4.2 Гидравлическая вяжущие вещества

Более водостойкое вяжущее получают при обжиге известняка, в котором содержится от 8 до 21% примесей глины, оксида железа, песка. Обжигая такую сырьевую смесь при 1000-1100ºС, известь соединяется с оксидами алюминия, железа и кремния, образуя силикаты, алюминаты и ферриты кальция, которые способны после обжига и помола соединяться с водой – гидратировать. Образующиеся гидраты окисей (гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция) способны набирать прочность и работать во влажной среде. Так получают гидравлическую известь. Она не гасится водой, её после обжига обязательно надо молоть до тонкости, когда частицы проходят через ячейки сита 0,08 мм не менее 85%. Полученный порошок, соединяясь с водой, образует искусственный камень, водостойкость которого с ростом количества примесей в известняке повышается. Когда примесей ближе к 20%, после обжига больше остаётся свободного СаО, тогда свойства гидравлической извести схожи со свойствами воздушной извести. Когда примесей около к 20%, проявляются гидравлические свойства – водостойкость, способность твердеть во влажных условиях. Время схватывания от – 0,5 до 16 часов. Прочность изделий достигает 10-15 МПа.

Гидравлическая известь была на службе у людей несколько столетий – до изобретения цемента. Её использовали в качестве вяжущего для каменных строений, береговых укреплений, бетонов низких марок, кладочных и штукатурных растворов.

Портландцемент. Когда потребовалась более высокая прочность отформованных изделий и большая водостойкость, подметили, что для этого надо увеличить количество глинистых минералов в известняке. Чтобы они полнее реагировали с известью, повышали температуру обжига. Первые цементы по своим свойствам мало отличались от свойств гидравлической извести, но работа продолжалась. В 1856 году был пущен в 1-й цементный завод в России, в 1881 году были опубликованы первые «Технические условия» на цемент российскими исследователями А. Р. Шуляченко, Н. А. Белелюбским, И. Г. Малюгой.

Для получения качественного портландцемента – гидравлического вяжущего – определён состав сырьевых материалов: известняка должно быть не менее 75-78%, глины – 22-25% или известняка к глине как соотношение 3:1.

Технология получения портландцемента имеет те же операции, что при получении других вяжущих: добыча горных пород – известняка и глины, их дробление, смешивание мокрым или сухим способом (в зависимости от качества сырья), однородное перемешивание и высокотемпературный обжиг. В отличие от гидравлической извести обжиг ведут до спекания, до появления жидкого расплава с последующим быстрым охлаждением, поэтому температуру обжига повышают до 1450-1500ºС. Из печи выходит полуфабрикат в гранулах, называемый цементным клинкером (искусственная полиминеральная порода). После полного остывания клинкер поступает на размол в шаровые мельницы, где превращается в тонкий порошок. При помоле в цемент добавляют 3-3,5% гипсового камня и от 5 до 20% активной минеральной добавки, которая содержит активный кремнезём (диатомиты, трепелы, шлаки, золы). Таков состав нормального или чистого портландцемента.

Если добавляют активной минеральной добавки до 40%, то получают пуццолановый цемент; если при помоле добавляют до 60% шлаков, получают шлакопортландцемент. Эти цементы называются смешанными. Можно в любой из них при помоле добавить гидрофобную или пластифицирующую добавки (органические поверхностно-активные вещества – ПАВ), тогда цемент будет гидрофобным (водоотталкивающим) или пластифицированным, т. е. лучше перемешиваться с меньшим количеством воды.

Для получения специальных видов цемента: белого, глинозёмистого, сульфатостойкого необходим подбор других сырьевых материалов, т. к. добавками основной состав не изменить.

Тонкость помола цемента – важнейшая его характеристика. Чем тоньше помол, тем мельче каждая частичка, тем она быстрее и полнее прореагирует с водой и затвердеет. Оптимальный размер частиц определяется удельной поверхностью, которая у нормального цемента должна быть от 2500 до 3000 см²/г, или цементный порошок должен пройти через сито с ячейками 0,08 мм не менее 85%. Истинная плотность цемента – 3,1 г/см³, насыпная – 1,1-1,3 г/см³.

Полученный при обжиге клинкер содержит искусственные цементные минералы: алит (по своей важности назван по первой букве алфавита), белит (назван по второй букве алфавита), целит (алюмосиликаты) и связывающее эти минералы клинкерное стекло из силикатного расплава. Образованные при высокой температуре минералы неустойчивы при нормальной температуре и легко начинают реагировать с водой, образуя гидросиликаты и гидроалюминаты кальция. Воды в цемент берут строго по расчёту так, чтобы получить тесто нормальной густоты – пластичная густая масса, определяемая по прибору Вика. Лишняя вода сформирует крупные капилляры в структуре, что снизит прочность и морозостойкость готового изделия. Растворимость цементных частичек незначительна, реакция гидратации начинается на поверхности твёрдой частички, проходит медленно, каждый минерал имеет разную скорость гидратации. Воды на реакцию цементных минералов надо всего 15-17%, а для получения раствора рабочей консистенции надо брать больше, чтобы хорошо перемешать и сделать тесто однородным. Вода создаёт капиллярную систему в формуемой массе и, чем её будет больше, тем более проницаемым будет цементный камень.

Сроки схватывания цементов не должны быть короткими: начало схватывания – не ранее 45 мин., конец – через 10-12 часов. Пластичный раствор «схватился» – это значит он превратился из вязкого состояния в твёрдое, но прочности ещё не набрал. Полученный цементный камень долго будет набирать прочность, но для этого надо создать необходимые (нормальные) условия: нормальную температуру и высокую влажность, можно положить изделия даже в воду. В таких условиях цементные минералы прореагируют с водой к 28 суткам только немногим больше 50%. Эта прочность принимается как марочная – марка цемента. Цементная промышленность выпускает цементы марок: 400, 500, 550, 600.

Маркой считают прочность при сжатии стандартных образцов, изготовленных из раствора цементно-песчаной смеси, взятой в соотношении цемент: песок как 1: 3 стандартной консистенции, твердевших 28 суток в нормальных условиях. При гидратации с водой каждая цементная частичка увеличивается в объёме, принимая в кристаллическую решётку воду. При полной гидратации каждая частичка увеличивается более, чем в 2 раза, поэтому по мере твердения плотность камня (новообразований) повышается, и вместе с ней растёт прочность и водонепроницаемость изделий. Образующиеся гидратные минералы из силикатов, алюминатов и ферритов кальция более устойчивы во влажной и щелочной среде, которую создаёт образующийся при гидратации гидрат оксида кальция. Если изделия твердеют на воздухе с недостатком воды, цементные частички полностью не прореагируют, вода из капилляров испаряется, начинается усадка с образованием трещин, и гидратация прекращается, часть цементного зёрнышка остаётся непрореагировавшим. В этом случае цемент используется не в полной мере. Чем дольше влажный уход за цементными изделиями, тем будет выше степень гидратации, больше новообразований, плотнее структура, выше прочность и долговечность.

Различные условия эксплуатации изделий из цементного бетона могут вызывать нежелательные реакции, разрушающие цементный камень – коррозию. Это могут быть проточные воды, постоянно омывающие изделие, или воздействие кислой среды (газы, проливы кислот, органических жидкостей), или проникновение растворов сернокислых солей в структуру по капиллярам и разрушение цементного камня изнутри так же, как и воздействие мороза на влажное изделие. Чтобы противостоять этим воздействиям выпускают разновидности цемента, о которых писалось выше. Сульфатостойкий цемент делают с таким составом, чтобы сульфаты, растворённые в воде, не могли вступать в химическое взаимодействие с компонентами цементного камня. Для этого снижают содержание алюминатов в цементе, с которыми реагируют сульфаты, при этом повышается плотность цементного камня и морозостойкость.

Пуццолановый и шлакопортландцемент хорошо противостоят вымыванию компонентов из структуры при воздействии проточной воды. Активный кремнезём в их составе связывает гидроокись кальция, образующиеся соединения не так быстро вымываются водой.

При опасности воздействия кислой среды часто силикатные цементы вообще не используют или, если это слабое воздействие, добавляют к цементу активную минеральную добавку, гидрофобизируют смесь при изготовлении, делают полимерные композиции.

Применяя специальные цементы, получают специальные бетоны, предназначенные для работы в разных условиях.