Гидравлические вяжущие вещества
Портландцемент
Наиболее важным гидравлическим вяжущим является портландцемент. Это медленнотвердеющее вяжущее, получаемое путем высокотемпературного обжига (до спекания, т.е. примерно 1500 °С) мергелей или искусственных смесей, состоящих из 75-78% известняка СаСО3 и 22-25% каолина Аl2О3 · 2 SiO2 · 2H2O.
В процессе обжига можно выделить шесть зон мокрого способа получения цемента: 1 – испарения (100-200 °С), 2 – дегидратации (400-800 °С), 3 – декарбонизации (900-1200 °С ), 4 – экзотермических реакций (1200-1300°С), 5 – спекания (1450 °С), 6 – охлаждения.
Полученный материал, называемый цементным клинкером, подвергается тонкому помолу.
Таблица 2
Минералогический состав портландцементного клинкера
| Название минерала | Химический состав | Обоз- наче- ние | Название и обозна- чение | Содержа- ние в клинкере % |
| Двухкальциевый силикат | 2СаО · SiO2 | C2 S | Белит (В) | 15-37 |
| Трехкальциевый силикат | 32СаО · SiO2 | C3 S | Алит (А) | 37-60 |
| Трехкальциевый алюминат | 3CaO · Al2O3 | C3 A | - | 7-15 |
| Четырехкальциевый алюмоферрит | 4CaO · Al2O3 ·Fe2O3 | C4 AF | Целит (С) | 10-18 |
При помоле к клинкеру добавляют природный гипс в количестве от 3 до 5% с целью замедления сроков схватывания. Такой молотый тонкодисперсный продукт называется цементом.
При затворении цемента водой происходит взаимодействие его минералов с водой, сопровождающихся образованием новых соединений, которых не было в цементном клинкере. При этом протекают реакции гидролиза и гидратации:
1) 2СаО · SiO2 + nH2O = 2CaO · SiO2 · nH2O;
2) 3CaO · SiO + (n+1) H2O = Ca(OH)2 + 2CaO · SiO2 · nH2O;
3) 3CaO · Al2O3 + 6H2O = 3CaO · Al2O3 · 6H2O;
4) 4CaO · Al2O3 · Fe2O3 + (m+7)H2O = Ca(OH)2 + 3CaO + Al2O3 · 6H2O + Fe2O3 · mH2О.
В этом и состоит химизм твердения портландцемента. Однако, схватывание и твердение портландцемента обусловлены комплексом физико-химических процессов.
По теории А.А.Байкова процесс превращения цементного порошка при затворении его водой в цементный камень протекает в 3 стадии.
Первая стадия – затворение. При этом образуется насыщенный раствор.
Вторая стадия - стадия коллоидации. В результате взаимодействия с водой образуется гидросиликаты и гидроалюминаты кальция, обладающие малой растворимостью. Поэтому они образуют коллоидный раствор. Материал приобретает структуру геля, который еще не обладает механической прочностью, но способен сохранить форму.
Третья стадия – стадия кристаллизации. При этом наблюдается процесс перекристаллизации мелких частиц коллоидной системы в более крупные кристаллические частицы, которые, переплетаясь и срастаясь, образуют твердый материал, обладающий механической прочностью.
Наряду с кристаллизацией протекает уплотнение геля за счет связывания воды ранее непрореагированными частицами различных минералов цементного клинкера.
1.3.2. Глиноземистый цемент
Глиноземмистый цемент – быстротвердеющее, гидравлическое вяжущее, получаемое путем высокотемпературного обжига (до начала спекания, т.е. до 1600°С) смеси известняка (СаСО3) с бокситами (xAl2O3 · yH2O). Бокситы встречаются сравнительно редко и являются ценным сырьем для получения металлического алюминия. Поэтому глиноземный цемент является более дорогим строительным материалом, чем портландцемент.
Главной составной частью этого цемента является однокальциевый алюминат СаО · Al2O3. При взаимодействии с водой образуется гидрат двухкальциевого алюмината:
2(СаО · Al2O3) + 10Н2О = 2СаО · Al2O3 · 7Н2О + 2Al(OH)3.
Двухкальциевый гидроалюминат 2СаО · Al2O3 · 7Н2О – главная составляющая часть затвердевшего глиноземистого цемента. Гидратация глиноземистого цемента сопровождается выделением значительного количества тепла. Это ценно для работ при низких температурах.
В затвердеваемом цементном камне не содержится свободного Са(ОН)3 и 3СаО · Al2O3 · 6Н2О и это делает его более стойким в отношении физической и сульфатной коррозии.
Схватывание глиноземистого цемента начинается через час после затворения и длится не более 12 часов. Твердение происходит в основном в течение 1-3 дней.