5.3.4.3. Цементы на основе глиноземистого клинкера

К этой группе относят глиноземистый, гипсоглиноземистый и водонепроницаемый расширяющийся цементы.

Глиноземистый цемент представляет собой гидравлическое быстро твердеющее вяжущее вещество, получаемое измельчением глиноземистого клинкера. Клинкер получают из обожженной до плавления или спекания смеси, состоящей из бокситов и известняков.

Глиноземистый цемент в строительстве применяют в чистом виде и в качестве компонента для изготовления расширяющихся, жаростойких и других вяжущих.

Химический состав глиноземистого цемента характеризуется содержанием в нем главных оксидов: алюминия (глинозем Al₂О₃) — 30–50%, кальция (CaO) — 35–45%, кремния (кремнезем SiO₂) — 5–15%, железа (F₂О₃) — 5–15% и небольшого количества в виде примесей других оксидов: титана (TiO₂) — 1,5–2,5%, магния (МgО) — 0,5–1,5%, серного ангидрида (SO₃) — 0,1–1%, щелочных металлов (Nа₂О + К₂О) — до 1%.

Минеральный состав глиноземистого цемента характеризуется содержанием в нем соединений однокальциевого алюмината CaO ·Al₂О₃(CA), однокальциевого двухалюмината СаО·2А1₂О₃(СА₂), пятикальциевого трехалюмината 5СаО·3Аl₂О₃(С₅А₃), геленита 2CaO·Al₂О₃·SiO₂(C₂AS), двухкальциевого силиката b2СаО·SiО₂(b-С₂S). Основным минералом глиноземистого цемента, определяющим его свойства, является СА. Он образует твердые растворы с однокальциевым ферритом до 15% и оксидом железа — до 10%. При твердении дает камень высокой прочности. Минерал С₃А₅ быстро схватывается и твердеет, СА₂ твердеет, но имеет высокую конечную прочность.

Сырьем для изготовления глиноземистого цемента являются известняки СаСО₃ и бокситы А1₂О₃·nН₂О. Могут применяться алюминиевые шлаки и обожженные высокоглиноземистые глины. Изготавливают глиноземистый цемент двумя способами: спеканием или плавлением сырьевой смеси.

По способу спекания во вращающихся или шахтных печах производят обжиг тонкоизмельченной сырьевой смеси боксита и известняка. При температуре около 1300 ^oС образуется глиноземистый клинкер.

По способу плавления в доменных печах одновременно получают чугун и глиноземистый шлак. Печь загружают железистым бокситом, известняком, металлическим ломом и коксом. Расплавленные чугун и шлак периодически выпускают. Температура шлака составляет 1600–1700 ^oС. Охлажденный шлак является клинкером глиноземистого цемента.

Твердение глиноземистого цемента происходит в результате взаимодействия минералов с водой, и в первую очередь основного минерала СА, которое протекает по схеме:

CaO·Al₂О₃ + 10Н₂O = CaO·Al₂О₃·10Н₂О.

При температуре 22–30 ^oС CaO·Al₂О₃·10Н₂О переходят в 2CaO·Al₂О₃ х8Н₂О и образуется гидроксид алюминия Аl(ОН)₂.

Истинная плотность глиноземистого цемента составляет 3,1–3,3 г/см³, насыпная плотность в рыхлонасыпном состоянии — 1000–1300 , в уплотненном — 1600–1800 кг/м³, водопотребность — 23–28%. Начало схватывания должно наступать не ранее 45 мин, конец — не позже 12 ч. Ускорителями служат Са(ОН)₂, Na₂CO₃, CaSO₄, портландцемент, замедлителями — NaСl, CaCl₂, KCl, винная кислота и др.

Этот цемент при твердении быстро набирает прочность. Через 10–15 ч она составляет 15–20 МПа, через сутки — 80–90% от марочной. Марки цемента, определяемые в возрасте 3 сут., — 400, 500 и 600. Через 10–20 лет он приобретает прочность, превышающую марочную на 50–60%.

Глиноземистый цемент интенсивно твердеет при пониженных температурах. Так, при 0 ^oС через трое суток прочность его составляет 50% от марочной. Это объясняется повышенной экзотермией в начальный период. Пропаривание и автоклавная обработка понижают его прочность.

Бетоны на глиноземистом цементе по сравнению с бетонами на портландцементе имеют повышенную водостойкость. Жаростойкость их очень высокая и составляет 1200–1600 ^oС. Объясняется это отсутствием в цементном камне гидроксида кальция. Они также имеют более высокую водонепроницаемость и морозостойкость в связи с тем, что пористость цементного камня на глиноземистом цементе в 1,5 раза меньше пористости портландцементного камня.

Глиноземистый цемент рекомендуют применять для изготовления жаростойких, морозостойких и водонепроницаемых бетонов, при выполнении аварийных и ремонтных работ. Ограничивает его применение высокая стоимость, превышающая стоимость портландцемента в 5–6 раз.

Гипсоглиноземистый цемент получают совместным измельчением 70% высокоглиноземистого шлака с повышенным содержанием минерала СА и 30% двуводного гипса. Твердение цемента происходит в результате образования САН при его взаимодействии с водой. Кроме того, образуется гидросульфоалюминат кальция, который вызывает расширение, составляющее через 3 суток от 0,1 до 0,7%. Гипсоглиноземистый цемент — это быстро схватывающее вяжущее с началом схватывания не ранее 10 мин и концом — не позднее 4 ч.

По прочности при сжатии в возрасте 28 суток гипсоглиноземистый цемент подразделяют на марки 400 и 500. Предел прочности через 3 суток должен быть не менее 28 МПа. Имеет повышенную водонепроницаемость. Образцы-цилиндры диаметром и высотой 150 мм из цементно-песчаного раствора состава 1:2 не должны пропускать воду при давлении 1 МПа.

Новые бетоны на гипсоглиноземистом цементе имеют силу сцепления со старым бетоном в 20–25 раз выше, чем бетоны на портландцементе.

Применяют гипсоглиноземистый цемент для водонепроницаемых и расширяющихся бетонов и растворов, для заделки стыков сборных железобетонных изделий.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) состоит из 73–76% глиноземистого цемента, 20–22% строительного гипса и 10–11% высокоосновных, гидроалюминатов кальция.

Гидроалюминаты кальция получают гидротермической обработкой при температуре 120–150 ^oС глиноземистого цемента с гашеной известью. Затем составляющие измельчают совместно или раздельно, а потом смешивают. Начало схватывания этого цемента наступает не ранее 4 мин, конец — не позже 10 мин. Замедляют сроки схватывания добавки ЛСТ, буры, уксусной кислоты. Расширение через сутки составляет не менее 0,2 и не более 1%.

Применяют ВРЦ в ремонтных работах, для получения водонепроницаемых швов.