через 28 суток ―
соответственно 30, 40 МПа), а предел прочности при изгибе должен
быть не менее 4,5; 5,5 МПа. Пуццолановый портландцемент твердеет
медленнее, чем портландцемент. В первые сроки он обладает существенно меньшей прочностью, чем портландцемент. Однако в дальнейшем прочность пуццоланового цемента нарастает, причем, чем активнее добавка, тем быстрее это происходит. Объясняется это тем, что об-
109
щее количество гидросиликата кальция, образующегося в пуццолановом портландцементе, в конечном счете больше, чем в портландцементе; медленное нарастание прочности пуццоланового цемента в первые
сроки вызывается тем, что вводимая добавка как бы разбавляет цементный раствор, уменьшает количество чистого портландцемента. Но,
как только значительное количество активного кремнезема вступит во
взаимодействие с выделяющимся гидратом окиси кальция, твердение
этого цемента ускоряется, и разница в прочности пуццоланового портландцемента и портландцемента уменьшается. Поэтому раствор и бетоны на пуццолановом портландцементе должны твердеть во влажной
среде более продолжительное время, чем изделия из портландцемента.
Твердение пуццоланового портландцемента можно ускорить, применяя ряд мероприятий, в частности используя более активные добавки, клинкер с повышенным содержанием трехкальциевого силиката и
трехкальциевого алюмината, которые весьма быстро гидратируются.
Также ускоряют твердение более тонкий помол пуццоланового цемента, увеличение в известных пределах дозировки гипса, добавление хлористого кальция или некоторых других солей ― электролитов.
Коррозионная стойкость. Пуццолановые портландцементы, при
твердении которых связывается гидрат окиси кальция и образуются
менее основные гидросиликаты и гидроалюминаты кальция, чем при
твердении портландцемента, значительно более стойки к выщелачиванию пресной водой и к воздействию минерализованных сред. Для повышения сульфатостойкости пуццолановый портландцемент изготавливают из клинкера с пониженным содержанием трехкальциевого
алюмината (не более 8 %).
При взаимодействии с водой и с гидратом оксида кальция, образующемся при твердении портландцемента, отдельные зерна измельченной добавки увеличиваются в объеме (набухают). Это вызывает уплотнение раствора и бетона.
Тепловыделение. При твердении пуццоланового портландцемента
вследствие более медленного течения этого процесса выделяется
меньше тепла, чем при твердении портландцемента. Однако снижение
тепловыделения не пропорционально содержанию добавки (оно меньше), что объясняется ускорением гидратации портландцементных зерен.
Усадка и набухание пуццоланового портландцемента при твердении на воздухе и в воде выше, чем у портландцемента. Причем наибольшую усадку и набухание дают пуццолановые портландцементы на
основе добавок осадочного происхождения.
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]