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.
Коррозия бетона и меры борьбы с ней
Коррозией бетона называется понижение прочности, повреждение и разрушение бетона под влиянием окружающей среды.
Большой вклад в изучение коррозии бетона и мер борьбы с ней внесли русские ученые А.А.Байков, В.М.Москвин, С.Н.Алексеев, В.В,Тимашев и др.. различают коррозию бетона трех видов.
Виды коррозии бетона
3.1. Коррозия бетона первого вида
Этот вид коррозии сопровождается растворением составных частей цементного камня, в первую очередь, гидроксида кальция под действием проточной воды. Хотя растворимость Ca(OH)2 в воде невелика (1,7 г/л при 15°С), но под действием проточной воды из цементного камня может вымыться большое количество Ca(OH)2. в связи с этим цементный камень становится пористым, теряет связанность и часть прочности. Если бетон плотный и не имеет пустот и трещин, то коррозия его может протекать только с поверхности; если же бетон пористый и вода проходит сквозь него под напором, то процесс протекает очень интенсивно. Наиболее сильное растворяющее действие на гидроксид кальция оказывает чистая дистиллированная вода (на заводах) и мягкая природная (дождевая) вода. Однако растворению Ca(OH)2 препятствует защитный верхний слой из карбоната кальция, образующегося на поверхности твердеющего бетона по реакции:
Ca(OH)2 + СО2 = Ca(OH)3 +Н2О (1).
Эта реакция называется реакцией карбонизации. Растворимость карбоната кальция в чистой воде приблизительно в 100 раз меньше, чем гидроксида кальция. Поэтому верхний слой из карбоната кальция, хотя и очень тонкий – несколько микрометров, защищает цементный камень от вымывания Ca(OH)2 из бетона. Поэтому при строительстве морских сооружений из бетонных блоков последние обязательно выдерживают 2-3 месяца на берегу перед опусканием их в водоем.
3.2. Коррозия бетона второго вида
Этот вид коррозии происходит в результате реакций обмена между кислотами или солями, растворенными в воде, и составними частями цементного камня. В результате такого взаимодействия образуются вещества, которые легко растворяются в воде и вымываются ею из бетона. Это также способствует понижению прочности и разрушению бетона, т.е. его коррозии.
По вышеприведенной схеме протекает коррозия бетона при контакте его с природными водами, содержащими свободную углекислоту в количестве более 15-20 мг/л. Такая углекислота называется агрессивной по отношению к бетону, т.е. она разрушающе действует на бетон. Процесс коррозии бетона при действии агрессивной углекислоты начинается с растворения карбонатного слоя бетона: CaСO3 + СО2 ↔ Ca(НСO3)2 (2).
Гидрокарбонат кальция Ca(НСO3)2 обладает значительной растворимостью в воде и вымывается из бетона. Лишенный защитного карбонатного слоя бетон быстро разрушается.
Сточные воды могут содержать различные неорганические кислоты, разрушающе действующие на бетон, например:
CaСO3 + 2HCl = CaCl2 + CО2↑ + Н2О (3),
Ca(OН)2 + 2HCl = CaCl2 + 2 Н2О (4).
Образующийся хлорид кальция CaCl2 легко растворим в воде и ею вымывается из бетона.
Аналогично разрушают бетон и аммонийные соли, входящие в состав многих удобрений. Например, нитрат аммония, подвергаясь во влажной среде гидролизу по схеме
NH4NO3 + H2O ↔ NH4OH + HNO3 (5)
образует кислоту HNO3 . Азотная кислота также, как и соляная растворяет СаСО3 и взаимодействуя с Ca(OН)2 бетона, вымывает его.
Особенно опасны для бетонов растворы солей магния т.к. он реагируют не только с карбонатом и гидроксидом кальция, но и с основной составляющей затвердевшего цемента в бетоне – двухкальциевым гидросиликатом 2СаО · SiO2 · nH2O.
Вышеназванные процессы протекают по следущим реакциям:
MgCl2 + H2O ↔ MgOHCl + HCl; (6)
CaСO3 + 2HCl = CaCl2 + CО2↑ + Н2О (7)
Ca(OН)2 + MgSO4 + 2Н2О = Mg(OН)2↓ + Ca SO4 · 2Н2О (8)
2CaO · SiO2 · nH2O + 2MgSO4 + yH2O = 2Mg(OH)2 + 2[Ca SO4 · 2Н2О]↓ +
+ SiO2 ·mH2O↓ (9)
где n + y = m + 6.
Образующийся в реакциях (8) и (9) гидроксид магния Mg(OH)2 хотя и труднорастворим, но связанностью не обладает, поэтому тоже вымывается из бетона водой. Все эти процессы способствуют понижению прочности и разрушению бетона. Соли магния содержатся в морской воде, поэтому она особенно агрессивна по отношению к бетону.