1.9. Глиноземистые цементы

Глиноземистые цементы – это сверхбыстротвердеющие гидравлические вяжущие вещества, являющиеся продуктами помола обожженной до плавления или спекания сырьевой смеси, составленной из бокситов (Al₂O₃·nH₂O) и известняков (CaCO₃). В зависимости от со­держания Al₂O₃глиноземистые цементы подразделяются на: обычный глиноземистый цемент (ГЦ) с содержанием Al₂O₃ не менее 35 % и высокоглиноземистые (ВГЦ), в которых содержание Al₂O₃ должно быть не менее: для вида ВГЦ I – 60, ВГЦ II – 70 и ВГЦ III – 80 %.

Минералогический составглиноземистых цементов характеризуется преобладанием низкоосновных алюминатов кальция, главным образом однокальциевого алюмината СаО·Al₂O₃(СА).

Получение ГЦвозможно либо плавлени­ем либо спеканием сырьевых смесей. В России ГЦ производится в основном путем бокситной плавки чугуна в доменной печи.

При получении глиноземистого клинкера и чугуна в домен­ной печи сырьевая смесь составляется из железистого боксита, известняка, металлического лома и кокса. Шлак и чугун образуют в печи два слоя и удаляются из нее раздельно. Температура удаляемого шлака составляет 1600…1700 °С. Количество выходящего из доменной печи чугуна примерно равно количеству получающегося цемента.

Помол клинкера ГЦ требует высокого расхода электроэнергии из-за высокой твер­дости (7,0…7,5 по шкале Мооса).

Твердение.Однокальциевый алюминат схватывается медленно, но твердеет очень быстро. В процессе гидратацииCAиз пересыщенного раствора выкристаллизовывается гидроалюминат кальция СаО·Al₂O₃·10Н₂О, с течением времени переходящий в пластинчатые кристаллы С₂АН₈и гельAl(OH)₃. Одновременно из раствора кристалли­зуются С₂АН₈, С₄АН₁₂, С₃АН₁₂.

Свойства ГЦ.Плотность (2,8…3,2 г/см³), водопотребность (23…28 %) и сроки схватывания ГЦ имеют близкие к ПЦ значения. Отличительной особенностью ГЦ и ВГЦ является очень быстрое нарастание прочности при твердении. Уже к суточному возрасту прочность изделий из ГЦ составляет 50…90 % от марочной. ГЦ выпускается трех марок: 40, 50 и 60, а ВГЦ – марок 25 и 35. Марка показывает нижний предел прочности при сжатии в МПа при стандартном испытании в возрасте 3 суток. Стойкость ГЦ в сульфатных и пресных водах выше, чем ПЦ и других вяжущих веществ, причиной чего считают образование на кристаллах гидроалюминатов кальция защитной пленки из А1(ОН)₃и отсутствие в цементном камне свободнойCa(OH)₂. ГЦ характеризуется значительным тепловыделением при твердении, причем теплота выделяется с высокой скоростью, что препятствует использованию глиноземистого цемента для бетона массивных сооружений. Бетоны на ГЦ имеют высокую морозостойкость и жаростойкость.

Применение ГЦ ограничивается его стоимостью, которая в 3…4 раза выше, чем ПЦ. Он применяется в тех случаях, когда необходимы его специфические свойства, например, при проведении аварийных и срочных работ, для тампонирования нефтяных и газовых скважин, получения огнеупорного бетона. Используется ГЦ также в составе смешанных вяжущих веществ.

1.10. Расширяющиеся цементы

1.10.1. Общие сведения.Многие вяжущие вещества при твердении дают усадку. Этого недостатка можно избежать применением расширяющихся цементов, которых насчитывается более 50 разновидностей. В большинстве случаев расширение при твердении цементного камня связано с образованиемгидросульфоалюмината каль­ция(ГСАК), объем которого значительно превышает объем исходных твердых продуктов реакции. Образование ГСАК происходит в системе, содержащей алюминаты кальция (соединения с общей формулойnCaO·mAl₂O₃) иCaSO₄в присутствии воды. Такие вещества содержатся в частности в портландцементе. При гидратации портландцемента ГСАК образуется по реакции:

3CaO·Al₂O₃·6H₂O+3(CaSO₄·2H₂O)+19H₂O→3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·31H₂O.

Количества ГСАК в обычном ПЦ недостаточно для расширения. Чтобы его получить нужно к ПЦ добавить расширяющую добавку, включающую недостающие компоненты (кальциевый – CaO, алюминатный –Al₂O₃ и сульфатный –CaSO₄) в нужном количестве и соотношении. Расширяющую добавку получают различными способами. В качестве вещества, содержащегоCaSO₄, обычно берут природный гипс, ангидрит или побочные продукты некоторых производств. Алюминаты кальция, входят в состав глиноземистого цемента или его клинкера (глиноземистого шлака). Их получают также путем плавления или спекания боксита и мела. Путем обжига смеси из трех составляющих – боксита, мела и гипса получают продукт, состоящий из сульфоалюмината кальция 3CaO·3Al₂O₃·CaSO₄. На его основе можно создавать как расширяющую добавку, так и расширяющийся цемент.

Большинство расширяющихся цементов производятся на базе портландцемента и глиноземистого цемента путем введения добавок, которые либо размалываются отдельно и перемешиваются с готовым цементом, либо размалываются совместно с клинкером. Реже добавки вводятся в сырьевую смесь с целью получения клинкера расширяющегося цемента.

В зависимости от степени расширения цементы подразделяют на безусадочные, расширяющиесяинапрягающие. Последние обладают самой большой энергией расширения и способны натягивать арматуру для создания предварительного напряжения в бетоне.

1.10.2. Гипсоглиноземистый цемент (ГГЦ)– является быстротвердеющим гидравлическим вяжущим, получаемым путем совмест­ного помола или смешения высокоглиноземистого шлака (70 %) и природ­ного двуводного гипса (30 %). Расширение образ­цов из ГГЦ наблюдается при твердении в воде. В воздушных условиях происходит усадка. Расширение заканчивается через 1…3 суток твердения. Относительное удлинение через 3 суток составляет 0…0,7 %.

1.10.3. Расширяющийся портландцемент (РЦ)– является гидравлическим вя­жущим веществом, получаемым путем совместного помола портландцементного клинкера (60…65 %), высокоглиноземистого шлака (5…7 %), двуводного гипса (7…10 %) и актив­ной минеральной добавки (20…25 %). Гидравли­ческая добавка связываетCa(OH)₂, выделяющую­ся при гидратации C₃S, и ускоряет растворение алюминатов кальция и образование ГСАК.

1.10.4. Напрягающий цемент (НЦ)– предназначен для изготовления специаль­ных железобетонных изделий, арматура которых напряжена в не­скольких направлениях. Силы, вызывающие напряжение армату­ры, возникают при расширении цементного камня. Это явление по­лучило название самонапряжения, а железобетон – название само­напряженного. Напрягающий цемент представляет собою тонкомолотую смесь, состоящую из 65 % портландцементного клинкера, 20 % гли­ноземистого шлака и 15 % гипса. Величи­на давления, развиваемого образцами из напрягающего цемента при твердении, достигает 9…10 МПа.

__________________

1 Активностью цемента называют предел прочности при сжатии стандартных образцов-балочек.

2 В обозначения конкретного цемента указываются и другие характеристики, например, ПЦ 400-Д20-Б.

34