 |
Гидравлические вяжущие вещества
|
|
|
|
Силикатные цементы
Портландцемент
Портландцемент был изобретен независимо друг от друга Джозефом Аспдиным в Англии в 1824г. и Егором Челиевым в России в 1823г.
В современном понимании портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, представляющее собой продукт тонкого измельчения портландцементного клинкера, получаемого обжигом до спекания сырьевой смеси надлежащего состава, и содержащее в основном силикаты кальция.
Химический состав портландцемента. Он отражает содержание в портландцементе оксидов металлов и неметаллов, выраженное в %. Химический состав портландцемента следующий: СаО от 63 до 65%, SiO2 от 21 до 25%, Аl2O3 от 4 до 8%, Fe2O3 от 2 до 4%.
Минеральный состав портландцемента. Он отражает содержание в портландцементе основных минералов.
В процессе обжига при производстве портландцемента оксиды металлов и неметаллов соединяются друг с другом, образуя минералы. В состав портландцемента входят четыре основных минерала (табл. 5):
Таблица 5 – Минеральный состав портландцемента
| № | Название минерала | Формула | Условное обозначение | Содержание % |
| Трехкальциевый силикат или алит | 3СаО ·SiO2 | С3S | 45-60 | |
| Двухкальциевый силикат или белит | 2СаО·SiO2 | С2S | 20-30 | |
| Трехкальциевый алюминат | 3СаО·Al2O3 | С3А | 4-12 | |
| Четырехкальциевый алюмоферрит | 4СаО·Al2O3·Fe2O3 | С4AF | 10-20 |
Производство портландцемента
Оно включает три стадии: подготовки сырьевой смеси, обжига и помола.
Подготовка сырьевой смеси. Сырье для портландцемента состоит из 75…78% карбонатных пород (известняка, мела, ракушечника и др.) и 22…25% глины. Таким природным сырьем являются мергели. Если состав сырья не удовлетворяет требованиям по химическому составу, то составляются искусственные сырьевые смеси, вводятся корректирующие добавки (трепелы, опоки, колчеданные огарки и др.). По способу приготовления сырьевой смеси различают сухой и мокрый способ производства портландцемента.
|
|
|
Сухой способ. Сырьевую смесь готовят, смешивая сухие размолотые компоненты (глину и карбонатные породы) и получая сырьевую муку с влажностью 1-2%. Сырьевую муку складируют в башнях-силосах, где, при необходимости, регулируется ее состав. Этот способ используют при невысокой влажности сырья (10-15%), однородного по химическому составу.
Мокрый способ. Его используют для сырья, имеющего высокую влажность и неоднородный химический состав. Сырьевую смесь готовят, перемешивая размолотые компоненты в воде. Получается сырьевой шлам с влажностью 35…45%, который складируется в шлам-бассейнах, где, при необходимости, происходит корректировка его состава.
Выбор способа связан с влажностью сырья и однородностью его химического состава. Сухой способ более экономичен, чем мокрый, т.к. на обжиг затрачивается меньше энергии, но из-за качества сырья чаще применяют мокрый.
Обжиг. Его осуществляют во вращающихся печах длиной 60…230м и диаметром 2…7м, установленных под углом 3…4 о, которые вращаются вокруг своей оси со скоростью 1-2 оборота в минуту (рис. 6).
Рисунок 6 – Схема вращающейся печи
Юнг выделил 6 характерных при обжиге портландцемента температурных зон:
I – зона испарения (tо =200оС) – происходит испарение физически связанной воды;
II – зона подогрева (tо =200…700оС) – испарение химически связанной воды из алюмосиликатов глин;
III – зона декарбонизации (tо =700…1100оС) – происходит разложение карбонатов до СаО и разложение алюмосиликатов глин;
IY - зона экзотермических реакций (tо =1100…1250оС) – происходит образование минералов С2S, С3A, С4AF;
V - зона спекания (tо =1250…1450оС) – происходит образование наиболее энергоемкого минерала С3S при максимальной температуре обжига 1450оС;
|
|
|
VI - зона охлаждения, в которой температура падает ниже 1450оС.
Продуктом обжига является клинкер – серо-зеленые гранулы размером 10…40мм.
Помол. Клинкер совместно с добавкой 3…5% гипса для регулирования сроков схватывания цемента размалывают в тонкий порошок – портландцемент в многосекционных шаровых мельницах под воздействием мелющих тел –стальных шаров или цилиндров. Готовый портландцемент охлаждают в течение нескольких дней, затем поставляют потребителю в автоцементовозах, железнодорожных вагонах навалом или фасуют в мешки по 50 и менее кг.
Твердение портландцемента
Твердение портландцемента наступает при затворении его водой вследствие протекания реакций гидратации между ней и минералами портландцемента. В результате этих реакций образуются гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция, образующие прочный цементный камень.
Цементное тесто, приготовленное путем смешивания цемента с водой, вначале (в течение 1-3 часов после затворения) пластично и легко формуется. Потом наступает схватывание, заканчивающееся обычно через 5 – 10 часов после затворения; в период схватывания цементное тесто загустевает, утрачивая подвижность, но его механическая прочность невелика. Переход цементного теста в твердое состояние означает конец схватывания и начало твердения, для которого характерно возрастание прочности.
Сразу после затворения цемента водой начинаются химические реакции, в результате которых образуются продукты гидратации портландцемента: гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция, образующие прочный цементный камень. Минералы цемента – трехкальциевый силикат (алит) 3СаО·SiO2, двухкальциевый силикат (белит) 2СаО·SiO2, трехкальциевый алюминат 3СаО·Al2O3 и четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО·Al2O3·Fе2О3 твердеют с разной скоростью и различным тепловым эффектом.
1. Трехкальциевый силикат (алит) - твердеет достаточно быстро, с образованием в ранние сроки твердения прочного гидросиликата кальция. При твердении выделяется большое количество тепла.
2(3СаО·SiO2) + 6Н2О = 3СаО·2SiO2·3Н2О + 3Са(ОН)2
|
|
|
2. Двухкальциевый силикат (белит) - твердеет значительно медленнее алита, но в поздние сроки твердения образует прочный гидросиликат кальция. При твердении выделяется небольшое количество тепла.
2(2СаО·SiO2) + 4Н2О = 3СаО·2SiO2·3Н2О + Са(ОН)2
3. Трехкальциевый алюминат твердеет чрезвычайно быстро, но образует непрочный рыхлый гидроалюминат кальция. Тепловыделение при твердении значительное. Если этой реакции дать осуществиться, она вызовет “ложное схватывание” цемента, что приведет к образованию непрочного гидроалюмината кальция в ранние сроки твердения
3СаО·Al2O3 + 6Н2О = 3СаО·Al2O3·6Н2О
Для предотвращения образования этого продукта в состав портландцемента при помоле вводят гипс, который связывает трехкальциевый алюминат в гидросульфоалюминат кальция, дополнительно упрочняющий твердеющее цементное тесто.
3СаО·Al2O3 + 3СаSO4·2H2O + 25Н2О = 3СаО·Al2O3·3СаSO4·31Н2О
4. Четырехкальциевый алюмоферрит по скорости твердения и тепловыделению находится между алитом и белитом. При гидратации он образует следующие соединения
4СаО·Al2O3·Fе2О3 + 10Н2О + 2Са(ОН)2 = 3СаО·Al2O3·6Н2О + 3СаО·Fе2О3·6Н2О
Графически твердение минералов портландцемента представлено на рис. 7.
В настоящее время не имеется общепринятой теории твердения, которая исчерпывающе объясняла бы механизм образования новых соединений. Классическими считаются три теории твердения: Михаэлиса, Ле-Шателье и Байкова.
Ле-Шателье в 1882 г. предложил кристаллизационную теорию твердения цемента, согласно которой исходные безводные цементные минералы, обладая более высокой растворимостью в воде по сравнению с продуктами гидратации, образуют растворы, перенасыщенные по отношению к гидратным новообразованиям. Последние выделяются из пересыщенного раствора в виде кристаллов, образующих по мере развития этого процесса кристаллический сросток, обладающий значительной прочностью.
Михаэлис, выдвинувший в 1893г. коллоидную теорию твердения, не отрицал образования кристаллических продуктов. Но основное значение в формировании структуры и свойств цементного камня он приписывал возникающим при твердении гидрогелям силикатов, алюминатов и ферритов кальция. Он считал, что при твердении не происходит растворения исходных минералов, а идет прямое присоединение воды и набухание зерен цемента в результате образование коллоидных соединений – гидрогелей.
|
|
|
Рисунок 7 – Твердение минералов портландцемента
А.А. Байков в 1923г. выдвинул теорию твердения портландцемента, обобщающую эти две теории. По Байкову, твердение портландцемента включает три периода:
1) вяжущее растворяется в воде до образования насыщенного раствора.
2) Вода напрямую присоединяется к твердой фазе цемента с образованием коллоидных гидратных соединений. Этому периоду соответствует начало схватывания.
3) Гелеобразные составляющие кристаллизуются и превращаются в кристаллический сросток. Это сопровождается твердением системы, и соответствует концу схватывания.
Свойства портландцемента
Истинная плотность. Истинная плотность портландцемента составляет 3,0…3,2 г/см3.
Средняя плотность. Средняя плотность портландцемента составляет 900…1100 кг/м3.
Тонкость помола. Она устанавливается ситовым анализом при просеивании через сито № 008 с размером ячеек 0, 08мм. Через него должно проходить не менее 85% пробы.
Достаточно часто тонкость помола оценивают удельной поверхностью – суммарной площадью поверхности зерен цемента, содержащихся в 1 г. Для большинства цементов она составляет 2800…3000 см2/г.
Сроки схватывания. Сроки схватывания портландцемента составляют: начало схватывания – не ранее 45 минут, конец – не позднее 10 часов. Они определяются на приборе Вика, снабженном иглой.
Водопотребность. Вода, добавляемая к цементу при затворении, необходима для нормального течения реакций гидратации, а также для придания цементному тесту необходимой подвижности. Для обеспечения процессов гидратации необходимо ~ 15% воды от массы цемента, однако для обеспечения требуемой подвижности цементного теста воды берут гораздо больше (21…28%).
Водопотребность характеризуется нормальной густотой, выражаемой количеством воды в % от массы цемента, при которой цементное тесто обладает стандартной подвижностью. Она определяется на приборе Вика, снабженном пестиком, и характеризуется подвижностью, при которой пестик прибора не доходит до дна на 5-7мм.
Влияние температуры на твердение цемента. Понижение температуры замедляет твердение цемента, так как скорость реакций гидратации уменьшается. При температуре ниже 0 твердение цемента практически прекращается, так как вода превращается в химически инертный лед. Если после замерзания твердеющий цемент оттаивает, то твердение возобновляется, но конечная прочность цементного камня при этом становится значительно меньшей, чем была бы без замораживания.
|
|
|
Повышение температуры ускоряет процесс твердения цемента, так как скорость реакций гидратации, как и других химических реакций, возрастает в 2…4 раза при повышении температуры на каждые 10оС. Но увеличение прочности будет только в том случае, если твердение цемента протекает в атмосфере повышенной влажности. Иначе повышение температуры может привести к пересыханию цементного камня, и значительно снизить его прочность.
Прочность. Прочность портландцемента характеризуется его маркой, которую устанавливают по пределу прочности при изгибе образцов-балочек размером 4´4´16см и сжатии их половинок. Образцы изготавливают из цементно-песчаного раствора состава цемент: песок как 1: 3 с В/Ц, определяемым стандартным испытанием на расплыв конуса, и испытывают через 28 суток нормального твердения (т.е. при комнатной температуре и влажности, близкой к 100%.). Марка портландцемента обозначается М. Выпускают цементы следующих марок: М 300, М 400, М 500, М 600 (Rсж. = 30-60 МПа).
Марка - это прочностная характеристика, с которой портландцемент отпускается цементным заводом. Но с течением времени, особенно при небрежном или длительном хранении и транспортировке на большие расстояния, происходит частичная гидратация цемента и прочность его уменьшается. Активность – это прочностная характеристика, определяемая аналогично марке, но оставшаяся от марочной прочности на данный момент времени. Со временем активность цемента уменьшается.
Коррозия цементного камня
Коррозия вызывается воздействием агрессивных газов и жидкостей на составные части цементного камня, в основном Са(ОН)2 и 3СаО·Al2O3·6Н2О. Основные причины коррозии можно разделить на 3 группы (по классификации В.М. Москвина).
1) Разложение составляющих цементного камня, растворение и вымывание гидроксида кальция (коррозия I вида);
2) Образование легкорастворимых или легко под действием воды удаляющихся солей в результате взаимодействия гидроксида кальция с агрессивными веществами среды и вымывание этих солей (коррозия II вида);
3) Образование в порах цементного камня новых соединений, занимающих больший объем, чем исходные вещества, что вызывает возникновение внутренних напряжений в цементном камне и его растрескивание (коррозия III вида).
Коррозия I вида. Она происходит при действии на цементный камень мягких вод, содержащих малое количество растворенных веществ. К ним относятся воды оборотного водоснабжения, конденсат, дождевые и болотные воды и др. Под действием таких вод происходит вымывание гидроксида кальция, и при снижении его содержания в поровой жидкости цементного камня менее 1,1 г/л начинают разлагаться гидросиликаты кальция. Выщелачивание Са(ОН)2 в количестве 15…30% вызывает снижение прочности на 40…50%. Выщелачивание можно заметить по появлению белых потеков, состоящих из продуктов обменных реакций, на поверхности конструкций.
Меры борьбы с коррозией I вида включают следующие мероприятия:
1) ограничение содержания в цементе трехкальциевого силиката C3S до 50%.
2) Введение в состав портландцемента активных минеральных добавок, связывающих гидроксид кальция в нерастворимые соединения (гидросиликаты кальция).
3) Обработка поверхностного слоя цементного камня веществами, образующими на поверхности пленку из нерастворимых продуктов, например, углекислым газом. Этот процесс протекает на воздухе и сопровождается образованием на поверхности конструкций пленки из нерастворимого карбоната кальция.
Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3 ↓ + 2Н2О
Коррозия II вида. Она подразделяется на кислотную и магнезиальную коррозию.
Кислотная коррозия. Она имеет место при действии растворов любой кислоты с рН < 7; исключение составляют поликремневая и кремнефтористоводородная кислота. Свободные кислоты встречаются в сточных водах промышленных предприятий, они могут проникать в почву и в грунтовые воды. Кислота образуется также из кислых газов, содержащихся в атмосфере промышленных предприятий, таких как сернистый газ (образует сернистую и серную кислоты), хлор и хлористый водород (образуют соляную кислоту). Кроме того, на предприятиях химии и нефтехимии возможны технологические розливы кислот, разрушающие конструкции зданий.
Кислота вступает в химическое взаимодействие с гидроксидом кальция цементного камня, при этом образуются растворимые соли, или соли, обладающие невысокой растворимостью, но легко удаляемые с поверхности конструкций.
Са(ОН)2 + 2НСl = CаСl2 + 2Н2О
Са(ОН)2 + Н2SO4= CаSO4 + 2Н2О
Углекислотная коррозия развивается при действии на цементный камень воды, содержащей свободную СО2 в виде слабой угольной кислоты. Реакция протекает в две стадии. На первой цементный камень не разрушается, а даже дополнительно упрочняется создаваемой карбонатной пленкой.
Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3 ↓ + 2Н2О
На второй стадии избыточная двуокись водорода разрушает карбонатную пленку вследствие образования хорошо растворимого бикарбоната кальция
СаСО3 + СО2+ Н2О = Са(НСО3)2
Магнезиальная коррозия. Она имеет место при воздействии на гидроксид кальция магнезиальных солей, которые встречаются в растворенном виде в грунтовых водах, и всегда содержатся в большом количестве в морской воде. Разрушение цементного камня вследствие протекания обменных реакций происходит следующим образом.
Са(ОН)2 + MgСl2 = CаСl2 + Mg(ОН)2
Са(ОН)2 + MgSO4= Cа SO4 + Mg(ОН)2
В результате этих реакций образуется или легкорастворимая соль хлорида кальция CаСl2, или труднорастворимая, но не связанная с цементным камнем и легко механическим путем удаляемая с его поверхности соль сульфата кальция - Cа SO4.
Меры борьбы с коррозией II вида включают в себя следующие мероприятия:
1) Ограничение содержания в цементе трехкальциевого силиката до 50%.
2) Введение в состав цемента активных минеральных добавок, связывающих гидроксид кальция в нерастворимые соединения (гидросиликаты кальция).
3) В случае кислотной коррозии устройство на поверхности конструкций защитных слоев из кислотостойких материалов (кислотостойкого кирпича или плитки, материалов на основе жидкого стекла и др.).
Коррозия III вида. К коррозии III вида относится сульфоалюминатная коррозия, которая возникает при действии на гидроалюминат кальция цементного камня сульфатных вод, содержащих сульфат-ионы в количестве, превышающем 250мг/л. К ним относятся некоторые грунтовые и морские воды. В результате взаимодействия между гидроалюминатом кальция цементного камня и сульфатной агрессивной средой протекает следующая реакция.
3СаО Al2O3·6 Н2О + 3СаSO4 + 25Н2О = 3СаО·Al2O3·3СаSO4·31Н2О
Образование в порах цементного камня малорастворимого гидросульфоалюмината кальция (эттрингита) сопровождается увеличением объема в сравнении с первоначальным ~ в 2 раза. Развивающееся в порах цементного камня кристаллизационное давление снижает его прочность, в конечном счете приводя к растрескиванию цементного камня изнутри. Гидросульфоалюминат кальция называют иногда “цементной бациллой”.
Меры борьбы с коррозией III вида включают в себя следующие мероприятия:
1) Ограничение содержания в цементе трехкальциевого алюмината до 7-8%.
2) Использование в средах с высоким содержанием сульфатных солей специального сульфатостойкого портландцемента.
Разновидности портландцемента
Для получения портландцемента с заданными специальными свойствами используют следующие пути: регулирование минерального состава, введение добавок и уменьшение тонкости помола.
Быстротвердеющие цементы. Быстротвердеющий цемент (БТЦ) – это цемент, отличающийся повышенной прочностью при сжатии в 3-суточном возрасте (Rсж.= 25…28 МПа). Это достигается регулировкой минерального состава (в нем содержатся наиболее быстротвердеющие минералы С3S + С3А= 60…65%) и более тонким помолом (до удельной поверхности 3500…4000 см2/г).
Особобыстротвердеющий портландцемент (ОБТЦ) содержит еще больше быстротвердеющих минералов (С3S = 65% и С3А= 8%) и еще более тонко размолот до 4000…4500 см2/г. Он характеризуется повышенной прочностью при сжатии через одни сутки твердения (Rсж.=20…25МПа).
Сверхбыстротвердеющий цемент (СБТЦ) по химическому составу и тонкости помола аналогичен ОБТЦ, но дополнительно содержит ускоритель твердения портландцемента – хлористый кальций CaCl2. СБТЦ характеризуется повышенной прочностью при сжатии в возрасте 6 часов после затворения (Rсж.= 10…15 МПа).
Сульфатостойкий портландцемент. Он изготавливается на основе клинкера нормированного минерального состава и предназначен для конструкций, обладающих коррозионной стойкостью при воздействии сульфатных вод. Сульфатостойкий портландцемент характеризуется пониженным содержанием трехкальциевого силиката С3S (до 50%) и трехкальциевого алюмината С3А (до 5%). К недостаткам этого цемента можно отнести несколько замедленное твердение. К достоинствам, наряду с высокой стойкостью против коррозии II и III вида, можно отнести несколько повышенную морозостойкость. Обладает малым тепловыделением при твердении.
Цементы с органическими поверхностно-активными добавками. Это цементы, содержащие в своем составе поверхностно-активные органические вещества.
Поверхностно-активные вещества (ПАВы) – это вещества, понижающие поверхностное натяжение на границе раздела фаз и состоящие из длинных углеводородных цепей и полярных групп (-СООН, -ОН и др.) Рассмотрим строение ПАВ на примере олеиновой кислоты С17Н33СООН (рис. 8).
Полярная группа –СООН вследствие некоторой поляризации притягивает к себе диполи воды и проявляет гидрофильные свойства, в то время как углеводородная часть молекулы поляризации не имеет и диполи воды не притягивает, т.е. обладает гидрофобностью.
В зависимости от того, каким концом ориентировано поверхностно-активное вещество на частице цемента, оно может придавать цементу гидрофильные или гидрофобные свойства.
Рисунок 8. Схема строения молекулы поверхностно-активного вещества
Пластифицированный портландцемент. Он представляет собой продукт тонкого измельчения портландцементного клинкера с гипсом и пластифицирующей добавкой. В качестве пластифицирующей добавки используют побочные продукты производства целлюлозы (ЛСТ - лигносульфонат технический) в количестве 0,15…0,25% от массы цемента. Эти добавки адсорбируются на поверхности цементных зерен полярными группами наружу и образуют пленки, которые, будучи гидрофильными, притягивают молекулы воды, обеспечивая гидродинамическую смазку, препятствующую слипанию зерен цемента. В результате повышается пластичность цементного теста. За счет пластифицирующего эффекта можно, сохраняя пластичность цементного теста неизменной, понизить водо-цементное отношение, что приводит к экономии цемента. В основном пластифицированный портландцемент используют в дорожном, аэродромном и гидротехническом строительстве, а также при устройстве наливных бесшовных полов.
Гидрофобный портландцемент. Он представляет собой продукт тонкого измельчения портландцементного клинкера с гипсом и гидрофобной добавкой в количестве 0,06…0,3% от массы цемента. В качестве гидрофобных добавок используют поверхностно-активные вещества (мылонафт, асидол, кремнийорганические жидкости ГКЖ и др.). Эти добавки ориентируются на цементном зерне гидрофобными концами наружу и придают цементу гидрофобные свойства. Гидрофобный портландцемент отличается пониженной гигроскопичностью при хранении и перевозке. Гидрофобные добавки образуют на зернах цемента пленки, затрудняющие способность цемента смачиваться водой. Поэтому ему присуще несколько замедленное твердение. Его рекомендуется применять в тех случаях, когда необходимо его длительное хранение или транспортировка на дальние расстояния.
Белый и цветные цементы. Белый цемент изготавливают из сырьевых материалов с минимальным содержанием окрашивающих примесей – белых известняков и белых каолиновых глин. Для обжига применяют топливо, не загрязняющее его золой (газовое). Белый портландцемент по степени белизны выпускают 3 сортов. В качестве эталона для определения степени белизны применяют молочное матовое стекло с коэффициентом отражения не менее 95%. Степень белизны по коэффициенту отражения должна быть для 1 сорта (БЦ-1) – не ниже 80, для 2 сорта (БЦ-2) – не ниже 75 и для 3 сорта (БЦ-3) – не ниже 68%.
Цветные цементы получают совместным помолом белого клинкера с гипсом и свето - и щелочестойкими пигментами в количестве 10…15% от массы цемента. В качестве пигментов используют тонкомолотые цветные порошки, природные и искусственные. К природным пигментам относятся охра (коричнево-желтый цвет), сурик (коричнево-красный цвет), сажа – черный цвет и др. К искусственным пигментам относятся оксиды и соли металлов, например, оксиды хрома – желтый и зеленый цвет, оксиды марганца – голубой и черный цвет и т.д.
Выпускают 7 разновидностей цветных цементов: желтый, розовый, красный, коричневый, голубой, зеленый, черный.
Белые и цветные цементы применяются для индустриальной отделки стеновых панелей, при изготовлении лестничных ступеней, подоконных плит, в дорожном строительстве для устройства разделительных полос, а также в других случаях архитектурно-художественного оформления зданий и сооружений.
Тампонажные цементы. Тампонажные цементы используют для цементирования нефтяных скважин с целью изоляции нефтеносных слоев от водоносных, а также для отделения нефтеносных слоев друг от друга при многопластовых залежах нефти. Цементирование или тампонирование – весьма ответственная стадия процесса бурения, и качество цементирования часто определяет эффективность эксплуатации скважины. Требования к тампонажному цементу предъявляются следующие: цементный раствор должен обладать достаточной текучестью, обеспечивающей возможность быстрого закачивания в трубу, а затем продавливания в затрубное пространство. Раствор должен оставаться подвижным определенное время, пока идет цементирование. Это достигается при В/Ц = 0,4…0,5. Тампонажные цементы должны характеризоваться необходимой прочностью в первые двое суток твердения. Считают, что она должна составлять от 2,3 до 3,5 МПа.
Цемент одной разновидности не может удовлетворить всем требованиям, связанным с различными условиями работы в скважинах. Поэтому цементная промышленность выпускает два основных вида тампонажных цементов. Один из них предназначен для цементирования «холодных» скважин, другой – «горячих». Цементы испытывают при 295 и 348оК. Требования к ним весьма высоки. Стандарт регламентирует жесткие пределы для сроков схватывания: начало не ранее 2 часов для цементов холодных скважин и не ранее 1,5 часов для цементов горячих скважин. Конец схватывания цемента для холодных скважин – не позднее 10 часов, для горячих – не позднее 5 часов. Это время необходимо, чтобы успеть закачать раствор в скважину и продавить его на нужную высоту в затрубное пространство.
Тампонажный цемент для холодных скважин должен содержать С3S +C3A = 60%, удельная поверхность его должна составлять 3000-3500 см2/г.
Цемент для горячих скважин в целях замедления схватывания должен быть низкоалюминатным. Он предназначен для службы при температуре 348оК. Содержание C3A не должно превышать 3%.
Портландцементы с активными минеральными добавками. Активными минеральными добавками называют природные или искусственные вещества, которые при смешении с известью (СаО) и водой образуют тесто, твердеющее по гидравлическому механизму не только на воздухе, но и в воде. Они содержат диоксид кремния (SiO2) в аморфном состоянии, которое, будучи химически активным, позволяет им взаимодействовать с СаО. Активные минеральные добавки бывают природные, как вулканического (пемзы, туфы и др.), так и осадочного происхождения (диатомиты, трепелы, опоки), а также искусственные - золы, шлаки и др. При добавлении в цементы активная минеральная добавка связывает образующееся при твердении цемента некоторое количество Са(ОН)2, с образованием нерастворимых гидросиликатов кальция. В результате возрастает плотность цементного камня и его коррозионная стойкость.
Портландцемент с активной минеральной добавкой. Он содержит активную минеральную добавку в количестве 10…20% от массы цемента, имеет те же марки, что и портландцемент, и близок к нему по другим свойствам.
Пуццолановый портландцемент. Его изготавливают путем совместного помола портландцементного клинкера с гипсом и активной минеральной добавкой природного происхождения, причем добавок осадочного происхождения должно содержаться 20…30%, а добавок вулканического происхождения – 25…40%.
Пуццолановый портландцемент отличается повышенной стойкостью в сульфатных и пресных водах, высокой водонепроницаемостью, малым тепловыделением при твердении. К недостаткам его относится невысокая морозостойкость, большая усадка при твердении на воздухе, замедленное твердение. Марки по прочности М 300 и 400. Пуццолановый портландцемент применяют для производства бетонных и железобетонных подземных и подводных конструкций, а также для массивных гидротехнических сооружений.
Шлакопортландцемент. Его получают путем совместного помола портландцементного клинкера с гипсом и доменным гранулированным шлаком в количестве от 21 до 80%.
Шлакопортландцемент характеризуется высокой коррозионной стойкостью, высокой водонепроницаемостью, незначительной усадкой при твердении, а также невысокой стоимостью (~ на 20% дешевле портландцемента). Кроме того, шлакопортландцемент при твердении выделяет в 2…2,5 раза меньше тепла, что делает его незаменимым вяжущим для массивных конструкций. В отличие от пуццоланового портландцемента, шлакопортландцемент обладает более высокой морозостойкостью и меньшей усадкой на воздухе в процессе твердения, но также замедленно набирает прочность. Его используют в гидротехническом строительстве, а также для конструкций, подвергающихся частому увлажнению и высыханию.
Алюминатные цементы
Алюминатные цементы состоят в основном из алюминатов кальция. К ним относится глиноземистый цемент и его разновидности.
Глиноземистый цемент. Глиноземистый цемент – продукт тонкого измельчения глиноземистого клинкера, получаемого обжигом сырьевой смеси из известняков и бокситов при температуре 1300…1400о.
Химический и минеральный состав. Химический состав: Аl2O3, СаО, SiO2, Fe2O3. Минеральный состав: однокальциевые алюминаты СаО·Аl2O3 и СаО·2Аl2O3.
Глиноземистый цемент представляет собой быстротвердеющее, но нормально схватывающееся вяжущее. Твердение глиноземистого цемента протекает только при комнатной температуре не выше 25о по следующей реакции
2(СаО·Al2O3) + 11Н2О = СаО·Al2O3·8Н2О + 2Al(ОН)3
При твердении выделяется в 1,5 раза больше тепла, чем при твердении портландцемента.
Марки его назначаются в 3-суточном возрасте, при этом они почти такие же, что и у портландцемента. Глиноземистый цемент выпускают марок М400, М500, М600. Сроки схватывания у него такие же, как и у портландцемента.
Это вяжущее обладает рядом особых свойств – повышенной коррозионной и жаростойкостью, высокой прочностью и морозостойкостью. По стоимости глиноземистый цемент в 3-4 раза дороже портландцемента.
Глиноземистый цемент применяют для жаростойких бетонов и растворов, при ремонтных работах, а также в производстве безусадочных и расширяющихся цементов, широко используемых для ремонта и реставрации бетонных сооружений.
Безусадочные и расширяющиеся цементы. У силикатных цементов (портландцемента и его разновидностей) есть один недостаток. Все они при твердении дают усадку, т.е. уменьшаются в размерах и объеме. В ряде случаев это может привести к растрескиванию изделий. Для того, чтобы избежать деформаций усадки, создали безусадочные и расширяющиеся цементы, которые в своей основе содержат глиноземистый цемент. Они обладают контролируемым расширением. Эти цементы используют в основном при ремонтно-восстановительных работах, для гидроизоляции и др.
Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ). Его получают из глиноземистого цемента, гипса и гидроалюмината кальция. Марка по прочности М 500. Расширение происходит в первые трое суток твердения. При твердении на воздухе оно составляет через сутки 0,05%, в воде от 0,2 до 1%.
Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент (ГГРЦ). Его получают из глиноземистого клинкера и двуводного гипса. Марка по прочности М 500. Он расширяется при твердении в воде на 0,6% за 3 суток твердения, при твердении на воздухе проявляет безусадочные свойства.
Расширяющийся портландцемент (РПЦ). Его получают из портландцементного и глиноземистого клинкера, гипса и активной минеральной добавки (шлака). Марка по прочности М 500. Он расширяется при твердении в воде за 30 суток до 2,5%, при твердении на воздухе способен расширяться на 0,3% только в первые 3 суток при постоянном увлажнении.
Напрягающий цемент (НЦ). Он состоит из 65-75% портландцемента, 13-20% глиноземистого цемента и 6-10% гипса. В процессе расширения в определенных условиях твердения этот цемент создает в арматуре предварительное напряжение. Затворенный водой, он сначала твердеет и набирает прочность, затем расширяется как твердое тело и напрягает железобетон. Напрягающий цемент показывает значительное расширение после затвердевания и приобретения прочности порядка 10-20 МПа, что позволяет применять его для изготовления железобетонных конструкций, в которых арматура получает предварительное напряжение вследствие напряжения бетона, например, железобетонных напорных труб, резервуаров и т.д.
|
|
|
