Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология портландцемента и его разновидностей. Учебное пособие
.pdf
6) тип V ― композиционный цемент, содержащий в качестве основных компонентов портландцементный клинкер и смесь шлака и
пуццоланы и/или золы-уноса в количестве от 22 % до 60 %.
Плотность цемента составляет 3000…3200 кг/м3. Насыпная масса в
рыхлом состоянии ― 1220 кг/м3, в уплотненном состоянии ― 1780 кг/м3.
Угол естественного откоса ― ψ = 41…42°.
Водопотребность и нормальная густота теста. Водопотребность ― это количество воды, которое необходимо ввести в цемент
для получения теста определенной консистенции (нормальной густоты). Нормальной густотой цементного теста называется консистенция,
при которой пестик Тетмайера погружается в него на определенную,
нормированную стандартом глубину. Для портландцемента нормальная
густота колеблется в пределах 24…28 % в зависимости от его минералогического состава, наличия в нем минеральных активных добавок,
наполнителей, гипса и тонкости измельчения.
Сроки схватывания. Обычно размолотый клинкер при взаимодействии с водой схватывается в течение нескольких минут. Для того чтобы получить удобообрабатываемое цементное тесто (раствор или бетонную смесь), при помоле цемента вводят гипс в количестве 4…6 %,
который, связывая алюминаты и алюмоферриты в гидросульфоалюминаты кальция, замедляет процесс схватывания и выступает в качестве
регулятора схватывания. Сроки схватывания имеют два показателя:
начало (время, прошедшее после затворения цемента водой до начала
потери пластичности цементного теста нормальной густоты) и конец
схватывания (время, прошедшее от момента затворения цемента водой до полной потери пластичности теста). Согласно действующему
стандарту, начало схватывания должно наступать не ранее 45 мин,
конец
правило, для всех цементов ― не позднее 10 ч с момента смешения цемента с водой.
шение, температура, тонкость помола цемента. Для регулирования периода схватывания (ускорения или замедления) применяют различные
химические соединения.
сульфат кальция, карбонат натрия и др.
хар и т.д.
схватывания по ГОСТ 30515-2013 не регламентируется, но, как
На скорость схватывания цементов влияют: водоцементное отно-
Ускорители схватывания: хлорид и нитрат кальция, полуводный
Замедлители: фосфаты, бораты натрия, уксуснокислый натрий, са-
31
Ложное схватывание. Иногда при замешивании цемента водой наблюдается мгновенное схватывание цементного теста, но при последующем перемешивании вновь образуется тесто нормальной пластичности с обычными для данного цемента сроками схватывания. Ложному схватыванию способствует следующий фактор: нагревание цемента
при помоле, при котором происходит дегидратация гипса до полуводного сульфата кальция. Поскольку его растворимость значительно выше, чем у двуводного сульфата кальция, на цементных зернах быстро
образуется гипсо-эттрингитовая структура, приводящая к потере пластичности теста и фиксируемая как схватывание цемента. Предотвратить явление ложного схватывания можно охлаждением корпуса мельницы, в которой измельчается цемент, или регулированием аспирации
мельницы.
Прочность. По показателям прочности портландцементы подраз-
деляются на марки (в соответствии с ГОСТ 10178-85) и классы прочности (в соответствии с ГОСТ 31108-2003).
Марка цемента ― минимальное значение предела прочности на
сжатие при 28-суточном сроке твердения в воде стандартных образцовбалочек, изготовленных и испытанных в соответствии с нормативными
документами; выражается в кгс/см2.
Цементы подразделяют на марки: 300, 400, 500, 550, 600. При этом
цементы М300 и М400 считаются рядовыми, портландцемент марки
500 ― цементом с повышенной прочностью, цементы М550 и М600 ―
высокопрочными.
Класс прочности ― условное обозначение одного из значений па-
раметрического ряда по прочности в 28-суточном сроке твердения образцов, изготовленных с использованием полифракционного песка и
испытанных в соответствии с нормативными документами; выражается
в МПа.
Цементы имеют следующие классы прочности: 22,5; 32,5; 42,5 и 52,5.
Для характеристики того или иного цемента (или для сравнения
нескольких цементов) также используют понятие активность цемента.
Активность цемента ― фактическая прочность на сжатие образцов
из стандартного цементного раствора, изготовленных и испытанных в
стандартных условиях, установленных нормативным документом.
Прочность цементного камня зависит от многих факторов: минера-
логического состава, тонкости помола, водоцементного отношения,
температурных условий, длительности твердения и других факторов.
32
Прочность цемента тем выше, чем больше в нем С3S (рис. 3). Однако его превышение 65 % не приводит к существенному повышению
прочности, поскольку при его гидратации наряду с гидросиликатами
кальция образуется Са(ОН)2, прочность которого на порядок ниже
прочности гидросиликатов кальция.
Рис. 3. Прочность цементного камня в зависимости
от содержания C3S в цементе
Трехкальциевый алюминат (С3А) как быстро гидратирующийся
минерал обеспечивает высокую начальную прочность (рис. 4), но при
длительном твердении рост прочности цементного камня не наблюдается из-за перекристаллизации гексагональных гидроалюминатов в кубическую форму.
Алюмоферриты кальция не играют решающей роли в формировании начальной прочности, но в отдаленные сроки продукты их гидратации способствуют упрочнению цементного камня. Сульфат кальция,
введенный в систему в оптимальном количестве, способствует увели-
33
чению как начальной, так и конечной (марочной) прочности цементного камня. Такое влияние СаSO4 связывают с ускорением в его присутствии гидратации С3S, образованием эттрингита и вхождением части
Al2O3 и SO
2–
в состав тоберморитоподобных гелей гидросиликатов
4
кальция (СSH).
На каждом цементном заводе в результате статистической обработки многолетних результатов испытаний цемента и сопоставления
его прочности с минералогическим составом установлены нормативы
по минералогическому составу клинкера для той или иной марки (класса прочности) цемента.
Рис. 4. Прочность цементного камня в зависимости
от содержания С3А в цементе
Влияние гранулометрического состава цемента сводится к следующему: чем тоньше измельчен цемент, тем интенсивнее он гидратируется и твердеет. Так, образцы из цемента с частицами размером 0…5 мкм
уже через 24 ч достигают прочности, составляющей 75…80 % от мак-
34
симальной. Чем грубее фракция, тем медленнее твердеет цементный
Минералы
Прочность при сжатии, МПа
при 20 °С
после пропаривания при 80 °С
28 сут
180 сут
3 ч
28 сут
С3S
46,6
51,2
19,8
40,9
С2S
4,2
19,3
1,9
15,4
С3А
12,4 0 0 0 C4AF
38,4
49,3
44
54,6
камень и тем позднее он достигает высокой прочности. Тонкость помола цемента обычно определяется по остатку на сите № 008 или по величине удельной поверхности. Кривая зависимости марочной прочности
цемента от его удельной поверхности имеет экстремум, чаще всего приходящийся на значения удельной поверхности в пределах 250…350 м2/кг.
Стандартом (ГОСТ 10178-85) регламентируется тонкость помола портландцемента. Она характеризуется остатком на сите № 008, который не
должен превышать 15 %. Фактически средние величины остатка на
указанном сите на цементных заводах страны составляют 8…10 %.
Температура оказывает большое влияние на твердение портландцемента и его разновидностей. При 5…8 °С происходит замедление, а
при 0° полностью прекращается твердение цементного камня. Повышение температуры сопровождается ускорением твердения по сравнению с обычной (20 °С) температурой. Резкое ускорение процессов гидратации и твердения наступает при 70…100 °С. Благоприятное влияние
повышенных температур на скорость твердения послужило основой
разработки и применения тепловлажностной обработки бетонов на основе цементов. Исследованиями влияния температуры на интенсивность роста прочности цементного камня установлено, что наиболее
интенсивно твердеют при тепловлажностной обработке минералы С3S
и C4AF (табл. 2).
Таблица 2
Прочность образцов из клинкерных минералов
Портландцементы по отношению к пропариванию (в соответствии
с ГОСТ 10178-85) подразделяются на группы (табл. 3).
Тепловыделение. Реакции гидратации цементных минералов являются экзотермическими, и взаимодействие с водой сопровождается выделением теплоты (табл. 4).
35
Тепловыделение различных портландцементов колеблется в широ-
Группа
цемента
Вид цемента
К
п
(отношение прочности после
пропаривания к марочной
прочности цемента)
1
Высокоэффективные
0,68
2
Среднеэффективные
0,57…0,67
3
Низкоэффективные
0,56 и менее
Минерал
Сроки твердения, сут
Полная
гидратация
3 7 28
90
180
С3S
405
460
487
520
567
670
С2S
63
105
168
197
230
350
С3А
590
660
873
930
1030
1060
C4AF
176
250
376
415
500
570
ких пределах в зависимости от их минералогического состава и тонкости измельчения. Тепловыделение при твердении имеет большое значение. В частности, в процессе изготовления обычных конструкций при
пониженных температурах тепловыделение играет положительную
роль. И наоборот, при возведении массивных сооружений, например,
гидротехнических, тепловыделение приводит к нагреванию их до 50 °С
и более. Возникает перепад температуры в наружных и внутренних зонах бетона, что сопровождается появлением напряжений в поверхностных слоях и образованием трещин. Это уменьшает несущую способность и долговечность сооружений.
Таблица 3
Классификация цементов по эффективности при пропаривании
Таблица 4
Теплота гидратации клинкерных минералов (Дж/г)
Усадка и набухание. При твердении в среде с относительной влажностью, ниже достигаемой при полном насыщении, цементный камень
теряет содержащуюся в нем влагу. Испарение влаги будет продолжаться до того момента, когда установится равновесие между содержанием влаги в образце и в окружающей среде. Вместе с высыханием
образца в нем развиваются большие силы сжатия, обусловливающие
уменьшение объема и усадку. Объемные и линейные деформации со-
36
провождаются напряжениями в материале, которые становятся выше
предела его прочности при растяжении и вызывают образование микро- и макротрещин.
Помещение образца с пониженной влажностью в среду с более высокой влажностью сопровождается увеличением водосодержания образца, увеличением его объема, т.е. набуханием. Рассматриваемые деформации обусловлены физическими факторами в отличие от химической усадки (контракции). Схематически явления усадки и набухания
цементного камня представлены на рис. 5.
На показатели усадки цементного камня влияют многие факторы:
состав и дисперсность цемента, водоцементное отношение. Усадка цементного камня в зависимости от свойств исходных цементов и водоцементного фактора колеблется в пределах 3…5 мм/м. Цементный камень при длительном твердении в воде набухает. Величина набухания
тем больше, чем меньше водоцементное отношение при изготовлении
образцов. Через несколько лет набухание обычно прекращается.
Рис. 5. Набухание и усадка цементных образцов при их твердении в воде
и в воздушной среде с различной относительной влажностью (W = 25…99 %)
37
Ползучесть. Ползучестью цементного камня называется его свойство деформироваться под влиянием длительно действующих в них
напряжений, возникающих при действии внешней нагрузки. Она зависит от многих факторов: прочности в момент нагружения, наличия гелевой составляющей при гидратации и твердении цементного камня,
продолжительности его твердения. Проявление ползучести (осадка
зданий, фундаментов под оборудованием и т.д.) полностью исчезает
через 1,5…2 г с момента нагружения изделия.
Морозостойкость. Способность цементного камня (бетона) сопротивляться попеременному замораживанию и оттаиванию при насыщении его пресной или морской водой называется морозостойкостью. Для
сооружений, работающих в зоне переменного уровня (приливная зона),
это свойство цементного камня является одним из основных требований. Вода, находящаяся в порах и капиллярах бетонного камня, при
понижении температуры окружающего воздуха замерзает, образуя кристаллы льда, которые при дальнейшем понижении температуры расширяются, создавая давление на стенки капилляров, вызывая в затвердевшем бетоне опасные напряжения, расклинивая в нем трещины и капилляры, нарушая контакт между твердеющим цементом и заполнителями.
При оттаивании системы вода глубже проникает во вновь образовавшиеся пустоты, разрушая при следующем замораживании новые связи
в бетонном монолите.
Морозостойкость бетонов оценивается циклами замораживанияоттаивания. В зависимости от назначения и климатических условий,
для большого количества сооружений требуется укладка бетонного монолита, обладающего морозостойкостью 100―150 циклов и более. Морозостойкость бетона можно повысить введением в него воздухововлекающих добавок в количестве 0,05…0,2 % от массы цемента. Действие
добавок объясняется увеличением в бетонной массе замкнутых воздушных пузырьков, которые при возникновении напряжений в бетонном теле будут действовать как амортизаторы, смягчая их вредное действие на затвердевший бетонный монолит. При введении воздухововлекающих добавок несколько уменьшается плотность и немного снижается прочность бетона.
Жаростойкость. В связи с тем, что основными составляющими
цементного камня являются гидратные новообразования, разлагающиеся под воздействием высоких температур (дегидратация Са(ОН)2
начинается при температуре 450 °С, продуктом разложения гидроксида
кальция является СаО), последующее взаимодействие изделия с водой
38
из-за гидратации СаО приводит к разрушению цементного камня.
Стойкость затвердевших растворов и бетонов на основе портландцемента к воздействию высоких температур можно значительно повысить
введением в его состав тонкомолотой добавки в виде огнеупорной глины, шамота или других материалов, способных к взаимодействию с
СаО. Подбирая жаростойкий заполнитель, можно получать жаростойкий бетон, способный выдерживать температуру 1250 °С и выше.
39
2. РАЗНОВИДНОСТИ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА
2.1. БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИЕ
И ВЫСОКОПРОЧНЫЕ ЦЕМЕНТЫ
В начале 1950-х гг. резкое развитие промышленности сборного железобетона потребовало создание быстротвердеющих цементов, главным отличием которых от обычного портландцемента являлась повышенная прочность цементного камня через 3 суток твердения. Организация производства таких цементов на многих заводах цементной промышленности позволила снизить в строительной индустрии трудоемкость возведения зданий и конструкций, сократить сроки строительства. Объемы производства сборного железобетона быстро возросли. За
10 лет к 1965 г. выпуск изделий заводского изготовления на предприятиях сборного железобетона вырос в 20 раз в сравнении с 1955 г. Снова была поставлена задача снижения материалоемкости при производстве железобетонных конструкций: снижение расхода цемента при сохранении их повышенной прочности. Для этого потребовались особо-
быстротвердеющие (ОБТЦ) и высокопрочные цементы (ВПЦ).
Быстротвердеющие, особобыстротвердеющие и высокопрочные
цементы получают путем совместного тонкого измельчения портландцементного клинкера и гипса. При помоле быстротвердеющего портландцемента допускается введение активных минеральных добавок (не
больше 10 % от веса цемента). Поскольку при введении активной минеральной добавки прочность цемента в первые сроки снижается, ее
количество в составе ОБТЦ ограничено 5…8 %, а при получении ВПЦ
введение добавок не предусматривается. В отдельных случаях при высокой активности клинкера допускается введение высокоактивного
природного трепела в количестве до 5 % от массы цемента. Количество
гипса, вводимого при помоле цементов для регулирования сроков схватывания, оценивают по содержанию серного ангидрида (SO3) в цементе. Содержание гипса зависит от фазового состава клинкера и дисперсности цемента. Содержание ангидрида серной кислоты (SO3) в
цементе ― не менее 1,5 % и не более 3,5 % (для БТЦ) и не более 4 %
(для ОБТЦ и ВПЦ).
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]