Глиноземистый и расширяющийся цементы

Глиноземистым цементом называют быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким помолом клинкера, который изготовляют обжигом (до спекания или сплавления), сырьевой смеси, состоящей из бокситов и известняков.

Сырьем для производства глиноземистого цемента служат бокситы и известняки. Бокситы представляют собой горные породы, имеющие в своем составе до 80 % глинозема. Известняк должен быть чистым, а суммарное количество специальных добавок не должно превышать 1 %.

Обжиг сырьевой смеси ведут в электрических вращающихся печах или в вагранках при температуре до 1450 °С.

В отличие от портландцемента содержаться химическое соединение только однокальцевый алюминат .

Объемный вес в рыхлом состоянии 1000–1400 кг/м³, тонкость помола больше чем у портландцемента, остаток на сите № 008 составляет не более 10 %.

Сроки схватывания – начало не ранее 30 мин., а конец схватывания – не позднее 12 час. с момента затворения.

Твердение. При затворении водой глиноземистого цемента однокальцевый алюминат гидратируется по реакции:

Образующееся гидратное соединение служит главной составной частью затвердевшего глиноземистого цемента.

При твердении выделяется много тепла – до 70–90 ккал/кг. Портландцемент высоких марок выделяет 70–80 % тепла в течении 7 суток вместо одних у глиноземистого цемента. Свойство ограничивает применение этого вяжущего в массивных бетонных конструкциях. Глиноземистый цемент выпускают трех марок: 400, 500 и 600. Уже через сутки после изготовления образцы обладают прочностью на 80–90 % от марочной. Антикоррозийная способность глиноземного цемента значительно выше, чем у портландцемента. Глиноземистый цемент – дорогостоящий цемент, поэтому их используют при ремонтно-аварийных работах и жаростойких бетонов.

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент – быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным тонким измельчением высокоглиноземистых доменных шлаков и природного двуводного гипса или тщательным смешиванием тех же материалов, измельченных раздельно.

Этот цемент обладает свойством расширяться при твердении в воде. При твердении на воздухе (если в первые три дня обеспечивается достаточное увлажнение бетона или раствора) цемент является безусадочным или меньше расширяется, чем при твердении в воде.

Расширение цемента происходит в результате образования гидросульфатоалюмината кальция, который (в закрытом объеме) способствует уплотнению структуры и получению полной водонепроницаемости изделий на расширяющемся цементе. Начало схватывания наступает не ранее 20 мин. и конец – не позднее 4 час.

Расширяющийся цемент выпускают трех марок (активностью): 300, 400 и 500 (30, 40 и 50 МПа) при сжатии образцов из раствора жесткой консистенции состава 1 : 3, испытанных в возрасте 3 сут.

Не допускается применять расширяющийся цемент для конструкций, работающих в эксплуатационных условиях при температуре более + 80 °С.

Лекция № 11

Тема: Пуццолановые цементы

В эту группу гидравлических вяжущих входят цементы, изготовляемые путем совместного помола портландцементного клинкера или извести с активной минеральной добавкой или тщательным смешиванием компонентов после тонкого измельчения каждого из них в отдельности.

Активные минеральные добавки. Такими добавками называют вещества, которые при смешивании в тонкоизмельченном виде с воздушной известью придают ей способность продолжать твердеть в воде после предварительного твердения на воздухе.

Активные минеральные добавки разделяют на две группы: природные и искусственные.

К природным активным добавкам относят некоторые горные породы осадочного и вулканического происхождения. Из осадочных пород сюда входят диатомиты, трепелы, опоки и глиежи. Глиежи – это породы, образовавшиеся в результате природного обжига глины – подземного горения угольных пластов. К породам вулканического происхождения, которые служат активными добавками, относят пеплы, туфы, пемзы и трассы.

Искусственными активными добавками являются: кремнеземистые отходы такие как: глиниты – обожженные при температуре 600–800 °С, золы и шлаки.

Пуццолановый портландцемент – получаемое измельчением портландцементного линкера с активной минеральной добавкой. При помоле для регулирования сроков схватывания добавляют до 5 % гипса. Добавка с пониженной активностью способна связать меньше количества гидрата окиси кальция, поэтому ее требуется больше. Обычно активной минеральной добавки вводится 20–40 % от веса портландцемента. Тонкость помола и сроки схватывания почти такие же, что и портландцемента.

При твердении пуццоланового портландцемента происходят два процесса: гидратация минералов портландцементного клинкера и взаимодействие активного кремнезема , содержащегося в добавке с гидроокисью кальция, выделяющейся при твердении портландцемента. В результате свободная известь связывается в гидросиликат кальция почти нерастворимый портландцемент стоек в пресных и проточных водах, чем портландцемент.

Выпускают 4 вида: 200, 300, 400 и 500 марки пуццолановых портландцементов. Используют этот цемент для канализационных, водопроводных и в морских гидротехнических сооружениях.

Шлаковые цементы

К шлаковым цементам относят гидравлические вяжущие вещества, получаемые путем совместного помола доменного гранулированного шлака с щелочным или сульфатными добавками-активизаторами или тщательным смешиванием компонентов после тонкого измельчения каждого из них. В качестве щелочных добавок используют портландцемент, известь, а из сульфатных – строительный гипс, ангидрит.

Доменные шлаки. Такие шлаки образуются при выплавке чугуна в доменных печах. Они имеют до 95 % , , , т.е. по химическому составу мало отличаются от портландцемента. Однако большинство соединений этих окислов инертны и только двухкальциевый силикат ( ), входящий в состав доменных шлаков, может твердеть во влажной среде. Но твердеет он очень медленно и содержится в небольших количествах, вследствие чего медленно твердеет и доменный шлак, будучи смешанным с водой.

Кроме химического состава, на активность доменных шлаков большое влияниение оказывает их структура, которая зависит в первую очередь от скорости охлаждения расплавленного шлака. Если шлак охлаждается медленно, то минералы почти полностью кристаллизуются, образуя крупнокристаллическую структуру, что отрицательно сказывается на активности шлака. При быстром охлаждении расплавленного шлака (грануляции) его кристаллизация замедляется, причем шлак распадается на мелкие зерна, имеющие стекловидную структуру. гранулированные доменные шлаки более активны, так как химические соединения, входящие в их состав, обладают большой способностью к кристаллизации при затворении шлака водой.

Грануляции доменных шлаков осуществляется следующим способом: расплавленный шлак из ковша сливается в приемную ванну, из которой по желобу попадает на вращающийся барабан. В желоб подается в небольшом количестве вода под давлением 4–5 атм.; шлак частично охлаждается и в полутвердом виде поступает в лопастной барабан, где дробится и отбрасывается на расстояние до 2,5 м, костью охлаждаясь в воздухе. Гранулированный таким образом шлак содержит от 2 до 10 % влаги.

Шлакопортландцемент. Шлакопортландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным помолом гранулированного доменного шлака с цементным клинкером или тщательным смешиванием указанных материалов, измельченных в отдельности.

Шлака в таком цементе может содержаться от 30 до 60 % по весу.

Для регулирования сроков схватывания при помоле добавляют до 5 % гипса.

Свойства шлакопортландцемента. Объемный вес его в его рыхлом состоянии равен 1000–1300 кг/м³, в уплотненном – 1600 кг/м³ и более; тонкость помола должна быть не менее, чем у портландцемента.

Сроки охватывания зависят от химического состава шлака и количественного соотношения между ним и клинкером. При одинаковом составе цементного клинкера шлакопортландцемент отличается от портландцемента более медленным схватыванием (начало схватывания наступает через 4–6 часов, оканчивается оно через 10–12 часов). Твердеет медленно и особенно в первые 7–10 дней. При твердении выделяет тепла меньше, чем портландцемент. При низких положительных температурах твердение его замедляется. Поэтому применяют гидротермальную обработку.

Прочность шлакопортландцемента характеризуется четырьмя марками (активностью): 200, 300, 400 и 500 (20, 30, 40 и 50 МПа).

Коррозии шлакопортландцемент подвергается значительно меньше по сравнению с портландцементом, и он не оказывает коррозирующего действия на стальную арматуру, достаточно прочно сцепляясь с ней.

Шлакопортландцемент используют для бетонных и железобетонных конструкций, подвергающихся действию пресных и минерализованных вод, и для производства сборных железобетонных изделий с применением гидротермальной работки.

Сульфатно-шлаковый цемент – представляет гидравлическое вяжущее вещество, состоящее из смеси тонкоизмельченных гранулированного доменного шлака (80–85 %), гипса или ангидрита (20–15 %) и портландцементного клинкера до 5 %. Вместо портландцемента можно вводить до 2 % окиси кальция.

Изготовляют этот цемент либо путем совместного помола составляющих материалов, либо смешиванием их после измельчения каждого в отдельности.

Сульфатно-шлаковый цемент по пределу прочности при сжатии в возрасте 28 дней имеет две марки: 300 и 400. При относительно высокой прочности сульфатно-шлаковый цемент является самым дешевым из всех видов гидравлических вяжущих веществ, так как в его состав входит местное сырье – гипс (ангидрит) и шлаки: цементного клинкера в нем почти не содержится. При его производстве не требуется топлива.

Сульфатно-шлаковый цемент имеет высокую стойкость против действия сульфатных вод. В связи с этим его применяют в морских гидротехнических сооружениях и для подземных конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных вод.

Расчет можно произвести:

1. Определение водоцементного соотношения

где = 400 кг/см² (40 МПа) – активность цемента; = 200 кг/см² (20 МПа) – класс бетона В 20; – вода; – количество цемента.

2. Определение количества воды в зависимости от крупности гравия (щебня) и усадки конуса. Допустим = 175 л.

3. Определение количества цемента на 1 м³ бетона

4. Объем цемента

где = 3,1 кг/дм³ – удельный вес цемента.

5. Суммарные объемы компонентов

Отсюда:

6.

где – песок; – щебень (гравий); – объемный вес песка; –объемный вес щебня (гравия); – пустотность смеси, принимаем 45 %.

7. Объемный вес смеси

где = 270 кг/м³ – удельный вес щебня (гравия).

8. Количество щебня и песка

9. Количество песка

10. Количество щебня (гравия)

11. Суммарный вес смеси

Лекция № 12

Тема: Бетоны

Основные сведения о бетоне. Бетоном называют полученный в результате твердения рационально подобранной смеси, состоящей из вяжущего вещества (цемента), воды и заполнителей (песка и щебня или гравия), а в необходимых случаях специальных добавок.

Вяжущие вещества и вода являются активными составляющими бетона, в результате реакции между которыми и образуется цементный камень. Зерна песка и щебня составляют как бы каменный каркас бетона. Цементное тесто, обволакивает зерна песка и щебня, заполняет промежутки между ними и играет роль смазки, обеспечивающей подвижность бетонной смеси. Затвердевая, тесто связывает зерна заполнителей, в результате чего и образуется искусственный камень.

Бетон является одним из важнейших строительных материалов, широко применяемым во всех видах строительства – жилищном, промышленном, сельскохозяйственном и др.

Основными преимуществами бетона являются следующие:

• Экономичность материала, где до 80–90 % используются заполнители из местных каменных материалов;

• Разнообразные свойства, получаемые путем использования различных вяжущих и каменных материалов;

• Легкая механическая обработка – формирование различных форм и размеров конструкций;

• Высокая механизация при заводском изготовлении.

Классификация бетонов

Бетоны классифицируют по различным признакам: объемному (удельному) весу, виду вяжущего вещества, назначению и др.

По объемному весу бетоны делят на особо тяжелые, тяжелые, легкие и особо легкие.

К особо тяжелым относят бетоны с объемным весом более 25 кН/м³, тяжелые – 18–25 кН/м³, легкие – 5–18 кН/м³, особо легкие – менее 5 кН/м³.

В зависимости от вида вяжущего бетоны разделяют на следующие группы:

• Цементные, изготовленные на гидравлических вяжущих цемента;

• Известковые, изготовленные из известковых вяжущих;

• Гипсовые, изготовленные с применением гипса и ангидрита;

• Полимерные, изготовленные из полимерных вяжущих.

По назначению бетоны бывают:

• Бетон обычный – для бетонных и железобетонных несущих конструкций (колонны, балки, плиты и т. д.);

• Бетон гидротехнический – для плотин, шлюзов, каналов и т. д.;

• Бетон для санитарно-технических сооружений – для изготовления труб, колодцев, резервуаров и т.д.;

• Бетон для стен зданий и легких перекрытий;

• Бетон для дорожных покрытий;

• Бетон специального назначения – кислотоупорный, жаростойкий, декоративный и др.

В зависимости от крупности применяемых заполнителей бетоны делятся на мелкозернистые с наибольшей крупности заполнителя до 10 мм и крупнозернистые с крупностью заполнителей от 10 мм и более.

Особо тяжелые бетоны изготовляют на цементе с применением специальных видов заполнителей с повышенным объемным весом.