5. Состав, свойства и применение портландцементов специального назначения(быстротвердеющий, сульфатостойкий, декоративный).

5. Состав, свойства и применение портландцементов специального назначения(быстротвердеющий, сульфатостойкий, декоративный).

Минералогический состав быстротвердеющих цементов отличается повышенным содержанием минералов С₃S и С₃А, обеспечивающих начальный рост прочности в системе портландцемент – вода. Так как реакция гидратации этих минералов происходит с большим выделением тепла, то следовательно и цементы обладают повышенной экзотермией. Наблюдаемый эффект используют при зимнем бетонировании, но в то же самое время он ограничивает применение этих цементов при возведении массивных бетонных конструкций, т. к. неравномерный разогрев бетона с поверхности и в объеме дает резкий перепад температур, приводящий к перенапряжению и, как следствие, к появлению трещин. Повышенное содержание СзS и СзА наряду с положительным эффектом ускорения набора прочности (60 – 70 % от марочной в трехсуточном возрасте) несет на себе и такой отрицательный, как снижение сульфатостойкости цементного камня, т. к. продукты гидратации именно этих минералов участвуют во взаимодействии с сульфатными растворами, образуя крупнокристаллические соединения, вызывающие разрушение искусственного камня. Рассматриваемые цементы нашли применение при получении сборных высокопрочных преднапряженных и монолитных тонкостенных железобетонных конструкций.

Наличие в грунтовых водах, морской воде, технологических растворах и промышленных стоках большого содержания сульфатов предопределило создание специального вида портландцемента – сульфатостойкого. Так как основными инициаторами сульфатного разрушения цементного камня являются продукты гидратации трехкальциевого силиката – гидроксид кальция и трехкальциевого алюмината – гидроалюминаты кальция, то, следовательно, за счет снижения содержания этих минералов можно получить сульфатостойкий портландцемент. Минералогический состав сульфатостойкого бездобавочного портландцемента отличается ограниченным содержанием С₃А до 5 %, C₃S до 50 % и С₃А + C₄AF до 20 %. К сульфатостойким цементам согласно ГОСТ 22266-94 относятся также сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками (до 20 % шлака или до 10 % горных пород осадочного происхождения), сульфатостойкий шлакопортландцемент с содержанием С₃А в клинкере не более 5 % и пуццолановый портландцемент. Основное применение этих вяжущих – изготовление монолитных и сборных изделий и конструкций, условия эксплуатации которых связаны с действием сульфатосодержащих сред (фундаменты, гидротехнические сооружения и др. ).

Последняя группа цементов относится к декоративным минеральным вяжущим и включает белые и цветные портландцементы. Всем привычный темно-серый цвет обусловлен наличием в портландцементе соединений железа, марганца и хрома, которые содержатся в исходном сырье, следовательно, чтобы получить белый портландцемент, необходимо предъявить жесткие требования к чистоте используемого сырья – известняку и глине. Сырьем для производства белого портландцемента служат светлоокрашенные карбонатные породы: доломит, мел и чистые белые каолиновые глины. При помоле полученного клинкера вводят гипс и активные минеральные добавки осадочного происхождения светлых тонов. По вещественному составу цементы подразделяют на бездобавочный белый портландцемент (БПЦ) и с добавками (активными минеральными наполнителями не более 20 %). В зависимости от степени белизны, оцениваемой коэффициентом отражения света в процентах, выпускают цементы первого (80 %), второго (75 %) и третьего (70 %) сорта.

Пример условного обозначения: портландцемент белый 2-400-Д20 –ГОСТ 965-89. Цифра 2 показывает, что цемент по степени белизны относится ко второму сорту.

Для получения цветных цементов (ГОСТ 15825-80) в исходную сырьевую массу или в мельницу при помоле белого клинкера вводят неорганические щелоче- и светостойкие добавки, например, оксид хрома – зеленый цвет, оксиды железа – красный, желтый и коричневый, соединения кобальта – голубой. Декоративные цементы выпускают следующих марок: 400, 500. Они несколько медленнее твердеют, имеют меньшую коррозионную стойкость и морозостойкость, а также большую усадку при твердении. Применяют декоративные виды портландцементов для отделки стеновых панелей, при изготовлении лестничных ступеней и мозаичных бетонных полов, плит, имитирующих горные породы.

6. Что общего и в чем различия между воздушной и гидравлической известью? Применение этих минеральных вяжущих.

Гидравлической известью называют тонкомолотый продукт обжига при температуре 900 – 1000 ^оС мергелистых известняков, содержащих до 20 % глинистых примесей. При этой температуре известняк (СаСО₃) и глина (основные минералы: nAl₂O₃× рSiO₂× mН₂О, nFe₂O₃× kSiO₂× pH₂O) разлагаются с образованием свободных оксидов СаО, Al₂O₃, SiO₂, Fe₂O₃, которые при такой высокой температуре, обладая химической активностью, вступают в реакции между собой с образованием ряда минералов: силикатов, алюминатов и ферритов кальция (СаО× SiO₂, СаО× Al₂O₃, СаО× Fe₂O₃) и обеспечивают в дальнейшем гидравлическое твердение этого вяжущего, а продукты гидратации – прочность и водостойкость изделий. Так как глинистый компонент составляет в сырье только 20 %, то часть СаО остается в несвязанном, свободном состоянии. Наличие в гидравлической извести негашеной, воздушной извести – СаО обусловливает необходимость обеспечения вначале воздушно-сухих условий твердения (около 7 сут) для гидратации оксида кальция с образованием гидрооксида, а затем – влажных для гидратации силикатов, алюминатов и ферритов кальция (оставшиеся 21 сут). Чем больше оксида кальция, тем продолжительнее должно быть начальное твердение в воздушной среде. В этом случае сильнее проявляются в извести свойства воздушного вяжущего, следовательно, водостойкость образованного камня будет ниже.

Активность извести оценивают по гидравлическому или основному модулю (ОМ), равному отношению процентного содержания по массе оксида кальция к сумме оксидов, входящих в состав минералов:
ОМ = СаО / (SiO₂ + Al₂O₃ + Fe₂O₃).

Для гидравлической извести численное значение основного модуля колеблется в пределах 1, 7 – 9. В зависимости от величины различают сильногидравлическую и слабогидравлическую известь. У первой модуль равен 1, 7 – 4, 5, у второй – 4, 5 – 9. При показателе больше 9 получают воздушную известь, если он меньше 1, 7 – романцемент.

Гидравлическая известь медленносхватывающееся вяжущее. В зависимости от содержания свободного оксида кальция сроки схватывания колеблются в пределах: начало – 0, 5 – 2 и конец – 8 – 16 час. Равномерность изменения объема при твердении зависит от наличия грубоизмельченных зерен, свободного оксида кальция. Активность сильногидравлической извести составляет 5 МПа, слабогидравлической – не менее 1, 7 МПа.

Этот вид вяжущего используют для изготовления штукатурных и кладочных растворов, эксплуатируемых как в сухих, так и во влажных условиях, а также для получения низкомарочных легких и тяжелых бетонов.

Строительной воздушной известью называют продукт разложения при температуре 900 – 1200 °С кальциево-магниевых карбонатных горных пород ( известняка - СаСО_з, доломита - СаСО_зхМgСО_з ), содержащих не более 6 % глинистых и песчаных примесей. Основной объем извести получают по непрерывной технологии в шахтных печах во взвешенном «кипящем» слое, где мелкоизмельченное сырье и жидкое или газообразное топливо движутся противотоком, навстречу друг другу. Продуктом обжига является комовая негашеная известь – оксид кальция (СаО). Разложение известняка происходит по реакции СаСО_з = СаО + СО₂. Если в сырье имеются примеси карбоната магния, то его распад приводит к образованию оксида магния МgСО_з = МgО + СО₂. Полученную комовую известь впоследствие мелят или гасят, добавляя воду, в специальных аппаратах. Процесс гашения – гидратация протекает с большим выделением тепла, поэтому негашеную известь называют известью-кипелкой. По скорости гашения известь подразделяют на быстро гасящуюся – до 8 мин, среднегасящуюся – до 25 мин и медленногасящуюся – более 25 мин, по температуре гашения на низкоэкзотермичную (до 75 ^оС) и высокоэкзотермичную (более 75 ^оС).

В результате реакции СаО + Н₂О = Са(ОН)₂ + Q образуются мельчайшие, размером до 0, 01 мм, кристаллы гидратной извести – пушонки Са(ОН)₂. Объем полученной извести увеличивается в 2 – 3 раза по сравнению с исходной. В строительстве используют как негашеную, так и гидратную известь в виде тонкодисперсного материала или известкового теста, полученного в результате гашения извести с большим расходом воды.

В соответствии с ГОСТ 9179-77 воздушную известь в зависимости от содержания примеси МgО классифицируют на кальциевую, магнезиальную и доломитовую. Для кальциевой извести содержание МgО не должно превышать 5 %, магнезиальной – 5 – 20 %, доломитной – 20 – 40 %. Наибольшей активностью обладает кальциевая известь. Качество извести оценивают по тонкости помола, определяемой по остаткам на ситах 02 и 008соответственно не более 1, 5 и 15 %, температуре и времени гашения, содержанию активных окислов СаО + МgО (50 – 90 %) и наличию непогасившихся примесей, составляющих в зависимости от вида и сорта до 20 %. Непогасившиеся зерна по своей природе подразделяют на «недожог», « пережог » и инертные примеси (песок и др. ). « Недожог » представляет собой зерна недообожженного сырья (СаСО₃), которые вследствие своей инертности по отношению к воде снижают активность извести. « Пережог » образуется при непосредственном контакте извести с теплоносителем, вызывающим оплавление частиц с поверхности. Наличие «пережога» приводит к появлению вздутий на отштукатуренной поверхности, так как прохождение реакции гидратации сопровождается увеличением температуры и объема в уже затвердевшем слое. Посовокупности свойств известь делят на сорта.

Чистое известковое тесто из-за сильной усадки при твердении растрескивается, поэтому к нему добавляют от двух до четырех частей по объему песка. Известь с песком образуют пластичный строительный раствор. Твердение известковых растворов на воздухе идет медленно и складывается из следующих одновременно протекающих процессов: испарения воды, кристаллизации гидрооксида кальция из пересыщенного водного раствора и карбонизации гидрооксида с образованием кальцита путем взаимодействия с углекислым газом воздуха. Происходит так называемое гидратно - карбонатное твердение. Прочность раствора через 28 суток составляет 0, 5 – 1, 0 МПа, через десятки и сотни лет за счет карбонизации –
5 – 7 МПа и более.

Воздушную известь используют для приготовления смешанных строительных растворов: известково-цементных, известково-глинистых, применяемых для каменной кладки и штукатурки, приготовления сухих строительных смесей, в качестве связующего вещества для малярных красочных составов и в производстве силикатных изделий. При обычных условиях химическое взаимодействие между песком и известью протекает медленно и не имеет практического значения. Автоклавная обработка в течение 12 часов, предусматривающая постепенное повышение температуры до 174, 5 °С, давления до 0, 9 МПа, создает условия для прохождения интенсивной реакции между компонентами с образованием кристаллических гидросиликатов кальция, придающих водостойкость и высокую прочность изделиям до 30 – 50 МПа. Таким образом получают силикатный кирпич, силикатные плотные и пористые бетоны. В качестве вяжущего для их изготовления используют тонкомолотую смесь, состоящую из извести (8 – 12 %) и кварцевого песка (88 – 92 %) (известково-кремнеземистое вяжущее). Вместо песка можно использовать золу, шлак и другие аналогичные минеральные отходы, содержащие кремнезем (SiO₂).