8.12. Расширяющиеся цементы

| Портландцемент и материалы на его основе при твердении на воздухе обнаруживают усадку. Так, тесто на портландцементе при В/Ц = 0,45 имеет усадку на воздухе около 2,5 мм/м, а раствор на том же цементе «1 мм/м. Из-за этого при бетонировании протяженных конструкций, например, покрытий полов, на них появляются трещины. В то же время растрескивание бетона абсолютно недопустимо, напри­мер, для конструкций, работающих под давлением воды, таких, как трубы, резервуары и т. п. Для этих целей применяют специальные расширяющиеся и безусадочные цементы (рис, 8.5).

Расширяющиеся цементы даже при твердении на воздухе имеют небольшое увеличение в объеме при твердении. Безусадочные цементы — это расширяющиеся цементы, у которых расширение только ком­пенсирует усадку. Поэтому такие цементы как бы сами уплотняют себя, делая бетон водонепроницаемым. А в случае, если расширяющиеся • Цементы используются в железобетонных конструкциях, эффект рас-

ширения вяжущего может вы­зывать натяжение арматуры и сжатие самого бетона, что до­полнительно защитит бетон от образования трещин (подроб­нее см. § 13.1). Такие цементы называют напрягающими.

Эффект расширения вяжу­щего может быть достигнут раз­личными методами. Например, путем образования газовых пу­зырьков в твердеющем тесте вя­жущего или с помощью реак­ции гашения добавляемого в цемент СаО при переходе в Са(ОН)₂ (см. § 8.6). Эти методы применяют при решении раз­личных задач. Например, метод гашения СаО используют при

добыче крупных каменных блоков с помощью так называемого «тихого взрыва».

Для строительных целей в основном используют цементы, в которых расширение достигается с помощью образования эттрингита — гидросульфоалюмината кальция ЗСаО А1₂О₃ • 3CaSO₄ (31 — 32) Н₂О. Образование эттрингита возможно при взаимодействии алюми­натов и сульфатов кальция в водной среде; оно было рассмотрено при описании сульфатной коррозии портландцементного камня (см. § 8.8).

Как видно из формулы, в состав эттрингита входит большое количество воды. Именно это обстоятельство обеспечивает эффект расширения: исходные твердые продукты, взаимодействуя друг с дру­гом и гидратируясь (т. е присоединяя воду), увеличиваются в объеме в 2...2,5 раза.

В твердеющем материале на расширяющемся цементе протекают два процесса — расширение, обусловленное процессом кристаллизации эттрингита с увеличением объема новообразований и ростом внутрен­них растягивающих напряжений, и препятствующий расширению процесс — рост прочности самого цементного камня.

Если образование эттрингита будет протекать раньше, чем у це­ментного камня появится хотя бы небольшая прочность, то эттрингит будет сжимать податливую гелеобразную массу и заметного расшире­ния не произойдет.

Если эттрингит будет образовываться в то время, когда цементный камень набрал достаточно высокую прочность, то напряжения, обус-

иювленные ростом кристаллов эттрингита в ограниченном объеме, шогут вызвать падение прочности и даже разрушение цементного 'камня, как это имеет место при сульфатной коррозии (см. § 8.8).

Таким образом, главная задача при разработке составов расширя­ющихся и безусадочных вяжущих — правильный выбор не только количества образующегося эттрингита, но и момента его образования относительно процесса формирования структуры цементного камня. Дчя различных видов расширяющихся цементов период наиболее интенсивного и безопасного расширения цементного камня составляет от 12 ч до 3...7 сут в зависимости от свойств основного структурооб­разующего вяжущего.

Основными вяжущими в расширяющихся цементах могут быть:

• алюминатные цементы (глиноземистый и др.);

• силикатные цементы (портландцемент и др.);

• сама расширяющаяся система (эттрингит).

Ниже приведены главнейшие виды расширяющихся и безусадоч­ных цементов.

I На основе портландцемента получают: 1 расширяющийся портландцемент (РПЦ), получаемый совместным ромолом клинкера портландцемента (60...65 %), высокоглиноземистьгх ■доменных шлаков (5..7 %), двуводного гипса (7...10 %) и активных (минеральных добавок. Сроки схватывания и прочностные характери­стики соответствуют портландцементу (марки 400,500 и 600). Линейное расширение на воздухе через 28 сут — не менее 0,1 %;

напрягающий цемент (НЦ), разработанный В.В. Михайловым, по­лучают совместным помолом клинкера портландцемента (65...75 %), двуводного гипса (6... 10%) и высокоглиноземистого компонента (13...20 %). Сроки схватывания: начало — не ранее 30 мин, конец — не позднее 4 ч. Прочность через 1 сут — не менее 15 МПа; через 28 сут — не менее 50 МПа.

В случае изготовления железобетонной конструкции на напрягаю­щем цементе энергия расширения вяжущего частично идет на создание растягивающих напряжений в арматуре. Реакция арматуры вызывает в бетоне сжимающие напряжения. Таким образом, получаются само­напряженные железобетонные конструкции высокой плотности и тре-щиностойкости. Такой метод самонапряжения используется при бетонировании емкостей для хранения газов и жидкостей, устройстве гидроизоляционных слоев. Например, при бетонировании чаши ста­диона в Лужниках, которая одновременно является и крышей для помещений внизу, и полом, на котором находятся скамьи для зрителей, для обеспечения водонепроницаемости использовалась смесь на осно-1 ве напрягающего цемента. I На основе алюминатных вяжущих производят:

водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ), получаемый со-'вместным помолом глиноземистого цемента (70%), гипса (20%) и высокоосновного гидроалюмината кальция (10 %). РЦ — быстросхва-тывающееся (минуты) и быстротвердеющее вяжущее (Д^ через 6ч-не менее 7,5 МПа; через 3 сут — не ниже 30 МПа). Расширение на воздухе через 1 сут — не менее 0,05 %, через 28 сут — не менее 0,02 %,

гипсоглиноземистый цемент (разработан И.В. Кравченко) получают совместным помолом высокоглиноземистых шлаков (70 %) и двувод-ного гипса (30 %). Этот цемент схватывается в течение 2...4 ч и быстро твердеет; Л_сж через 3 сут — 40...50 МПа. Расширение через 28 сут при твердении на воздухе —- не менее 0,1 %.

В последнее время в роли безусадочных и расширяющихся вяжущих стали использовать гипсоалюминатные системы, основным и часто единственным продуктом твердения которых является эттрингит. Бе­тоны и растворы на таких вяжущих быстро твердеют, достигая проч­ности 30...50 МПа через 1...3 сут в воздушно-сухих условиях. Прототипом таких смесей является гипсоглиноземистый цемент И.В. Кравченко.

Для обеспечения образования эттрингита в смесях с безусадоч­ными и расширяющимися цементами должна присутствовать вода в продолжение всего времени твердения. Эттрингит при нагреве выше 80... 100° С начинает отдавать кристаллизационную воду, что сопровождается снижением прочности. Эти обстоятельства необ­ходимо учитывать при использовании расширяющихся цементов.

Перспективная область применения бетонов и растворов на рас­ширяющихся и безусадочных вяжущих — бесшовные тонкослойные стяжки или лицевые покрытия полов большой площади. С помощью полимерных модификаторов таким смесям придают свойство самовы­равнивания, а эффект безусадочное™ гарантирует трещиностойкость. Быстрое твердение и защитные полимерные добавки обеспечивают необходимое количество воды для протекания полной гидратации без какого-либо специального ухода.

Лабораторная работа №6 Стандартные испытания гипсовых вяжущих

Цель: ознакомиться с требованиями ГОСТа к гипсовым вяжущим (гипсу) и изучить методы определения стандартной консистенции, сроков схватывания и марки по прочности гипса в соответствии с ГОСТом.

Материалы: гипс строительный — 1,3 кг; вода водопроводная.

Приборы и приспособления: весы торговые, мерный цилиндр вме­стимостью 500 или 250 см³; чаша для перемешивания и ручная мешалка; вискозиметр Суттарда; прибор Вика с иглой, трехгнездная форма для изготовления образцов 4 х 4 х 16 см.

Ход работы

/. Определение стандартной консистенции

Сущность метода количественной оценки стандартной консистен­ции (нормальной густоты) гипсового теста состоит в определении диаметра расплыва теста, вытекающего из полого цилиндра без дна (вискозиметра Суттарда). Диаметр расплыва теста стандартной кон­систенции должен быть равен (180 ±5) мм. Консистенцию выражают в % как отношение массы воды, необходимой для получения теста, к массе гипсового вяжущего.

Перед началом испытаний на стол укладывают квадратный лист стекла размером не менее 240 мм. Чтобы облегчить измерения, на стекло или бумагу, находящуюся под стеклом, наносят концентриче­ские окружности диаметром от 150 до 220 мм через каждые 10 мм и диаметром от 170 до 190 мм через 5 мм. Цилиндр / (рис. 8.6), изготовленный из нержавеющего металла и имеющий полированную внутреннюю поверхность, ставят в центр стеклянной пластинки 2. Внутреннюю поверхность цилиндра и пластинку перед испытанием протирают влажной тканью.

Для определения стандартной консистенции отвешивают 300...350 г гипса и отмеривают 45...55 % воды от массы гипса. Все измерения проводят с погрешностью не более 0,1 %. Воду вливают в чистую чашку и туда же в течение 2...5 с всыпают отвешенное количество гипса. ; Полученную массу перемешивают ручной мешалкой в течение 30 с, _} начиная отсчет от момента всыпания гипса в воду. После окончания : перемешивания цилиндр, установленный в центре пластинки, запол­няют гипсовым тестом, излишки которого срезают линейкой. Через 45 с, считая от начала перемешивания, цилиндр быстро поднимают вверх на высоту 15...20 см. Время перемешивания должно строго соблюдать­ся, так как вязкость гипсового теста быстро возрастает во времени и нарушение продолжительности пере-

мешивания дает искаженные резуль­таты испытания.

Диаметр расплыва измеряют не­посредственно после поднятия ци­линдра в двух взаимно перпенди­кулярных направлениях с погрешно­стью не более 5 мм и вычисляют среднее арифметическое значение. Если диаметр расплыва отличается от (180 ± 5) мм, испытание повторяют с измененным количеством воды, до­биваясь требуемого расплыва.

//. Определение сроков схватывания

Сроки схватывания гипса определяют с помощью прибора Вика с иглой (рис. 8.7) на тесте стандартной консистенции. Для испытания берут 200 г гипса и воду в количестве, соответствующем тесту стандар­тной консистенции. Гипс всыпают в воду, одновременно включая секундомер, и перемешивают в течение не более 1 мин до получения однородного теста.

Готовое тесто выливают в коническое кольцо-форму, установлен­ное на пластинке. Кольцо-форму после каждого испытания тщательно очищают и смазывают машинным маслом. Чтобы удалить попавший в тесто воздух, кольцо с пластинкой 5...6 раз встряхивают, поднимая и опуская одну из сторон пластинки на 10... 15 мм. Затем излишек теста срезают ножом, одновременно заглаживая его поверхность, после чего пластинку с кольцом устанавливают на прибор Вика.

Стержень прибора устанавливают так, чтобы игла 2 касалась по­верхности гипсового теста. Далее отпускают зажимный винт и игла под действием силы тяжести стержня погружается в тесто. Погружения производят с интервалом 30 с, начиная с'Целого числа минут (обычно 2 мин). После каждого погружения йот/ тщательно вытирают, а пластинку вместе с кольцом передвигают так, чтобы игла при новом погружении попадала в другое место поверхности гипсового теста.

Начало схватывания фиксируют как момент от начала приготовле­ния цементного теста (затворения цемента) до момента, когда игла впервые не дойдет до дна кольца /на 1...2 мм (фиксируют по шкале 5).

Концом схватывания считается время от момента всыпания гипса в воду до момента, когда игла погрузится в тесто не более чем на 1...2 мм.

По полученным данным определяют, к какой группе относится испытуемый гипс (А; Б или В) по срокам твердения (см. § 8,3).

///. Определение марки гипса по прочности

Сущность испытания заключается в определении пределов проч­ности стандартного образца-балочки размером 40 х 40 х 160 мм, кото­рую испытывают на изгиб, а образовавшиеся половинки балочки — на сжатие.

Образцы формуют из теста стандартной консистенции. Для этого берут 1200 г гипса и количество воды, необходимое для получения теста нормальной густоты. Гипс всыпают в воду и интенсивно перемешивают в течение 60 с. Образцы формуют в трехгнездных формах (рис. 8.8), которые предварительно очищают и смазывают машинным маслом. Все три гнезда формы заполняют одновременно, для чего чашку с гипсовым тестом равномерно продвигают над формой. Для удаления воздуха заполненную форму встряхивают 5...6 раз.

После наступления начала схватывания излишки гипсового теста срезают линейкой. Через (15 ±5) мин после конца схватывания образцы извлекают из формы.

Испытания начинают через 2 ч после начала перемешивания.

иоразы испытывают на изгиб на машине МИИ—100 или на другой испытательной машине, развива­ющей усилие до 5 кН. Балочки устанавливают на опоры таким об­разом, чтобы те грани, которые были горизонтальными при изго­товлении, при испытании находи­лись бы в вертикальном поло­жении (рис. 8.9, а). Испытания и расчет предела прочности при из­гибе проводят в соответствии с инструкцией, прилагаемой к ис­пытательной машине. Предел прочности при изгибе испытывае­мого портландцемента вычисляют как среднее арифметическое из двух наибольших результатов ис­пытаний трех образцов.

Предел прочности при сжатии определяется испытанием половинок образцов-балочек, получившихся после испытаний на изгиб (шесть штук). Для того чтобы результаты испытаний половинок балочек были сопоставимы, несмотря на разный размер, используют металлические накладки, через которые нагрузка от плит пресса передается на образец (рис. 8.9, б). Площадь поверхности накладок, соприкасающейся с образцом, равна 25 см². Половинку балочек помещают между двумя накладками 2 таким образом, чтобы боковые грани, которые при изготовлении прилегали к продольным стенкам формы, находились на плоскостях пластинок, а упоры накладок плотно прилегали к торцовой грани образца 4.

Образец с пластинками центрируют на опорной плите 5 пресса. Средняя скорость нарастания нагрузки на образец при испытании должна составлять (5 ± 1,25) кН/с. Предел прочности при сжатии Д._ж (МПа) каждого образца вычисляют по формуле

где F— разрушающая нагрузка, кН; А — площадь металлических пла­стинок, см .

Предел прочности при сжатии гипсовых образцов вычисляют по результатам испытаний как среднее арифметическое из четырех ре­зультатов (наибольший и наименьший результаты не учитывают).

Марку по прочности гипсового вяжущего устанавливают в соответ­ствии с требованиями стандарта (см. § 8.3) по наименьшему значению предела прочности при сжатии или изгибе.

Лабораторная работа №7 Определение марки портландцемента

Цель: изучить методику определения марки портландцемента.

Материалы: портландцемент (или какой-либо другой вид цемента на основе портландцементного клинкера) — 0,5 кг; песок кварцевый стандартный с модулем крупности М_к = 2,5...2,7 — 1,5 кг (количества даны в расчете на одну бригаду), вода водопроводная.

Приборы и приспособления: весы торговые, сферическая чаша для приготовления цементного раствора, круглая лопаточка, встряхиваю­щий столик, трехгнездная форма для изготовления образцов-балочек 4x4x16 см, лабораторная виброплощадка, ванна с гидравлическим затвором.

Ход работы

Марку цемента определяют по прочности на изгиб и сжатие образцов-балочек, изготовленных из цементно-песчаного раствора состава 1 : 3 нормальной консистенции и твердевших во влажных условиях 28 сут при температуре (20 ± 2)° С.

Работа по определению марки цемента складывается из следующих операций: приготовления цементно-песчаного раствора и проверки его консистенции, формования образцов, их влажного твердения и испы­тания на прочность спустя 28 сут после формования.

I. Приготовление цементно-песчаного рас­твора нормальной консистенции. Для изготовления трех образцов-балочек отвешивают 500 г портландцемента и 1500 г стандартного песка (стандартным песком считается чистый кварцевый песок с модулем крупности М_к = 2,5...2,7). Если такого песка нет, то его можно получить промывкой и рассевом имеющегося песка на ситах и подбором фракций в нужном соотношении (см. лабораторную работу № 7).

Цемент и песок высыпают в протертую влажной тканью сфериче­скую чашу и перемешивают 1 мин. Затем в центр сухой смеси заливают 200 г воды — В/Ц = 0,4. Это количество принято ориентировочно; точное же количество устанавливают в процессе работы, так как оно зависит от свойств цемента и песка.

Воде дают впитаться в сухую смесь и затем тщательно перемеши­вают с перетиранием всей массы в течение 5 мин. Приготавливаемая растворная смесь не является кладочным или штукатурным раствором, а представляет собой как бы модель бетона, поэтому она значительно менее пластична, чем традиционная растворная смесь, которой поль­зуются каменщики и штукатуры.

По окончании перемешивания определяют консистенцию раствор­ной смеси. Для этого раствор загружают в коническую форму (рис. 8.10, б) с воронкой, установленную на встряхивающем столике (рис. 8.10_> я) в два приема (слоями равной толщины). Каждый слой уплот­няют штыковкой диаметром 20 мм и массой около 400 г. Нижний слой штыкуют 15 раз, верхний — 10. Штыкование ведут от периферии к центру, придерживая форму рукой. Излишек раствора срезают ножом и металлическую форму-конус снимают вертикально вверх.

Полученный конус цементного раствора встряхивают на столике 30 раз, вращая рукоятку с частотой 1 с"¹. Затем металлической линейкой

[или штангенциркулем) изме­ряют диаметр конуса раствора по нижнему основанию в двух взаимно перпендикулярных на­правлениях и берут среднее значение.

Консистенция раствора считается нормальной, если среднее значение расплава ко­нуса составляет 106... 115 мм. Если расплыв конуса менее 106 мм или конус при встряхи­вании рассыпается, приготов­ляют новую порцию раствора с увеличенным количеством во­ды. Если расплыв более 115 мм, то новую порцию раствора го­товят с меньшим содержанием воды. Погрешность в определе­нии требуемого соотношения

В/Ц должна быть не более 0,02, т. е. в пересчете на воду ш г.

II. Изготовление образцов. Приготовленный раствор нормальной консистенции используют для изготовления образцов. Для этого применяют разъемные металлические формы (см. рис. 8.8). Перед заполнением формы растворной смесью ее внутренние поверхности слегка протирают машинным маслом. Для облегчения укладки рас­творной смеси можно использовать металлическую насадку, устанав­ливаемую на форму. Подготовленную форму закрепляют в центре

лабораторной виброплощадки.

Сначала форму заполняют на 1...2 см растворной смесью и вклю­чают виброплощадку'. Затем в течение 2 мин вибрации все три гнезда формы равномерно небольшими порциями заполняют раствором Через 3 мин от начала вибрации виброплощадку отключают и снимаю с нее форму. Возможно заполнение формы полностью заранее послойным штыкованием и последующей вибрацией также 3 мин.

Излишек раствора срезают смоченным водой ножом, поверхность образцов заглаживают и затем каждый образец маркируют.

Образец в формах хранят в течение первых суток (24 ± 2) ч на столике в ванне с гидравлическим затвором или другом приспособле­нии, обеспечивающем влажность воздуха не менее 90 %, (например, в полиэтиленовом пакете вместе с влажной тканью).

Через сутки образцы осторожно вынимают из форм и помещают на 27 сут в воду при (20 ± 2)° С. Спустя 28 сут (1 + 27) твердения образцы испытывают на изгиб и сжатие по методике, описанной в работе «Определение марки гипса» (см. лабораторная работа № 6, часть Ш)-

1-V

I

■ Для определения марки цемента вычисляют среднее арифметиче­ское из двух наибольших результатов, полученных при испытании на изгиб, и среднее арифметическое из четырех результатов (наибольший и наименьший отбрасывают), полученных при испытании на сжатие. Вычесленные таким образом значения Д, и Д>_ж сравнивают с требова­ниями ГОСТ для определения марки цемента (оба значения должны быть не ниже требуемых (табл. 8.3).

Контрольные вопросы

1. Что вы знаете о воздушных и гидравлических вяжущих материалах? 2. Расскажите о прочности и скорости твердения вяжущих. 3. Какие стадии в процессе твердения вы знаете? 4. По каким показателям маркируют гипсовые вяжущие? 5. Как изменяется объем гипсового теста при твердении? 6. Расскажите о недожоге и пережоге извести. 7. Что вы знаете об извести-кипелке? 8. Как происходит твердение извести? 9. В чем различие гидравлической и воздушной извести? 10. Расскажите о производстве портландцемента. 11. Как определяют марку портландцемента? 12. Расскажите о разновидностях портлан­дцемента. 13. Какие причины вызывают коррозию портландцемента? 14. Что представ­ляет собой растворимое стекло? 15. Что такое кислотоупорный цемент (состав и свойства)?