Гидравлические вяжущие вещества

Гидравлические вяжущие вещества — вяжущие, способные твердеть и длительное время сохранять прочность не только на воздухе, но и в воде.

2.1. Гидравлическая известь;

2.2. Романцемент;

2.3. Портландцемент (ПЦ);

2.4. Смешанные цементы (пуццолановый портландцемент (ППЦ), шлакопортландцемент (ШПЦ));

2.5. Пластифицированный ПЦ

2.6. Гидрофобный ПЦ

2.7. Быстротвердеющий цемент (БТЦ), особобыстротвердеющий цемент (ОБТЦ). Требуемая прочность таких цементов достигается через 1-3 суток (обычно — 28 суток);

2.8. Глинозёмистый цемент

2.9. Напрягающий цемент

2.10. Вяжущие низкой водопотребности (ВНВ)

2.11. Шлакощелочные вяжущие (ШЩВ).

Портландцемент (пц)

ПЦ — гидравлическое вяжущее вещество, в составе которого преобладают силикаты кальция.

ПЦ — тонкомолотый клинкер с добавлением гипса и иногда до 20% активных добавок.

Клинкер получается обжигом до спекания природного сырья (мергеля) или сырьевой смеси, содержащей известняк и глину.

Получение клинкера и портландцемента

1. Приготовление сырья ≈ 75% CaCO₃ (известняк) + ≈ 25% глины.

1.1. Мокрый способ

Сырьевую смесь измельчают в шаровых мельницах в присутствии большого количества воды (до 36…42% массы сухого вещества) и получают жидкотекучую массу, называемую шламом.

1.2. Сухой способ

Готовят сухой порошок смеси исходных материалов (сырьевую муку).

2. Обжиг сырьевой смеси;

Обжиг сырьевой смеси производят во вращающейся печи.

Основные процессы, происходящие при обжиге:

При температуре 100 ºС — удаление свободной воды;

при 475 ºС — разложение глинистого компонента на оксиды SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃;

при 900 ºС — разложение известняка CaCO₃ → CaO + CO₂ ↑;

при 1200 ºС — образование клинкерных минералов:

2CaO + SiO₂ → 2CaO ∙SiO₂ — C₂S двухкальциевый силикат;

3CaO + Al₂O₃ → 3CaO ∙Al₂O₃ — C₃A трёхкальциевый алюминат;

4CaO + Al₂O₃ + Fe₂O₃ → 4CaO ∙Al₂O₃ ∙Fe₂O₃ — C₄AF четырехкальцевый алюмоферрит;

При температуре обжига 1450 – 1500 ºС образуется основной клинкерный минерал трёхкальциевый силикат C₃S.

3. Резкое охлаждение клинкера с температуры ≈ 1500 ºС до 100…200 ºС.

4. Измельчение клинкера с добавлением гипса и активных минеральных добавок.

Химический состав клинкера пц

Основные оксиды:

CaO — 62…67%;

SiO₂ — 19…24%;

Al₂O₃ — 6…8%;

Fe₂O₃ — 4…6%.

Все другие оксиды — вредные и их содержание ограничивают:

CaO_своб <1-3%; MgO < 5%; Na₂O+K₂O < 0,6%; 1< SO₃<3,5 (1,5…4,0) и др.

Минеральный состав клинкера пц

3CaO SiO₂ — C₃S — 45…65%;

2CaO SiO₂ — C₂S — 15…35%;

3CaO Al₂O₃ — C₃A — трёхкальциевый алюминат — до 12%;

4CaO Al₂O₃ Fe₂O₃ — C₄AF — четырёхкальциевый алюмоферрит — 18%.

С войства клинкерных минералов

C₃S придаёт прочность цементному камню в ранние сроки (до двух дней), чем его больше, тем выше марка цемента и выделяется больше тепла при гидратации.

C₂S к одному году догоняет по прочности C₃S, выделяет мало тепла при гидратации.

C₃A - с него начинается гидратация, очень быстро набирает прочность, но не высокую.

Портландцементы с минеральными добавками.

Активные минеральные добавки - вещества, которые в тонкоизмельченном виде при смешивании с воздушной известью и затворении водой об­разуют тесто, способное после твердения на воздухе продолжать твердеть и под водой.

Активные минеральные добавки (называемые иначе гидравли­ческими добавками) содержат диоксид кремния в аморфном, а, сле­довательно, в химически активном состоянии и способны, поэтому взаимодействовать с гидроксидом кальция, образуя гидросиликаты кальция.

Активные минеральные добавки могут быть природными (естест­венными) и искусственными. В качестве природных активных доба­вок широко используют горные породы (диатомит, трепел, опоку, горелые глинистые породы - глиежи), а также породы вулканическо­го происхождения (вулканический пепел, туф, пемзу, витрофир, трасс).

Искусственные активные минеральные добавки представляют собой побочные продукты и отходы промышленности.

Пуццолановый портландцемент изготовляют путем совместно­го помола клинкера и активной минеральной добавки с необходимым количеством гипса. Добавок осадочного происхождения (диатомита, трепела, опоки) должно быть не менее 20% и не более 30%, а вулка­нических добавок (пемзы, туфа), а также глиежа или топливной золы - не менее 25% и не более 40%. Активная минеральная добавка вна­чале адсорбирует, а затем, химически связывает гидроксид кальция, образующийся при взаимодействии алита с водой:

m∙Ca(OH)₂ +SiO_2акт+n∙H₂O (0,8-1,5)CaO∙SiO₂∙pH₂O

В результате этого процесса, происходящего во влажных условиях и при положительной температуре, растворимый гидроксид кальция связывается в практически нерастворимый гидросиликат кальция. Вследствие этого значительно возрастает стойкость бетона в отноше­нии выщелачивания Са(ОН) . Пуццолановый портландцемент следу­ет применять для бетонов, постоянно находящихся во влажных усло­виях (подводные и подземные части сооружений). На воздухе бетон на пуццолановом портландцементе дает большую усадку и в сухих условиях частично теряет прочность, что объясняется "выветриванием" воды из гидратных соединений. Кроме того, бето­ны на этом цементе имеют низкую морозостойкость и не годятся для сооружений, подвергающихся замораживанию и оттаиванию. Пуццо­лановый портландцемент твердеет в нормальных условиях медлен­нее, чем портландцемент. Поэтому его не следует применять при зимних бетонных работах.

Пуццолановый портландцемент обладает сравнительно неболь­шим тепловыделением и часто применяется для бетонов внутренних частей массивных сооружений (плотин, шлюзов и т.п.). Выпускается М300 и М400.

Шлакопортландцемент - гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе. Он получается путем совместного тонкого помола клинкера и гранулированного доменного (или электротермофосфорного) шлака с необходимым количеством гипса. До­пускается раздельный помол компонентов и их последующее смеше­ние. Количество доменного шлака в шлакопортландцементе должно быть не менее 21% и не более 80% (от массы цемента). Допускается замена до 10% шлака трепелом или другой активной добавкой.

Доменные шлаки по своему химическому составу напоминают це­ментный клинкер. В них преобладают оксиды (%): 30-50 СаО; 28-30 SiO₂; 8-24 А1₂О₃; 1-3 МnО; 1-18 MgO, общее содержание которых достигает 90-95%. Гидравлическая активность шлаков характеризу­ется коэффициентом качества:

Незначительное содержание в цементном камне Са(ОН)₂ повыша­ет стойкость шлакопортландцемента в мягких и сульфатных водах по сравнению с портландцементом. Тепловыделение при твердении шлакопортландцемента в 2-2,5 раза меньше, чем у портландцемента, поэтому он является самым подходящим цементом для бетона мас-сивных конструкций. Шлакопортландцемент выгодно отличается от пуццоланового портландцемента умеренной водопотребностью, бо­лее высокой воздухостойкостью и морозостойкостью. Он успешно применяется как для надземных, так и подземных и подводных час­тей сооружений. Стоимость его на 15-20% ниже стоимости порт­ландцемента.

Жаростойкость шлакопортландцемента значительно выше, чем у портландцемента, поэтому он широко используется для изготовления жаростойких бетонов. Однако шлакопортландцементу присущ тот же недостаток, что и пуццолановому портландцементу - он медленно набирает прочность в первое время твердения, в особенности при пониженных температурах. Этот недостаток устраняется в быстротвердеющем шлакопортландцементе, который обладает более интен­сивным нарастанием прочности, чем обычный шлакопортландце­мент. Обычный шлакопортландцемент имеет марки: 300, 400 и 500.

Быстротвердеющий шлакопортландцемент марки М400 за 3 суток твер­дения должен приобрести прочность при сжатии не менее 20 МПа, при изгибе - не менее 3,5 МПа. Этот вид це­мента эффективно применять в производстве бетонных и железобе­тонных изделий, изготовляемых с применением тепловлажностной обработки.

Гипсоцементнопуццолановые вяжущие (ГЦПВ) получают, сме­шивая полуводный гипс (50-75%), портландцемент (15-25%) и ак­тивную минеральную добавку (10-25%) по массе - трепел, диатомит и т.п. Эти вяжущие относят к числу гидравлических и применяют в заводском производстве санитарно-технических кабин, стеновых панелей и других конструкций.