Чубуков В.Н. Дорожно-строительные материалы - файл n1.doc

приобрести
Чубуков В.Н. Дорожно-строительные материалы
скачать (3507.8 kb.)
Доступные файлы (6):

n1.doc	1064kb.	14.03.2006 12:47	скачать
n2.doc	254kb.	24.04.2010 14:28	скачать
n3.doc	2486kb.	26.09.2005 02:44	скачать
n4.doc	248kb.	20.09.2005 21:00	скачать
n5.doc	992kb.	26.09.2005 04:39	скачать
n6.doc	1525kb.	19.03.2010 14:26	скачать

n1.doc

2.4.3 Защита каменных материалов от коррозии

Каменные материалы в сооружениях подвержены разрушениям. Одни в течение тысячелетий и столетий, другие в течение нескольких лет. Долговечность материалов зависит от химико-минералогического состава и структуры горной породы, из которой они изготовлены, и условий эксплуатации.

Кварц имеет высокую химическую стойкость. Его разрушает только плавиковая кислота. Кальцит взаимодействует с кислотами. Магнезит и доломит взаимодействует с горячими кислотами, гипс растворяется с водой.

Отдельные минералы имеют разные коэффициенты расширения. При нагревании и охлаждении в результате внутренних напряжений образуются трещины. В граните могут возникать трещины через 30 лет. Замерзание воды в порах и трещинах камня создает внутренние напряжения, которые разрушают природные каменные материалы.

Многократное увлажнение и высушивание камня приводит к набуханию и усадке, что расшатывает его структуру.

Загрязненная атмосфера городов содержит кислые газы, которые с водой образуют кислоты. Например, сернистая кислота интенсивно разрушает мрамор.

В природных, сточных водах содержатся кислоты, соли. К примеру в болотных водах имеется гуминовая, фульвовая, угольная кислоты, в морской воде хлористые и сернокислые соли, которые разрушают камень.

Корни мхов, лишайников, деревьев проникают через трещины, поры в камень, извлекают для питания щелочные соли, выделяют кислоты и вызывают биологическое разрушение камня.

Долговечность облицовочного камня оценивается в годах до появления начала и окончания разрушения и по этому показателю классифицируется на четыре группы, приведенные в таблице 2.1.
Таблица 2.1 – Классификация облицовочного камня по долговечности

Категория (группа) долговечности	Наименование пород камня	Долговечность, годы
		Начало разрушения	Окончательное разрушение
I Высокой долговечно- сти II Долговечные III Относительно долго- вечные IV Недолговечные	Кварциты, мелкозернистые граниты Крупнозернистые граниты, сиениты, габбро, лабродориты и др. Белые мраморы, плотные известняки и доломиты Цветные мраморы, гипсовые камни, ангидриты, пористые известняки	650 220–350 75–250 25–75	1500 1200 100–600

Способы защиты зависят от вида каменного материала и условий его эксплуатации. Разрушаются быстрее пористые материалы. Меры защиты бывают конструктивными и химическими.

Конструктивными способами предохраняют материал от увлажнения, например, цоколям, карнизам, парапетам придают форму, обеспечивающую отвод воды. Полируют поверхность материала.

Химическую защиту осуществляют пропиткой различными составами. Например, карбонатные породы пропитывают кремнефтористыми солями (флюатами), чаще всего кремнефтористым магнием. Происходит химическая реакция
2CaCO₃+MgSiF₆=2CaF₂+MgF₂+SiO₂+2CO₂.
Образуются нерастворимые в воде фториды кальция и магния и кремнезем, которые уплотняют поверхностный слой камня. Флюатирование выполняют также и кремнефтористым алюминием Al₂(SiF₆)₃.

Некарбонатные пористые материалы покрывают в начале хлоридом кальция, а затем пропитывают флюатами. Повышается плотность поверхностного слоя камня, меньше становится водопоглощение, увеличивается морозостойкость.

Песчаники обрабатывают раствором калийного мыла, а затем раствором уксуснокислого глинозема. На поверхности образуется алюминиевая соль жирной кислоты, нерастворимая в воде.

Пористые материалы пропитывают гидрофобными составами: петролатумом, кремнийорганическими соединениями ГКЖ-10, ГКЖ-11, уменьшающими поглощение воды; жидкими мономерами – метилметакрилатом, стиролом; полимерами – (полиэфирными и эпокcидными смолами, повышающими плотность и химическую стойкость поверхностного слоя).

3 МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ МАТЕРИАЛЫ
3.1 Общие сведения и классификация вяжущих веществ
Минеральными вяжущими материалами называются порошкообразные вещества, которые при смешивании с водой образуют пластичное тело, способное твердеть, превращаясь в камневидное тело высокой прочности. Исключение составляют магнезиальные вяжущие, которые затворяются водными растворами солей.

Вяжущие подразделяются на воздушные, гидравлические и автоклавного твердения.

Воздушные вяжущие в затвердевшем состоянии сохраняют прочность только на воздухе.

Гидравлические вяжущие обладают гидравлическими свойствами. После первоначального затвердения на воздухе они способны сохранять прочность как на воздухе, так и в воде.

Вяжущие автоклавного твердения твердеют при, давлении 0,8–1,6 МПа и температуре 174,5–200 °С.

Одним из первых вяжущих, которые применил человек, была глина. Однако она имеет низкую прочность и размягчается при увлажнении. Поэтому начали изготовляться более качественные вяжущие, получаемые обжигом разных горных пород.

Воздушная известь была известна египтянам более 3 тыс. лет до н. э. Они строили сооружения из необожженного кирпича на известковом растворе. В отдельных случаях применяли гипсовые вяжущие. В Древнем Риме известь являлась основным вяжущим веществом, гипсовые вяжущие не применялись.

Необходимость строить сооружения во влажной среде и в воде потребовало создание гидравлических вяжущих. За 2 тыс. лет до н. э. римляне для придания известковым растворам гидравлических свойств в их состав добавляли обожженную и измельченную глину, толченый кирпич, вулканический пепел (пуццолану). До конца ХVII столетия пуццолана являлась практически единственным материалом для изготовления гидравлических растворов. И только в 1682 г. голландец Ван Сантем в известковый раствор начал добавлять трасс, добываемый в районе реки Рейн. Постепенно в качестве гидравлических добавок начали применяться и другие вещества: золы, шлаки и пр.

Гидравлическая известь была получена англичанином Джоном Смитоном. В 1756 г. после проведения испытаний он установил, что обожженные желтоватые или бурые известняки (содержащие глину) обладают гидравлическими свойствами. Исследования были опубликованы в 1791 г. Однако широкое применение гидравлическая известь получила после исследований берлинского профессора Йона и особенно французского инженера Вика с первой четверти ХIХ столетия. В своей книге, изданной в 1818 году, Вика предложил вяжущее, получаемое обжигом смеси известняка и глины с последующим измельчением в порошок.Термин «гидравлическая известь» был тоже введен им. Благодаря исследованиям Вика во Франции были построены несколько заводов, выпускающих гидравлическую известь.

В 1796 г. англичанин Джем Паркер получил вяжущее из глинистых камней, пронизанных известковыми прожилками (мергелистых известняков). После умеренного обжига оно не гасилось водой как воздушная известь. Однако после измельчения в порошок и затворения водой твердело на воздухе и в воде. Он назвал его романцемент (римский цемент). Вяжущее начало изготавливаться в Англии и экспортироваться за рубеж.

Минеральные вяжущие вещества на Руси применяли с Х века. В Киеве при строительстве Десятинной церкви использовалась известь. В ХI веке при возведении Софийского собора в известь добавляли толченый кирпич (цемянку). В ХV веке на известковом растворе были сложены стены Московского Кремля. В связи с большими объемами строительства требовались более эффективные вяжущие вещества. В 1824 г английский каменщик Джозеф Аспдин взял патент на изготовление портландцемента. Хотя фактическим изобретателем портландцемента следует считать Егора Герасимовича Челиева – начальника военно-инженерной команды г. Москвы, в 1825 году издавшего книгу, в которой описал технологию получения и свойства нового гидравлического вяжущего материала по свойствам ближе современному портландцементу, чем вяжущее, предложенное Д. Аспдином.

В настоящее время портландцемент является основным вяжущим в мире. Его выпускают 1,7 миллиарда тон в год. Беларусь полностью обеспечивает потребность строительства в высококачественных портландцементах, изготавливаемым по самым передовым технологиям на отечественных заводах, значительную его часть экспортирует в ближнее и дальнее зарубежье.
3.2 Воздушные вяжущие вещества
К воздушным относят гипсовые и ангидритовые вяжущие, воздушную известь, магнезиальные вещества, растворимые силикаты натрия и калия (растворимые стекла).
3.2.1 Гипсовые и ангидритовые вяжущие вещества
3.2.1.1 Общие сведения и сырьевые материалы
Гипсовыми вяжущими называются материалы, состоящие из полуводного гипса CaSO₄·0,5H₂O. Их получают термической обработкой двуводного гипса CaSO₄·2H₂O при температуре 140–180 єС.

Ангидритовые вяжущие получают обжигом при температуре 600–950 єС двуводного гипса CaSO₄·2H₂O или ангидрита CaSO₄. Их можно изготавливать безобжиговым способом – помолом природного ангидрита с активизаторами твердения.

На основе гипсовых вяжущих изготавливаются смешанные вяжущие – гипсоцементно-пуццолановые и гипсошлакоцементные.

Сырье для гипсовых и ангидритовых вяжущих веществ. Гипсовые и ангидритовые вяжущие получают из природного сырья и отходов химической промышленности. Из природных сырьевых материалов применяются горные породы осадочного происхождения: природный гипс, глиногипс и природный ангидрит.

Природный гипс состоит из кристаллов двуводного сернокислого кальция CaSO₄·2H₂O. Это гипсовый шпат, кристаллический, прозрачный, тонковолокнистый и зернистый гипс. Наиболее чистая разновидность зернистого гипса называется алебастром. Природный гипс содержит от 1 до 25 % примесей известняка, доломита, песка, глины и др.

Глиногипс состоит из 30–60 % двуводного гипса и глинистых примесей.

Природный ангидрит CaSO₄ – горная порода кристаллического строения. Залежи ангидрита подстилают слой двуводного гипса.Поэтому в природном ангидрите обычно содержится до 10 % двуводного гипса.

Из побочных продуктовхимической промышленности для изготовления гипсовых и ангидритовых вяжущих применяется фосфогипс, борогипс, фторогипс и др. Фосфогипс получают при переработке фосфатов в фосфорную кислоту и фосфорные удобрения, борогипс – при производстве борной кислоты, фторогипс – при производстве фтористоводородной кислоты из плавикового шпата. При производстве вяжущих веществ чаще всего применяют фосфогипс.

На Гомельском химзаводе имеется 15 млн т фосфогипса На его хранение расходуются большие средства, кроме того он загрязняет окружающую среду. Поэтому переработка фосфогипса имеет большое практическое значение.

3.2.1.2 Гипсовые вяжущие
К группе гипсовых вяжущих относят строительный, формовочный, медицинский и высокопрочный (технический) гипс. Для строительства изготавливают строительный и высокопрочный гипс.

Строительный гипс получают термической обработкой двуводного гипса при температуре около 150 °С до превращения его в ?- модификацию полуводного гипса. При этом происходит дегидратация по реакции CaSO₄·2H₂0??СaSO₄·O,5H₂O+1,5H₂0+?H с поглощением тепла. На 1 кг природного гипса теоретически затрачивается 582,1 кДж теплоты.

Производство строительного гипса состоит из дробления, помола и термической обработки гипсовой породы. Помол может выполняться раньше, позже или одновременно с термической обработкой.

Дегидратация гипсового камня осуществляется в варочных котлах, шахтных, кольцевых и вращающихся печах. Наибольшее распространение получили гипсоварочные котлы (рисунок 3.1.)

Котел представляет собой стальной цилиндр с разборным днищем, обмурованный кирпичной кладкой. Внутри него проложены жаровые трубы. Для перемешивания гипса имеется специальная мешалка. Порошок гипса загружают в котел и варят обычно при температуре 140–150 °С в течение 90–120 мин при постоянном перемешивании. Для ускорения процесса варки может вводиться 0,1 % поваренной соли. Полученный полугидрат выдерживают в бункере томления, а затем помещают в силосы.

Рисунок 3.1 ?

Гипсоварочный котел:

1 ? топка;

2 ? сферическое днище:

3 ? жаровые трубы;

4 ? стальной барабан;

5 ? дымовые трубы;

6 ? винтовой контейнер;

7 ? крышка;

8 ? кольцевые каналы;

9 ? шибер;

10 – мешалка

Для замедления сроков схватывания применяют добавки гипса, серной кислоты, ЛСТ.

Высокопрочный (технический) гипс ?-модификации CaSO₄ 0,5H₂O получают пропариванием в автоклавах или варкой в жидких средах.

По первому способу гипсовый камень в виде кусков размером 10-40 мм помещают в автоклав, в который подают пар под давлением 0,13 МПа и температуре 124 ⁰С. Время пропаривания составляет 5 часов. Затем давление в автоклаве снижают до атмосферного и подают топочные газы. Сушка гипсового камня продолжается 3-5 часов при температуре 120–140 ⁰С, который затем мелят в шаровых мельницах.

По второму способу термообработку порошка двуводного гипса ведут в растворе хлорида кальция или хлорида магния при температуре 105–115 ⁰С. Время варки длится 5–7 часов.

В получении вяжущего из фосфогипса важнейшим технологическим переделом является снижение в сырьевой смеси вредных примесей или их нейтрализация.

Изготовление гипсовых вяжущих из CaSO₄∙2H₂O фосфогипса состоит из его промывки для удаления P₂O₅ и других примесей, тепловой обработке в водной суспензии, фильтрации кристаллов ?–CaSO₄∙0,5H₂O на вакуум-фильтре и помоле. Полученное фосфогипсовое вяжущее имеет предел прочности 30–50 МПа, начало схватывания 8–10, конец 10–15 минут.

По другой технологии фосфогипс не промывают. Кислоты нейтрализуют известковым молоком или водным раствором портландцемента. При этом фосфаты переходят в Ca₃(PO₄)₂ , а фториды – в CaF и нерастворимые силикаты и алюминаты. Затем выполняют термическую обработку.

Свойства гипсовых вяжущих. Истинная плотность строительного гипса составляет 2,6–2,7 г/см³ . Насыпная плотность в рыхлонасыпанном состоянии – 800–1100 кг/м³ , уплотнённом – 1250–1450 кг/м³ .

Водопотребность (стандартная консистенция) гипсового теста составляет 50–70 % от массы гипса. Для гидратации же гипса требуется всего 18,6 % воды. Избыточная вода испаряется и образует поры. Поэтому чем меньше воды идёт для затворения, тем прочность гипсового камня выше. Снизить количество воды можно введением извести, лигносульфонатов технических (ЛСТ), глюкозы, мелассы или декстрина.

По срокам схватывания гипс подразделяется на быстротвердеющий с началом схватывания не ранее 2 и не позднее 15 мин, нормальнотвердеющий – не ране 6 и не позднее 30 мин и медленнотвердеющий – не ране 20 мин и ненормированным концом схватывания.

Сроки схватывания гипса регулируются введением добавок. Для замедления применяют ЛСТ, кератиновый замедлитель, водный раствор столярного клея в количестве 0,1 % от массы гипса. Для ускорения вводят молотый гипсовый камень, поваренную соль, сульфат натрия в количестве от 0,2 до 3 %.

По тонкости измельчения гипс подразделяется: грубого помола с остатком на сите № 02 не более 23 %, среднего – не более 14 % и тонкого – не боле 2 %. Более тонкий помол повышает скорость гидратации и увеличивает его водопотребность.

По прочности гипс подразделяется на марки Г-2, Г-3, Г-4, Г-5, Г-6, Г-7, Г-10, Г-13, Г-16, Г-22, Г-25, определяемые испытанием образцов размером 40х40х160 мм через 2 часа от начала затворения на изгиб и сжатие. Прочность строительного гипса при сжатии составляет 4–6 МПа, высокопрочного – от 15 до 40 МПа и более. Прочность высушенных образцов увеличивается в 2–2,5 раза.

Прочность гипса можно повысить, уменьшив его водопотребность, старением путём увлажнения гипса паром, введением в процессе варки 0,1 % хлорида кальция.

Недостатком гипса является низкая водостойкость (коэффициент размягчения составляет 0,3–0,5). Её можно повысить введением портландцемента и активных минеральных добавок или доменных гранулированных шлаков.

При схватывании и твердении полуводный гипс увеличивается в объёме на 0,5–1 %. В большинстве случаев это является положительным свойством. Уменьшить расширение можно введением до 1 % негашеной извести или замедлителей схватывания. В дальнейшем при высыхании гипсовые изделия дают усадку около 0,05–0,1 %, что может вызвать появление трещин.

При эксплуатации в воздушной среде гипсовые изделия с ?- и ?-полуводного гипса долговечны. При длительном же воздействии воды они разрушаются. Плотные гипсовые изделия выдерживает 15–20 циклов замораживания и оттаивания.

Огнестойкость гипсовых изделий высокая. Они разрушаются после 6–, 8-часового нагрева.

Стальная арматура в гипсовых изделиях подвергается коррозии. Её необходимо защищать цементно-битумной или цементно-полистирольной обмазками.

При взаимодействии гипса с водой происходит схватывание и твердение по схеме
CaSO₄·0,5H₂O + 1,5H₂O = CaSO₄· 2H₂O
с образованием двуводного гипса.

В результате химических и физических преобразований пластичная масса начинает густеть, уплотняться, превращаясь в твёрдое тело. Гидратация заканчивается через 20–40 мин после затворения. К этому моменту достигается максимальная прочность гипсового камня во влажном состоянии.

Строительный гипс применяется для производства перегородочных плит и панелей, гипсокартонных и гипсоволокнистых листов, архитектурных изделий, стеновых камней, для известково-гипсовых растворов, ячеистых изделий.

Высокопрочный (технический) гипс как более дорогое вяжущее применяют в качестве составляющего для изготовления гипсоцементно-пуццоланового и гипсоизвестковошлакового вяжущих.

Гипсовые вяжущие обычно затариваются в бумажные мешки. При перевозке и хранении их следует защищать от увлажнения. Хранить долго не рекомендуется, т. к. снижается постепенно активность.
3.2.1.3 Высокообжиговые (ангидритовые) вяжущие
К высокообжиговым (ангидритовым) вяжущим относят: ангидритовое вяжущее (ангидритовый цемент), высокообжиговый гипс и отделочный ангидритовый цемент.

Ангидритовое вяжущее (ангидритовый цемент) получают обжигом двуводного гипса в шахтных печах с последующим его помолом в порошок. При температуре 600–700 ⁰С образуется ангидрит CaSO₄, который не имеет вяжущих свойств. Активизируют его твердение сульфаты Na₂SO₄, K₂SO₄, NaHSO₄, Al₂(SO₄)₃, материалы со щелочной реакцией – известь, основной доменный гранулированный шлак. Они вводятся при помоле от 1 до 8 %.

Вместо искусственного ангидрита может применяться природный.

Ангидритовый цемент имеет истинную плотность 2,8–2,9 г/см ³, насыпную плотность в рыхлонасыпанном состоянии 850–1100 кг/м³, в уплотнённом – 1200–1500 кг/м³, водопотребность 30–35 %. Начало схватывания этого цемента должно наступать не ранее 30 мин, конец – не позднее 8 часов. По прочности он подразделяется на марки 50, 100, 150 и 200. Выдерживает 15 циклов замораживания и оттаивания.

Применяют ангидритовый цемент для штукатурных и кладочных растворов, устройства полов и для изготовления искусственного мрамора.

Высокообжиговый гипс (эстрих-гипс) получают обжигом двуводного гипса или природного ангидрита при температуре 800–1000 ⁰С в шахтных или вращающихся печах. Затем его измельчают в порошок. Это вяжущее имеет среднюю плотность в рыхлом состоянии 900–1000 кг/м³, в уплотнённом – 1300–1700 кг/м³, водопотребность – 30–35 %. Начало схватывания его должно наступать не ране 2 часов, конец схватывания не нормируется. По прочности на сжатие высокообжиговый гипс подразделяется на марки 100, 150 и 200. Применяют его для кладочных и штукатурных растворов, для устройства полов, изготовления изделий из искусственного мрамора.

Отделочный ангидритовый цемент получают одно- или двукратным обжигом маложелезистого гипсового камня с активизаторами твердения. Качество цемента улучшается при двукратном обжиге: сначала при температуре 180–200 ⁰С, затем, после пропитки алюмокалиевыми квасцами, – повторно при температуре 650–700 ⁰С. Этот цемент имеет водопотребность 37–43 %, начало схватывания – до 1–2 часов, конец – не позднее 2–5 часов, предел прочности в возрасте 28 суток – 25–35 МПа, цвет – белый. Применяют отделочный ангидритовый цемент для изготовления отделочных растворов, искусственного мрамора, архитектурно-строительных изделий.
3.2.2 Известь строительная воздушная
3.2.2.1 Общие сведения и классификация
Строительной воздушной известью называют вяжущее, получаемое обжигом карбонатных известняковых и известняково-магнезиальных горных пород, с содержанием глинистых примесей до 6–8 %. При их большем количестве получается гидравлическая известь. По внешнему виду воздушная известь подразделяется на негашеную: комовую, дробленую и молотую; гашеную: гидратную (пушонку) и известковое тесто.

В молотую и гидратную известь допускается вводить тонкомолотые доменные и топливные шлаки, золы, трепел, вулканические породы и другие добавки.

По химическому составу в зависимости от содержания оксида кальция и оксида магния в составе извести она подразделяется на кальциевую, магнезиальную и доломитовую.

В кальциевой извести должно быть не более 5 % MgO, в магнезиальной – от 5 до 20, в доломитовой – от 20 до 40 %.

При содержании MgO более 5 % известь приобретает слабые гидравлические свойства.

Известь, предназначенная для изготовления автоклавных силикатных изделий, в своём составе не должна содержать более 5 % оксида магния. Высококачественные сорта маломагнезиальной извести имеют активность 93 – 97 %.

Одним из показателей качества извести является выход известкового теста. Он зависит от содержания глинистых и песчаных примесей, а также тончайших фракций размером 0,02–0,5 мм гидроксидов кальция и магния. Высококачественная известь имеет выход теста 2,5–3,5 л из 1 кг негашеной извести. Она называется жирной, с меньшим выходом – тощей. Жирная известь характеризуется большой пескоемкостью, т. е. она может больше принять песка для получения удобоукладываемых смесей.

Негашеная известь без добавок подразделяется на три сорта, с добавками – на два, гидратная известь имеет два сорта. Сорт извести зависит от содержания в ней активных оксидов кальция и магния, CO₂, непогасившихся зерен, потерь при прокаливании, тонкости помола, скорости гашения. Требования к воздушной извести приведены в таблице 3.1. Прочность воздушной извести не нормируется.
Таблица 3.1 – Технические требования к воздушной негашеной и гидратной извести

Показатель	Известь негашеная							Известь гидратная
	кальциевая			магнезиальная и доломитовая
	Сорт
	1	2	3		1	2	3	1	2
Активные CaO+MgO, %, не менее: без добавок с добавками Активная MgO, %, не более CO2, %, не более: без добавок с добавками Непогасившиеся зёрна, % Потери при прокаливании, %, не более Степень дисперсности – остаток частиц, %, на ситах с сеткой: № 02, не более № 008, не более Скорость гашения, мин: быстрогасящаяся, до среднегасящаяся, не более медленногасящаяся, более Содержание гидратной воды, %, не более Влажность, %, не более	90 65 5 3 4 7 5 1,5 15 8 25 25 2	80 55 5 5 6 11 7 1,5 15 8 25 25 2	70 - 5 7 - 14 10 1,5 15 8 25 25 2		85 60 20 (40) 5 6 10 7 1,5 15 8 25 25 2	75 50 20 (40) 8 9 15 10 1,5 15 8 25 25 2	65 - 20 (40)* 11 - 20 13 1,5 15 8 25 25 2	67 50 - 3 2 - - 1,5 15 8 25 25 5	60 40 - 5 4 - - 1,5 15 8 25 25 5

* В скобках указано содержание MgO для доломитовой извести.
3.2.2.2 Сырьевые материалы
Воздушную известь изготавливают из осадочных карбонатных известняково-магнезиальных горных пород: известняков и мела, доломитизированных известняков, доломитов. Кроме природного сырья для изготовления воздушной извести могут применяться отходы сахарного и содового производства, гидратная известь от производства ацетилена.
3.2.2.3 Негашеная (комовая) и дробленая известь
К
омовая известь является полупродуктом для получения других видов извести. Изготавливают её обжигом сырья в шахтных, вращающихся и других печах. Применяют также печи для обжига в кипящем слое. Наиболее распространенные шахтные печи, работающие по пересыпному способу с суточной производительностью 50, 100, 200 т и более (рисунок 3.2).

Они состоят из стального кожуха, футерованного изнутри огнеупорной кладкой.

Печь загружают чередующимися слоями известняка и угля. Процесс загрузки и выгрузки обожженного материала идет непрерывно. Обжигаемый известняк опускается вниз по шахте. Он вначале подогревается при температуре до 850 ⁰С, затем обжигается при температуре от 850 до 1200 ⁰С, потом при 900 ⁰С и дальше охлаждается до 100–50 ⁰С подаваемым снизу воздухом.

Обжиг является основной технологической операцией в производстве извести. С температуры 850 ⁰С начинается декарбонизация известняка. Практически обжиг ведется при температуре 1000–1200 ⁰С. Реакция разложения идет по схеме
CaCO₃ + 178,58 кДж = CaO + CO₂.
На декарбонизацию одного моля CaCO₃ (100г) затрачивается 178,58 кДж тепла.

Д
Рисунок 3.2 – Шахтная печь для обжига извести:

1 – шахта; 2 – загрузочное устройство; 3 – зона подогрева; 4 – зона обжига; 5 – зона охлаждения; 6 – гребень для подачи воздуха; 7 – механизм выгрузки обожженной извести

ля получения дробленой извести комовую известь измельчают обычно до размера 3–5 мм.

При хранении и транспортировании негашеной комовой и дробленой извести ее следует оберегать от увлажнения.


3.2.2.4 Молотая негашеная известь
Молотую негашеную известь получают измельчением комовой извести в шаровых мельницах до удельной поверхности 3500–5000 см²/г. Целесообразно введение активных минеральных добавок:– гранулированных шлаков, золы-уноса теплоэлектростанций, пуццоланов и др.

При взаимодействии молотой извести с водой образуется гидроксид кальция по схеме

CaO + H₂O = Ca(OH)₂,

в результате чего она превращается в камневидное тело. Этот процесс называется гидратным твердением.

Насыпная плотность молотой извести составляет 900–1200 кг/м³. По сравнению с гашеной она имеет меньшую водопотребность, выделяет большее количество тепла, что укоряет высыхание

стен при применении ее в штукатурных растворах.

Схватывание строительных растворов составляет 30–60 мин. Ускоряют сроки схватывания введением добавки соляной кислоты, хлорида кальция, хлорида натрия.

Изделия на молотой извести имеют более высокую плотность и прочность – чем на гашёной. Через 28 суток их прочность составляет 1–5 МПа.

Существенный недостаток молотой извести – пыление и вредность. Её следует хранить на складах с механизированной загрузкой и выгрузкой. Длительность хранения не должна превышать 5–10 суток. В бумажных битумированных мешках срок хранения увеличивается до 15 суток.
3.2.2.5 Гидратная известь (пушонка) и известковое тесто
При обработке комовой извести водой происходит её гашение, в результате чего она распадается в порошок. Этот процесс протекает по реакции

СаО+Н₂О = Са(ОН)₂

c выделением 65,5 кДж теплоты на один моль. Для гашения в пушонку требуется теоретически 32,13 %, практически – 60–80 % воды от массы негашеной извести.

В промышленных условиях гашение извести осуществляют в установках периодического и непрерывного действия. В гасильном барабане периодического действия известь гасится паром при давлении 0,3–0,5 МПа. Весь цикл длится 30–40 мин. Непрерывное гашение извести производится в гидраторе (рисунок 3.3) Он состоит из семи барабанов диаметром 800 мм с вращающимися на валу лопастями. Измельчённая известь загружается в верхний барабан и смачивается водой. Затем подаётся к следующим барабанам, перемешиваясь при передвижении лопастями и гидра-тируясь в виде порошка.

Насыпная плотность гидратной извести составляет 400–500 кг/м³. Отправляют её потребителю в ме-шках, цементовозах, контейнерах.

П
Рисунок 3.3– Барабанный лопастный гидратор
ри отсутствии централи-зованных поставок гидратной из-вести возможно ручное гашение комовой извести. Оно может выполняться методом опрыскивания или погружением в воду. По первому методу комовую известь насыпают слоями по 20 см на площадку, способную поглощать воду, и поливают водой из шланга с насад-кой для разбрызгивания. И так до высоты 1,0–1,5 м. Сверху засыпают песком слоем 10 см. По второму ме-тоду куски негашеной извести помещают в проволочные корзины и погружают в воду, где выдерживают до прекращения выделения пузырьков воздуха. Затем известь разравнивают на площадке до высоты 1,0–1,5 м.

Гашение извести в тесто производится механизированным способом и может выполняться вручную. Вначале известь гасят в известковое молоко, а затем сгущают в известковое тесто. Наиболее совершенным является термомеханический гаситель, состоящий из двух цилиндров, вставленных друг в друга с зазором 12 мм (рисунок 3.4), внутренний цилиндр разделён на камеру гашения и камеру измельчения.

Рисунок 3.4 – Схема термомеханической известегасилки непрерывного действия: 1 – бункер для загрузки; 2 – барабан; 3 – люк для разгрузки отходов; 4 – решетчатая диафрагма; 5 – камера измельчения; 6 – патрубок; 7 – сливной лоток, 8 – электродвигатель; 9 – металлическая рама

Известь непрерывно загружается, перемешивается и измельчается во вращающемся барабане. Из пространства между цилиндрами нагретая вода забирается и подаётся во внутренний цилиндр. Затем известковое молоко сливается в отстойник и обезвоживается.

При ручном гашении известь вначале гасится в известковое молоко в творильном ящике (твориле). Затем сливается через впускное отверстие в творильную яму. Отверстие имеет две сетки – внутреннюю с ячейками до 50 мм и наружную – не более 2–3 мм. Они задерживают негашеные частицы крупных размеров.

Творильный ящик имеет длину 2,0–4,0, ширину 1,5–3,0 и глубину 0,4 м. Изготавливают его обычно из досок и устанавливают с небольшим уклоном к творильной яме. Гашение может осуществляться также в растворомешалке.

Творильную яму копают в грунте выше уровня грунтовой воды. Глубина ямы 1,5–2,0 м, размеры в плане зависят от количества помещаемой в ней извести, стенки крепят досками. Следует иметь ввиду, что на загустевшее тесто свежее известковое молоко спускать нельзя. В творильной яме известь выдерживается не менее 10 суток. Непогасившиеся частицы опускаются на дно ямы, лишняя вода отсасывается грунтом. На поверхности вызревшей извести появляются усадочные трещины. Хорошо выдержанное известковое тесто содержит 50 % воды и имеет среднюю плотность 1400 кг/м³.

Загустевшее известковое тесто засыпают слоем песка и оставляют вылёживаться. Чем дольше оно вылёживается, тем его качество лучше. На зиму известковое тесто в яме утепляют. Нижний слой толщиной 10 см, содержащий непогасившиеся частицы, не применяют. Его необходимо разбавить водой и процедить через сито с 16 отверстиями на 1 см².

Затвердевание растворов и бетонных смесей, приготовленных на гашёной извести, протекает в результате воздействия углекислоты. Этот процесс называется карбонатным твердением. Вначале происходит кристаллизация гидроксида кальция и затем образование карбоната кальция по схеме
Сa(ОН)₂ + СО₂ + nН₂О = СаСО₃ = (n+I)Н₂О.
Через месяц прочность растворов и бетонов составляет 0,5–1 МПа, через десятки и сотни лет – 5–7 МПа.

Воздушная известь является местным вяжущим. Применяют её для изготовления штукатурных и кладочных растворов, автоклавных изделий, красочных составов. Кроме того, её используют для изготовления известково-пуццолановых и известково-шлаковых вяжущих.

Растворы и изделия по воздушной извести имеют низкую водостойкость. Их нельзя примерять для кладки фундаментов и во влажных помещениях. Штукатурные растворы на молотой негашеной извести можно применять при отрицательной температуре. Раствор набирает прочность за счет тепловыделения при гидрации извести.


3.2.3 Магнезиальные вяжущие вещества
Магнезиальными вяжущими называют порошкообразные материалы, в состав которых входит оксид магния. К ним относят каустический магнезит и каустический доломит. Каустический магнезит получают из природного магнезита, каустический доломит – из природного доломита. Природный магнезит – горная порода, состоящая из углекислой соли магния MgCO₃, содержащая различные примеси: глину, кремнезем, углекислый кальций. Природный доломит – горная порода, представляющая собой двойную углекислую соль кальция и магния CaCO₃MgCO₃. Она содержит также глинистые и другие примеси.

Изготовление магнезиальных вяжущих заключается в обжиге и помоле исходного сырья. Обжиг ведут в шахтных и вращающихся печах, помол – в шаровых мельницах.

Разложение магнезита происходит при температуре 700–800 С по реакции MgCO₃ = MgO+CO₂. Доломит разлагается при температуре 600–700 С на MgO и CO₂. CaCO₃ не разлагается и остаётся балластом.

Схватывание и твердение магнезиальных вяжущих происходит по реакции
MgO + H₂O = Mg(OH)₂.
В отличие от других вяжущих они затворяются не водой, а растворами хлористого магния MgCl₂6H₂O или сернокислого магния MgSO₄7H₂O. Эти соли повышают растворимость MgO и скорость взаимодействия её с водой возрастает. Получаются высокопрочные изделия.

При затворении хлористым магнием соотношение между компонентами принимается следующим: 62–67 % MgO и 33–38 % MgCl₂6H₂O. При затворении сернокислым магнием MgO берётся 80–84 %, а MgSO₄7H₂O в пересчёте на MgSO₄ – 16–20 %.

Каустический магнезит – вяжущее вещество с насыпной плотностью 700–850 кг/м³, с началом схватывания 20 мин и концом не позже 6 ч, быстротвердеющее, с прочностью на сжатие в возрасте 28 суток – 40–60 МПа (может достигать 80–100 МПа), через сутки прочность его составляет 35–50 и через 7 суток 60–80 % от R₂₈.

Каустический доломит имеет насыпную плотность 1050–1100 кг/м³, начало схватывания – 3–10, конец – 8–20 ч, прочность при сжатии – 10–30 МПа.

Магнезиальные вяжущие вещества не разрушаются древесиной, прочно с ней сцепляются. Древесина не подвергается гниению. Их применяют для устройства ксилолитовых полов, изготовления фибролитовых плит, фиброфанеры, искусственного мрамора, строительных деталей.
3.2.4 Растворимые силикаты натрия и калия (растворимые стекла)

и кислотоупорные цементы
Растворимыми силикатами натрия или калия называются водные растворы солей кремниевой кислоты — силиката натрия Na₂OnSiO₂ или силиката калия K₂O·nSiO₂ (n – силикатный модуль, представляющий отношение числа молекул кремнезема к числу молекул щёлочного оксида. Он принимается от 1 до 6,5).

Сырьём для изготовления растворимого стекла служит кварцевый песок SiO₂, кальцинированная сода Na₂CO₃, сульфат натрия Na₂SO₄ или поташ K₂CO₃. Песок и щелочной компонент сплавляют в стекловаренных печах при температуре 1300–1400 С в течение 7–10 ч. Взаимодействие между ними протекает по реакциям:
Nа₂СО₃ + nSiO₂ = Na₂O·nSiO₂ + CO₂;

Nа₂СО₄ + nSiO₂ = Na₂O·nSiO₂ + CO₃;

K₂СО3 + nSiO₂ = K₂O·nSiO₂ + CO₂.
Расплав выпускают в вагонетки, который после охлаждения распадается на куски, называемые силикат-глыбой. Она нерастворима в воде. Для перевода в растворимое состояние её обрабатывают в автоклавах паром с давлением 0,5–0,8 МПа и температурой 150 С.

Твердеет стекло на воздухе в результате высыхания и воздействия углекислого газа по реакциям:





Выделившийся аморфный кремнезем обладает высокими клеящими свойствами в 3–5 раз выше, чем у цементов. Применяют его в виде коллоидного раствора плотностью 1,36–1,5 г/см³ для изготовления кислотостойких и жаростойких бетонов и растворов для получения огнезащитных обмазок, силикатизации грунтов. Ускоряет твердение растворимого стекла кремнефтористый натрий (Na₂ScF₆). Растворимый силикат калия применяется в качестве связующего для приготовления силикатных красок.

Кислотоупорные цементы представляют собой вяжущие, состоящие из тонкоизмельченной смеси кварцевого песка и кремнефтористого натрия, затворенных водными растворами силиката натрия или калия.

По назначению они подразделяются на два вида: I – для изготовления кислотоупорных замазок и II – для растворов и бетонов. Содержание кремнефтористого натрия в I виде составляет 4, во II – 8 %. Для затворения применяется в основном силикат натрия плотностью 1,3–1,4 г/см³ (как наиболее дешевый материал) в количестве 25–30 % от массы песка.

Твердение кислотоупорного цемента происходит по следующей схеме:
Na₂SiF₆ + 6H₂O + 2Na₂SiO₃ ? 6NaF + 3Si)OH)₄
В результате образуется гель кремниевой кислоты с клеящимися свойствами.

Начало схватывания для цементов типа I не ранее 40 мин., конец – не позднее 8 ч, для типа II – соответственно 2 мин и 8ч. Предел прочности при сжатии составляет 30–40 МПа. Эти цементы не разрушаются при действии органических кислот и большинства минеральных, за исключением фтористоводородной и кремнефтористоводородной.
3.3 Гидравлические вяжущие вещества
К гидравлическим вяжущим относят гидравлическую известь, романцемент, известосодержащие и шлакощелочные вяжущие, цементы на основе портландцементного и глинозёмистого клинкеров, гипсоцементно-пуццолановые и гипсошлакоцементные вяжущие.
3.3.1 Известь строительная гидравлическая
Гидравлической известью называется вяжущее вещество, получаемое обжигом мергелистных известняков, содержащих от 6 до 20 % глинистых примесей. Химический состав сырья и готового вяжущего характеризуется гидравлическим или основным модулем (ОМ) – отношением содержания оксида кальция к кислотным оксидам в процентах по массе:

Этот модуль находится в пределах от 1,7 до 9.

Гидравлическая известь подразделяется на сильногидравлическую с ОМ = 1,7… 4,5 и слабогидравлическую с ОМ = 4,5 …9. При гидравлическом модуле меньше 1,7 получают романцемент, если больше 9 – воздушную известь.

Производство гидравлической извести включает обжиг сырья и превращение его в порошок. Обжиг ведётся в шахтных или вращающихся печах при температуре 900–1100 C. Превращение в порошок выполняется гашением или помолом. При обжиге происходит разложение CaCO₃ на CaO и CO₂. Затем CaO взаимодействует с песчаными и глинистыми примесями. В результате образуется вещество, состоящее из CaO(C), 2CaOSiO₂(C₂S), 2CaOAl₂O₃ SiO₂(C₂AS). При наличии в сырье MgCO₃ образуется также CaOMgOSiO₂. Гидравлические свойства извести придают минералы C₂S и C₂AS.

Истинная плотность гидравлической извести составляет 2,6–3 г/см³, насыпная плотность в рыхлом состоянии – 700–800 кг/м³, в уплотнённом – 1000–1100 кг/м³. Начало схватывания – 0,5–2ч, конец – 8–16 ч.

Гидравлическую известь применяют для кладочных и штукатурных растворов, бетонов низких марок, эксплуатируемых как в сухих, так и во влажных условиях, а также для изготовления известково-шлаковых и известково-пуццолановых вяжущих. Гидравлическую известь при перевозке и хранении следует предохранять от увлажнения.
3.3.2 Романцемент
Романцементом называется вяжущее вещество, получаемое обжигом мергелей, содержащих не менее 25 % глинистых примесей. Кроме того, в его состав вводится до 5 % гипса и до 15 % минеральных добавок. Мергели должны иметь такой химический состав, чтобы гидравлический модуль был в пределах 1,1–1,7.

Изготовление романцемента состоит из дробления мергеля, его обжига и помола. Обжиг ведут в шахтных и вращающихся печах при температуре 800–1100 С, помол – в шаровых мельницах. При обжиге происходит образование минералов 2CaOSiO₂(C₂S), 2CaOAl₂O₃SiO₂(C₂AS), CaOAl₂O₃(CA), 5CaO3Al₂O₃(C₅A₃), 2CaOFe₂O₃(C₂F) и 4CaOAl₂O₃Fe₂O₃(C₄AF), способных к гидравлическому твердению.

В результате гидратации образуются гидросиликаты кальция СaOSiO₂H₂O(В)[CSH(B)], трёхкальциевый гидроалюминат 3CaOAl₂O₃6H₂O(C₃AH₆) и двух- и трёхкальциевый гидроферрит 2CаОFе₂О₃11Н₂о(C₂FH₁₁) и 3СаОFе₂О₃11Н₂О(С₃ FH₁₁), обладающие гидравлическими свойствами.

Романцемент имеет истинную плотность 2,6–3,0 г/см³, насыпную плотность в рыхлом состоянии 800–1000 кг/м³, в уплотнённом – 1000–1300 кг/м³. Начало схватывания – не ранее 20 мин, конец схватывания – 24 ч. По прочности выпускается марок 25, 50, 100, 150.

Романцемент применяют для кладочных и штукатурных растворов, бетонов низких марок, стеновых камней. Не рекомендуется применять для железобетонных конструкций.
3.3.3 Гидравлические известесодержащие, шлакопуццолановое

и шлакощелочное вяжущие вещества
К известесодержащим относят известково-шлаковые и известково-пуццолановые вяжущие. Их получают совместным измельчением негашёной кальциевой или гидравлической извести с искусственными и природными добавками и гипсом. В качестве добавок применяют доменные гранулированные шлаки, топливные шлаки, золы, пеплы, туфы, пемзу, трассы, диатомиты, трепелы и др. Содержание извести – 10–40, гипса – 3–5 %, остальное – добавки.

В известково-шлаковых вяжущих известь взаимодействует с алюминатами и силикатами шлаков, образуя низкоосновные гидроалюминаты и гидросиликаты кальция.

При твердении известково-пуццолановых вяжущих образуются низкоосновные гидросиликаты кальция.

Известесодержащие вяжущие медленно схватываются и твердеют. Ускоряет твердение пропаривание при атмосферном давлении и особенно автоклавная обработка. Эти вяжущие невысокой прочности марок 50, 100, 150 и 200. Их недостаток – пониженная воздухостойкость, которую повышают добавкой гипса. Морозостойкость их также небольшая.

Применяют известесодержащие вяжущие для низкомарочных растворов и бетонов, эксплуатируемых во влажной среде, для автоклавных изделий.

Шлакопуццолановое вяжущее изготавливают из электросталеплавильного шлака Белорусского металлургического завода, трепела, боя керамических изделий, гипсового камня или фосфогипса и активаторов твердения NaCl, CaCl₂. Выпускают его марок 75 и 100. Применяют для изготовления неармированного бетона класса В12,5 и ниже и строительного раствора.

Шлакощелочным называется гидравлическое вяжущее вещество, получаемое из молотого гранулированного шлака, затворённого водными растворами соединений металлов натрия или калия. В качестве добавки может вводиться от 2 до 6 % портландцементного клинкера.

Основными компонентами шлакощелочного вяжущего являются гранулированный доменный шлак с ОМ ? 0,6 или электротермофосфорный, измельчённые до удельной поверхности не менее 3000 см²/г. Щелочным компонентом является сода, поташ, щелочные силикаты, едкий натр и кали содощелочной плав, метасиликат натрия и др. Натриевого щелочного компонента в вяжущем в пересчёте на Na₂O должно быть от 2,5 до 6,5 %, калиевого компонента в пересчёте на K₂O – от 3,5 до 10 %.

Начало схватывания должно наступать не ранее 30 мин и не позднее 12 ч, за исключением вяжущего на силикате натрия, которое должно иметь начало схватывания не ранее 20 мин.

По прочности в возрасте 28 суток шлакощелочные вяжущие подразделяются на марки 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200. Наивысшая прочность получается при затворении шлака метасиликатом натрия.

Шлакощелочные вяжущие применяются для изготовления бетонов, эксплуатируемых в тех же условиях, что и бетоны на портландцементе. Достоинством этого вяжущего является способность твердеть при отрицательной температуре.
3.3.4 Цементы

3.3.4.1 Классификация цементов
К цементам относятся порошкообразные гидравлические вяжущие вещества, в состав которых входят высокоосновные силикаты и (или) высоко - или низкоосновные алюминаты кальция. Их получают спеканием или плавлением исходных материалов. Полученную после высокотемпературной обработки смесь называют клинкером, который является основной составной частью цементов.

По ГОСТ 30575–97 цементы классифицируются: по назначению, виду клинкера, вещественному составу, прочности при сжатии, скорости твердения, срокам схватывания, специальным свойствам. Все приведенные ниже определения взяты из этого ГОСТа.

По назначению цементы подразделяются на общестроительные и специальные. Общестроительные цементы – это цементы основным требованиям к которым является обеспечение прочности и долговечности бетонов и растворов. Специальные – это цементы к которым предъявляются требования не только по прочности и долговечности но и специальные требования .

По виду клинкера цементы подразделяются на основе портландцементного; глиноземистого (высокоглиноземистого); сульфоалюминатного и сульфоферритного клинкеров.

Портландцементный клинкер состоит в основном из высокоосновных силикатов, алюминатов и алюмоферритов кальция.

Глиноземистый (высокоглиноземистый) клинкер состоит преимущественно из низкоосновных алюминатов кальция.

Сульфоалюминатный и сульфоферритный клинкера состоят преимущественно из сульфоалюминатов и сульфоферритов кальция.

Вещественный состав цементов характеризуется содержанием основных компонентов в цементе в процентах от его массы.

Основными компонентами является клинкер, гипс или его производные и минеральные добавки.

По вещественному составу цементы подразделяются на типы, характеризующиеся видом и количеством введенных в них добавок.

Классы по прочности цемента – условное обозначение одного из значений математического ряда по прочности в максимальные сроки, установленные нормативным документом.

По прочности на сжатие цементы подразделяются на классы 22,5; 32,5; 42,5; 52,5. На конкретные виды цементов могут устанавливаться дополнительные классы. Цементы, выпускаемые по ранее утвержденным нормативным документам до их пересмотра или отмены, подразделяются на марки.

Твердение цементного теста – процесс формирования прочной структуры цементного камня – материала, образующегося в результате гидратации и твердения цемента.

По скорости твердения общестроительные цементы подразделяются на нормальнотвердеющие с нормированием прочности в возрасте 2(7) и 28 суток; быстротвердеющие – с нормированием прочности в возрасте 2 суток, повышенной по сравнению с нормальнотвердеющим в возрасти 28 суток. Для цементов, выпускаемых по ГОСТ 10178–78, скорость твердения нормируется в возрасте 28 суток, а для быстротвердеющих еще и в возрасте 3 суток.

Схватывание цемента – необратимая потеря подвижности цементного теста в результате гидратации. Она характеризуется сроками схватывания – временем начала и конца схватывания цементного теста.

По срокам схватывания цементы подразделяются на медленносхватывающиеся с началом схватывания более 2 часов, нормальносхватывающиеся – от 45 минут до 2 часов и быстросхватывающиеся с началом схватывания менее 45 минут.

Цементы классифицируются также по специальным свойствам. По сульфатостойкости они подразделяются на сульфатостойкие, сульфатостойкие с минеральными добавками, сульфатостойкие шлакопортландцементы и пуццолановые; по объемной деформации – на безусадочные с величиной расширения в 3-суточном возрасте 0,1 %, расширяющиеся – более 0,1 % и напрягающиеся с нормированием самонапряжения; по тепловыделению на низкотермичные с тепловыделением в 3-суточном возрасте не более 230 и в 7-суточном не более 270 Дж/г, умеренно-термичные с тепловыделением в 7-суточном возрасте не более 315 Дж/г; по декоративным свойствам – на цветные и белые.
3.3.4.2 Цементы на основе портландцементного клинкера
Общая характеристика и классификация портландцемента. Портландцементом называется порошкообразное гидравлическое вяжущее вещество получаемое обжигом смеси известняка и глины и некоторых других материалов с последующим тонким измельчением с гипсом а иногда и со специальными добавками.

Спекшаяся смесь известняка и глины называется клинкером. Для его изготовления кроме глины и известняка могут быть использованы мел, шлаки и другие материалы. При этом 70–80 % должны составлять высокоосновные силикаты кальция.

Клинкерный порошок быстро схватывается. Поэтому для замедления сроков схватывания при помоле клинкера вводится двуводный гипс.

Свойства портландцементов зависят в основном от качества клинкера. Для их регулирования вводятся добавки.

На основе портландцементного клинкера, нормируя его минералогический состав и вводя различные добавки, получают портландцемент и его разновидности.

По ГОСТ 10178–85 общестроительные портландцементы классифицируются на следующие типы и виды.

– портландцемент (без минеральных добавок);

– портландцемент с добавками (активными минеральными добавками не

более 20 %);

– шлакопортландцемент (с добавками гранулированного шлака более 20 %), Портландцемент с добавками и шлакопортландцемент выпускаются быстротвердеющими.

Все общестроительные портландцементы могут улучшаться введением пластифицирующих или гидрофобизирующих поверхностно активных добавок.

По специальным свойствам портландцементы подразделяются на сульфатостойкие, расширяющиеся и для производства отделочных изделий, для строительных растворов и др.

Основным составляющим портландцемента является клинкер. От его качества и в первую очередь от химического и минералогического состава зависят свойства цемента. Добавки лишь регулируют свойства.

Химический состав клинкера характеризуется содержанием основных оксидов в следующих количествах, %:

Оксид кальция CaO……….	63–67	Оксиды щелочных металлов
Кремнезем SiO2…………...	19–24	Na2О+K2O.............................	0,4––1,0
Глинозем Al2O2……………	4–7	Оксид хрома и оксид титана
Оксид железа Fe2O3……….	2–6	TiO2+Cr2O3………................	0,2–0,5
Оксид магния MgO……….	< 5	Фосфорный ангидрид P2O5	0,1–0,3
Сернистый ангидрид SO3...	0,3–0,1

Минералогический состав клинкера. Перечисленные оксиды образуют силикаты, алюминаты и алюмоферриты кальция в виде твердых растворов. Силикаты – преимущественно в виде кристаллов, между которыми размещается промежуточное вещество, состоящее из алюминатов и алюмоферритов кальция в кристаллическом и аморфном виде (рисунок 3.5).

Относительное содержание этих минералов, %: трехкальце-вый силикат (алит) 3CaO · SiO₂ (C₃S)– –45–60; двухкальциевый силикат (белит) 2CaO · SiO₂ (C₂A) – 15–35; трехкальциевый алюми-нат 3СаО· Al₂O₃ (С₃А) –4–14; четырехкальциевый алюмоферрит (целит) 4CaO Al₂O₃Fe₂O₃(C₄AF) – 10–18.

К
Рисунок З.5 – Микрофотография протрав-

ленного шлифа портландцементного клинкера
роме перечисленных в клин-кере имеется небольшое коли-чество других минералов: алю-минатов, алюмоферритов и фер-ритов кальция, а также оксида кальция СаО в количестве 0,5–1 % и оксида магния MgO – до 5% в свободном состоянии, щелочных оксидов Na₂O + K₂O – до 1 %.

Свойства портландцементов оценивают по минералогическому составу клинкера.

Алит C₃S состоит из кристаллов размером 3–20 мкм, быстро твердеет, много выделяет тепла и имеет высокую прочность.

Белит C₂S состоит из плотных округлых кристаллов размером 20–50 мкм. Он медленно твердеет и достигает высокой прочности через длительное время. Мало выделяет тепла.

Трехкальциевый алюминат C₃А находится в клинкере в виде кубических кристаллов размером 10–15 мкм. Быстро гидратируется и твердеет, много выделяет тепла, имеет небольшую прочность, которая через 180 суток уменьшается до нуля. При этом обеспечивает начальную прочность цементного камня в результате образования крупных кристаллов гидросульфоалюмината кальция 3CaO· Al₂O₃·3CaSO₄·(31–32) H₂O. Он является причиной сульфатной коррозии цементного камня и понижает морозостойкость.

Целит C₄АF по скорости гидратации занимает промежуточное положение между алитом и белитом , твердеет медленней, чем алит, и быстрее, чем, белит.

Портландцементы с высоким содержанием в клинкере минерала С₃S и умеренным содержанием минерала C₃А быстро твердеют, такой состав характерен для быстротвердеющих портландцементов. Цементы с повышенным содержанием в клинкере минералов C₂S и C₄AF твердеют медленно и мало выделяют тепла. Это низкотермичные портландцементы.

Повышенное содержание в клинкере минерала C₃А позволяет получить быстросхватывающиеся и твердеющие в ранние сроки цементы. Однако они имеют пониженную морозостойкость и сульфатостойкость.

Сырьевые материалы и технология изготовления портландцементов. Производство портландцементов включает изготовление клинкера, измельчение его совместно с гипсом, активными минеральными и другими добавками. Добавки могут и не вводиться. Сырьем для получения клинкера служат карбонатные и глинистые горные породы. Могут применятся вторичные ресурсы, корректирующие добавки и другие материалы. Соотношение между карбонатными и глинистыми породами принимается 3:1.

Из карбонатных пород используется известняк, мел, мергели. Известняк и мел состоят в основном из углекислого кальция CaCO₃. С ними в клинкер вводится оксид кальция CaO.

Из глинистых пород применяются чаще всего глины, реже -- глинистые сланцы и лессы. С ними вводится кремнезем SiO₂, глинозем Al₂О₃ и оксид железа Fe₂O₃.

Мергели представляют собой природную смесь углекислого кальция и глинистых минералов. При содержании в мергелях CaCO₃ в количестве, соответствующем искусственно составленной сырьевой смеси, их называют натуральными.

Из вторичных ресурсов для изготовления клинкера используется нефелиновый шлам, получаемый при производстве глинозема. Имеется опыт применения доменных, мартеновских, цветной металлургии и топливных шлаков, что позволяет повысить производительность печей.

Если в сырьевой шихте не хватает какого-либо оксида, то дополнительно вводятся корректирующие добавки. Недостаток SiO₂ компенсируется введением трепела, опоки, диатомита, кварцевого песка, Fe₂O₃ – введением колчеданных огарков или железной руды.

Добавкой, замедляющей сроки схватывания цемента, является природный двуводный гипс, который вводится до 3,5 % в пересчете на SO₃.

Активные минеральные добавки в составе портландцементов улучшают их свойства. При смешивании с водой и воздушной известью они твердеют на воздухе и продолжают твердеть в воде. Содержащийся в большинстве из них активный кремнезем связывает известь в гидросиликат кальция, глинозем с водой и известью образует гидроалюминат кальция, которые обладают гидравлическими свойствами.

Добавки, введенные в портландцемент, связывают образующуюся при твердении известь в нерастворимые соединения и повышают его водостойкость и сульфатостойкость. Они бывают природные и искусственные. Природные подразделяются на материалы осадочного и вулканического происхождения.

К осадочным относят: диатомит, трепел, опоки, которые близки по химическому составу и состоят из 70–90 % аморфного кремнезема, 3–10 глинозема, 1–3 – оксида кальция и 1–3 % оксидов щелочных металлов; глиежи – обожженные глины, образовавшиейся в результате самовозгорания угля под землей и по химическому составу подобны глинам.

К материалам вулканического происхождения относят вулканические пеплы, туфы, пемзы, трассы. По химическому составу они состоят из 70–90 % кремнезема, 2–4 % – оксида кальция и магния, 3-8 % оксидов щелочных металлов; по фазовому составу – из 50–80 % стекла и 20–50 % кристаллических силикатов, алюмосиликатов и их гидратов.

К искусственным добавкам относят кремнеземистые отходы, получаемые при извлечении глинозема из глины; глинит, цемянки; пылевидные отходы обжига керамзита и аглопорита, представляющие обоженную глину; топливные шлаки и золы, являющиеся минеральными отходами сжигания угля, сланцев, торфа; золы-уноса – пылевидные отходы от сжигания некоторых видов топлива, улавливаемые электрофильтрами.

Шлаки представляют собой побочные продукты, получаемые при плавке черных, цветных металлов, сжигании твердых видов топлива, при переработке фосфатного сырья. В цементной промышленности применяются в основном гранулированные доменные и электротермофосфорные шлаки, реже шлаки сталеплавильные, цветной металлургии и ферросплавов.

Доменные шлаки образуются при выплавке чугуна из железной руды. На 1 т чугуна приходится 0,5–0,7 т шлака. Состоят они в основном из CaO, SiO₂, Al₂O₃ и MgO. После быстрого охлаждения (грануляции) шлаки затвердевают в стекло и после тонкого измельчения способны взаимодействовать с водой как портландцементы.

Степень гидравлической активности шлаков зависит от основного модуля, который определяется как отношение в процентах основных оксидов к кислотным:


Гидравлическая активность шлаков повышается при увеличении ОМ.

Электротермофосфорные шлаки получают при электрохимической переработке фосфоритов и апатитов при температуре 1450–1500 ^оС. На 1 т фосфора приходится 10–12 т шлака. Он состоит на 80–85 % из оксидов кальция и кремнезема. При грануляции приобретает способность к гидратному твердению. В цементном производстве он заменяет доменные шлаки.

Производство портландцемента включает следующие операции: добычу известняка, глины, гипса, при необходимости корректирующих добавок, подготовку сырьевых материалов, их обжиг до спекания для получения клинкера, помол клинкера в порошок совместно с гипсом и при необходимости с добавками. Наиболее ответственный процесс – получение клинкера с заданным минералогическим составом.

В настоящее время применяют три способа подготовки сырьевой смеси: мокрый, сухой и смешанный. Наиболее экономичным является сухой способ. На получение 1 т клинкера по этому способу расходуется 130–165 кг условного топлива. Менее эффективен мокрый способ, при котором расходуется 230 кг условного топлива.

Мокрый способ производства клинкера. Этот способ целесообразно применять при использовании мягкого и влажного сырья. Измельчение и смешивание известняка или мела и глины осуществляют в воде. Жидкотекучая масса с влажностью 35–45 % называется шламом.

Глину перерабатывают в водную суспензию в глиноболтушках и подают совместно с дробленным известняком или мелом и корректирующими добавками в шаровую мельницу, где производится смешивание и помол. Далее известняково-глиняный шлам подается в резервуары для хранения.

При комбинированном способе переработка сырья осуществляется по мокрому способу. Перед обжигом шлам обезвоживается центрифугированием, сгущением в циклонах, фильтрацией до влажности 16–18 %, что позволяет уменьшиь расход топлива на 20–30 %.

Обжиг сырьевой смеси при мокром и комбинированных способах производства осуществляется в основном во вращающихся печах. Длина печей 150–230 м, диаметр 5–7 м. Располагаются они с уклоном. Работают по принципу противотока. С верхнего конца поступает шлам. С нижнего подается топливо – газ, мазут или молотый уголь, которые сгорают в виде 20–30 –метрового факела, создавая температуру до 1450 ^оС.

Cырье в печи, которая вращается со скоростью 1–2 об/мин, движется к нижнему концу навстречу горячим газам, проходя зоны с различными температурами. Условно выделяют шесть зон: 1 – испарения, 2 – подогрева и дегидратации, 3 – декарбонизации, 4 – экзотермических реакций, 5 –– спекания, 6 – охлаждения.

В зоне испарения при температуре от 70 до 200 ^оС происходит удаление свободной воды, материал комкуется, а затем распадается на более мелкие частицы.

В зоне подогрева и дегидратации при температуре от 200 до 700 ^оС выгорают органические примеси и начинается дегидратация каолинита Al₂O₃ · 2SiO₂ · 2H₂O и других глинистых минералов. Образуется каолинитовый ангидрид Al₂O₃ · 2SiO₂.

В зоне декарбонизации в интервале температур 900–1200 ^оС происходит диссоциация углекислого кальция CaCO₃ с образованием свободного оксида кальция CaO и продолжается разложение глинистых минералов на оксиды SiO₂, Al₂O₃ и Fe₂O₃. Происходит также образование новых соединений: 2CaO · SiO₂(C₂S), CaO · Al₂O₃(CA) и 2CaO · Fe₂O₃(C₂F).

В зоне экзотермических реакций при температуре 1200–1300 ^оС происходит ускорение реакций в твердом состоянии с выделением теплоты. Материал в основном состоит из C₂S, C₃A, C₄AF и небольшого количества CaO в свободном состоянии.

В зоне спекания при температуре 1350–1450–1300 ^оС образуется 20–30 % расплава. В него вначале переходят C₃A, C₄AF, CaO и MgO, а потом и С₂S. Затем С₂S вступает во взаимодействие с CaO, и образуется основной минерал цементного клинкера C₃S. Он плохо растворяется в расплаве и выделяется в виде кристаллов. При понижении температуры до 1300 ^оС жидкая фаза затвердевает, образуя кристаллы C₃A, C₄AF, и MgO и частично – стекла. Этот процесс продолжается и в следующей зоне.

В зоне охлаждения при температуре 1300–1000 ^оС заканчиваются все процессы и формируется состав клинкера из кристаллов C₃S, C₂S, C₃A, C₄AF, MgO, CaO и стекловидной фазы, состоящей из C₃A и C₄AF.

Затем клинкер охлаждается до температуры 100–200 ^оС и выдерживается на складе около двух недель. Внешне он представляет собой камневидные зерна размером до 40 мм.

Сухой способ производства клинкера. Сухой способ приготовления клинкера применяется при влажности сырьевых материалов до 10–15 %. Исходные материалы – известняк и глина – дробятся, а затем загружаются в мельницы шаровые, валковые или мельницы самоизмельчения “Аэрофол”, где совмещается измельчение и сушка отходящими газами. Просушивание сырья может выполняться в дробилках.

Полученная сырьевая мука вначале подвергается предварительной тепловой обработке при температуре до 800–850 ^оС в циклонных теплообменниках, а дальше–в специальных реакторах при температуре 920–950 ^оС. В них происходит декарбонизация до 85–90 %. Обжигают сырьевую муку при температуре 1450 ^оС в коротких вращающихся печах, где завершаются процессы клинкерообразования.

Вынос процесса декарбонизации из вращающейся печи в специальный реактор дает большой экономический эффект. Удельная производительность печей повышается вдвое.

Схема печного агрегата для обжига клинкера с циклонным теплообменником и кальцинатором приведены на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 – Схема установки для обжига клинкера: 1– вращающаяся печь; 2, 6, 7, 8 – циклоны теплообменника I–IV ступеней; 3 – электрофильтр; 4 – отходящие газы; 5 – подача сырьевой смеси; 9 – кальцинатор; 10 – электрофильтр; 11 – вторичный воздух из холодильника; 12 – воздух из холодильника; 13 – холодильник клинкера; ? поток материала; ? газовый поток.
Помол портландцементов. Портландцемент представляет собой темно-серый или зеленовато-серый порошок, состоящий из зерен размером от 5–10 до 30–40 мкм с удельной поверхностью зерен чаще всего от 2800 до 5000 см²/г. Такое измельчение клинкера совместно с гипсом и активными минеральными добавками осуществляется в шаровых (трубных) мельницах. Мельница представляет собой барабан размером 3,95х11; 4,6х16,4 м и др., разделенный дырчатыми перегородками на две–четыре камеры, каждая из которых заполняется стальными шарами определенных размеров, а последняя – цилиндрами. При вращении шары и цилиндры падают, истирая поступающие материалы. На выходе из мельницы портландцемент имеет температуру 80–120 ^оС. Для охлаждения, а также гашения остатков несвязанного оксида кальция цемент выдерживают в силосах вместимостью 4–10 тысяч т.

Портландцемент отгружают потребителю в упаковке или без упаковки в вагонах-цементовозах или автоцементовозах. Упаковывают в бумажные пятислойные или шестислойные мешки, массой не более 51 кг, мягкие контейнеры с водонепроницаемыми вкладышами.

Для мелкой расфасовки применяют полиэтиленовые банки, пакеты. Возможна другая упаковка, обеспечивающая сохранность цемента.

Не допускается смешивание цемента различных типов, видов и марок, нельзя цемент увлажнять.

Твердение портландцементов. При смешивании портландцемента с водой вначале образуется пластичное тесто, которое постепенно густеет и превращается в камневидное тело. Эти изменения происходят при взаимодействии клинкерных минералов с водой и образовании новых соединений в результате реакций:



3СаО·Al₂O₃·Fe₂O₃+mH₂O=3CaO·Al₂O₃·6H₂O+CaO·Fe₂O₃·nH₂O.
Молотый клинкер схватывается в течение нескольких минут. Растворные и бетонные смеси на нем нежизнеспособны. Это происходит из-за быстрой гидратации трехкальциевого алюмината. Для замедления сроков схватывания вводится сульфат кальция, чаще всего в виде двуводного гипса, который взаимодействует с трехкальциевым гидроалюминатом и образует комплексное соединение – трехкальциевый гидросульфоалюминат (эттрингит).
3СаО·Аl₂О₃ + 3(СаSО₄·2Н₂О) + (25–26)Н₂О = 3СаО·Аl₂О₃·3СаSО₄·(31– 32) Н₂О.
Это соединение располагается в виде защитного слоя и замедляет схватывание на 3–5 ч. Кроме того, гипс ускоряет твердение цемента в начальный период.

Активные минеральные добавки несколько изменяют характер твердения портландцементов. Их действие более полно проявляется в цементах с повышенным содержанием добавок – пуццолановых портландцементах и шлакопортландцементах. При введении добавок осадочного происхождения кроме гидратации минералов клинкера происходит взаимодействие продуктов гидратации и, в первую очередь, гидроксида кальция Ca(OH)₂ с активной составляющей добавок – амфорфным кремнеземом SiO₂ с образованием водостойкого гидросиликата кальция CaO · SiO₂ · H₂O. При взаимодействии гидроалюминатов и SiO₂ образуется гидрогранаты типа 3CaO · Al₂O₃ · nSiO₂(6-2n) · H₂O.

При твердении портландцементов с добавками доменных или электротермофосфорных гранулированных шлаков вначале происходит гидратация и гидролиз клинкерных минералов. Ионы Сa²⁺ , OH^-, а также SO₄^2- в растворе создают среду, вызывающую щелочное и сульфатное возбуждение зерен шлака, которые вовлекаются в гидратацию. Гидроксид кальция связывается шлаковыми минералами. Преобладающими минералами становятся CaO · SiO₂ · H₂O, 2CaO · Al₂O₃ · 8H₂O, 2CaO · Al₂O₃ · SiO₂ · 8H₂O.

Теория твердения портландцемента была изложена в 1923 году А.А. Байковым и в дальнейшем развита П.А. Ребиндером, А.К. Шейкиным и др. По современным представлениям процесс твердения происходит следующим образом.

В первый период, при смешивании цемента с водой, образуется насыщенный раствор, содержащий ионы Ca²⁺, SO₄^2-, OH^-, K⁺. Из него осаждается гидросульфоалюминат и гидроксид кальция.

Во второй период образуются тонкодисперсные кристаллы гидросиликатов кальция. Они растут в виде длинных волокон и вместе с гидросульфоалюминатом образуют рыхлую матрицу. Подвижность смеси уменьшается, происходит схватывание.

В третий период гелеобразные новообразования перекристаллизовываются, увеличивается количество гидросиликатов, поры заполняются продуктами гидратации, цементный камень превращается в кристаллический сросток, повышается прочность и плотность цементного камня.

Затвердевший цементный камень состоит: из кристаллических и коллоидных гидратных веществ; не до конца гидратированных зерен цемента; пор, заполненных воздухом и химически несвязанной воды.

Кристаллические и коллоидные гидратные вещества влияют на свойство цементного камня – деформативность, стойкость при замораживании и оттаивании, увлажнении и высушивании. Их соотношения корректируются подбором минералогического состава клинкера.

Негидратированная часть клинкерных зерен со временем уменьшается. Гидратные новообразования заполняют поры цементного камня. Плотность и прочность цементного камня повышается. Поры в цементном камне состоят из пор геля размером менее 0.1 мкм, капиллярных пор размером от 0,1 до 10 мкм, распложенных между частицами геля, воздушных пор, образованных вовлеченным воздухом при перемешивании, в результате контракции, или введения воздухововлекающих или газообразующих добавок.

На формирование пор в цементном камне влияет вода. Воду в цементном тесте и камне разделяют на химически связанную, адсорбционно связанную воду, связанную капиллярными силами и воду свободную. Адсорбционно связанная и капиллярная вода удаляются высушиванием при 105–110 ^оС. Свободная вода в крупных пустотах удерживается механически и удаляется центрифугированнием, высушиванием.

Для получения пластичного цементного теста берется 40–60 % воды. Для гидратации требуется 24–26 %; воды. Остальная вода образует поры и каппиляры, что уменьшает прочность, водонепроницаемость и морозостойкость камня.

Вода в капиллярах и крупных порах содержит гидроксиды кальция, натрия, калия и др., что создает щелочность с рН = 12…13. В железобетоне на поверхности арматурной стали образуется защитная пленка из Fe₂(OH)_3, предохраняющая металл от коррозии. Происходит пассивирование железа. Нижняя граница действия Ca(OH)₂ соответствует рН = 12, при меньшем рН опасность коррозии возрастает. Снижает щелочность до рН = 9 карбонизация Ca(OH)₂ углекислотой воздуха Ca(OH)₂+CO₂+nH₂O=CaCO₃+(n+1)H₂O. В железобетоне плотный слой бетона толщиной 1,5–2,0 см и более препятствует проникновению CO₂ вглубь и защищает арматуру от коррозии.
Общестроительные портландцементы
Свойства портландцемента. К основным свойствам портландцемента относятся истинная и насыпная плотности, тонкость помола, водопотребность, сроки схватывания, равномерность изменения объема, прочность, тепловыделение, удельная эффективная активность естественных радионуклидов.

Истинная плотность портландцемента составляет 3,1–3,2 г/см³. Более экономичные цементы с пониженной плотностью. Они дают больший выход цементного теста.

Насыпная плотность в рыхлонасыпном состоянии равна 900–1100 кг/м³, в уплотненном – 1400–1700 кг/м³. Чем тоньше измельчен цемент, тем он имеет меньшую насыпную плотность. При расчете вместимости складов насыпную плотность принимают 1200 кг/м³ .

Тонкость помола характеризует степень измельчения цемента. Она определяется ситовым анализом. При просеивании пробы цемента через сито с сеткой 4900 отв/см² должно проходить не менее 85 % массы просеянной пробы. Тонкость помола оценивается также удельной поверхностью, т.е. площадью всех зерен, содержащихся в 1 грамме цемента. Она составляет у большинства цементов 2500–3000 см²/г и только у быстротвердеющих и высокопрочных 3500–4500 см²/г. Чем тоньше помолот цемент, тем выше его активность. Условно считается, что повышение удельной поверхности цемента на 1000 см²/г увеличивает его активность на 20–25 %. Однако измельчение цемента более 6000 см²/г не целесообразно. Уменьшается морозостойкость цементного камня и может произойти снижение прочности из-за перекристаллизации гидратных новообразований.

Водопотребность портландцемента характеризуется водоцементным отношением (отношением массы воды к массе цемента), при котором достигается нормированная подвижность стандартного цементно-песчаного раствора, состоящего из цемента, песка и воды. Испытание выполняется по методике определения консистенции растворной смеси при помощи встряхивающего столика и формы – конуса при определении прочности цемента, которая должна составлять 106–115 мм.

Водопотребность портландцемента можно оценить по нормальной густоте цементного теста, при которой достигается нормированная консистенция цементного теста. Она характеризуется водоцементным отношением и в процентах составляет обычно 24–28 %.

Водопотребность портландцемента зависит от минералогического состава клинкера, тонкости помола, минеральных и химических добавок. Она выше у цементов с более высоким содержанием минерала С₃A и меньше у цементов с повышенным содержанием минерала C₂S. Более тонко помолотый цемент имеет более высокую водопотребность. При введении активных минеральных добавок осадочного происхождения диатомита, трепела, опоки водопотребность цемента становится больше, при введении пластифицирующих добавок С-3, ЛСТ, ЛСТМ и др. – понижается. Цементы с меньшей водопотребностью образуют более плотный цементный камень. Уменьшается расход цемента на 1 м³ бетона. Их качество более высокое.

Схватыванием называют необратимую потерю подвижности цементным тестом в результате гидратации. Смесь цемента с водой загустевает и ее переработка затрудняется и становится даже невозможной.

Сроки схватывания характеризуются началом и концом схватывания. Они определяются на приборе Вика путем погружения иглы в тесто нормальной густоты. За начало схватывания принимают время от начала затворения цемента водой до момента, когда игла прибора не дойдет до дна пластинки на 2–4 мм. За конец схватывания принимается время от начала затворения до момента, когда игла опуститься в тесто на 1–2 мм.

Начало схватывания портландцемента должно наступать не ранее 45 мин, конец – не позже 10 ч. Этого времени достаточно, чтобы приготовить, транспортировать и уложить в конструкцию бетонные и растворные смеси.

На скорость схватывания портландцемента влияют минералогический состав клинкера, добавка двуводного гипса, химические добавки, степень обжига клинкера, водоцементное отношение, температура окружающей среды, время хранения на складах. Ускоряет схватывание минерал С₃А. Для замедления сроков схватывания к клинкеру при помоле добавляют двуводный гипс от 1.0 до 4.0 % в пересчете на SO₃. Образуется гидросульфоалюминат кальция (3CaO · Al₂O₃ · 3CaSO₄ · (31-32)H₂O), который обволакивает зерна цемента тонкой пленкой и препятствует реакциям гидратации. Замедляют схватывание добавки Na₃PO₄, Na₂B₄O₇, уксуснокислый кальций, сахар, ЛСТ. Ускоряют схватыванёие CaCl₂, Ca(NO₃)₂, Na₂SO₄, Na₂O · nSiO₂.

Сильнообожженный клинкер схватывается медленней, а слабообожженный – быстрее по сравнению с нормальнообожженным.

При помоле клинкера с гипсом смесь может нагреться до температуры 140–160 ^оС, при которой образуется полуводный гипс, который быстро схватывается. Возникает ложное схватывания цемента. Бетонные и растворные смеси на таких цементах не жизнеспособны. При изготовлении цемента это явление устраняют охлаждением клинкера перед помолом, охлаждением мельницы в процессе помола. При приготовлении бетонных и растворных смесей после схватывания их интенсивно перемешивают с небольшим количеством дополнительно введенной воды.

Более быстро схватываются тонкомолотые цементы. С увеличением В/Ц скорость схватывания замедляется, с уменьшением – ускоряется. С повышением температуры схватывание происходит быстрее, с понижением – замедляется.

При хранении на цементы воздействуют пары воды и углекислый газ. На поверхности зерен образуются пленки гидратных веществ и карбоната кальция, которые препятствуют гидратации и замедляют сроки его схватывания.

Равномерное изменение объема – свойство цемента при твердении образовывать цементный камень, деформация которого не превышает допустимых значений. Она определяется кипячением в воде, а при содержании МgO более 5 % – пропариванием в автоклаве образцов из цементного теста. Отсутствие на образцах радиальных, доходящих до краев трещин и искривлений, свидетельствует о равномерности изменения объема.

Неравномерность изменения объема цемента уменьшает прочность бетона и может привести к его разрушению. Она вызывается гидратацией СаО_своб при содержании более 1,5–2,0 %, MgO_своб в виде периклаза – более 5 %, при избыточном введении гипса. Это происходит из-за нарушения технологии производства и состава сырьевой смеси.

Гидратация СаО_своб и MgO_своб начинается после гидратации основных клинкерных минералов и идет медленно с увеличением объема продуктов гидратации, которые вызывают растягивающие усилия в цементном камне.

При большом содержании в клинкере С₃А и избыточном введении гипса происходит образование повышенного количества гидросульфоалюмината, который тоже может вызвать неравномерность изменения объема.

Цементы, содержащие щелочные оксиды Na₂O и K₂O более 0,5–0,6 % на заполнителях с реакционноспособным кремнеземом (опал, халцедон и др.) при химическом взаимодействии образуют водные щелочные силикаты, которые вызывают набухание бетона и могут его разрушить.

Согласно ГОСТ 10178–85 общестроительные портландцементы подразделяют на марки 300, 400, 500, 550 и 600. Они устанавливаются по активности – фактическому пределу прочности стандартных образцов -- балочек в 28-суточном возрасте на изгиб и сжатие, которые должны быть не менее значений, приведенных в таблице 3.2.
Таблица 3.2 – Марочная прочность общестроительных портландцементов

Обозначение портландцемента	Марка	Предел прочности , МПа (кгс/см2)
		при изгибе в возрасте, сут		при сжатии в возрасте, сут
		3	28	3	28
ПЦ-Д0, ПЦ-Д5, ПЦ-Д20, ШПЦ	300 400 500 550 600	— — — — —	4,4(45) 5,4(55) 5,9(60) 6,1(62) 6,4(65)	— — — — —	29,4(300) 39,2(400) 49,0(500) 53,9(550) 58,8(600)
ПЦ-Д20-Б	400 500	3,9(40) 4,4(45)	5,4(55) 5,9(60)	24,5(250) 27,5(280)	39,2(400) 49,0(500)
ШПЦ-Б	500	3,4(35)	5,4(55)	21,5(220)	39,4(400)

Нарастание прочности для большинства цементов происходит по лагоритмической зависимости. Через трое суток она составляет 35, через 7 суток – 65, через 90 суток – 125, через 1 год – 150 % от марочной прочности. Твердение цемента продолжается годы и может превысить марочную в 2–3 раза.

На прочность портландцемента оказывает влияние минералогический состав портландцементного клинкера. Портландцементы с повышенным содержанием минерала С₃S имеют наибольшую конечную прочность. Меньшая прочность – у портландцементов с высоким содержанием в клинкере минерала С₂S.

Активность портландцемента в раннем возрасте зависит от тонкости его помола. Размер зерен портландцемента составляет от 15 до 40 мкм. Глубина гидратации их через 6–12 мес. не превышает 10–15 мкм. Таким образом, до 20 % цемента не участвует в гидратации. Повышение тонкости помола с 3 до 4–4,5 тыс см²/г увеличивает активность на 15–20 %.

Существенно влияет на активность цемента продолжительность хранения. Через 3 месяца хранения она снижается на 15–20 %, через 6 месяцев – на 20–30 %. Еще быстрее теряют активность тонкоизмельченные портландцементы. Это происходит в результате образования на поверхности зерен гидратных соединений и карбоната кальция.

Введение в портландцемент гидрофобных добавок повышает их устойчивость при хранении.

Медленней теряют активность портландцементы в мешках, обернутых термоусадочной полиэтиленовой пленкой.

Температура среды оказывает большое влияние на скорость твердения портландцемента. Повышение ее при достаточной влажности ускоряет интенсивность реакций между клинкерными минералами и водой. Наиболее быстро набирает прочность цементный камень при температуре 175–200 ^оС и выше и давлении 0,8–1,6 МПа в автоклаве.

На заводах сборного железобетона для ускорения твердения бетона применяют тепловую обработку изделий. Их чаще всего пропаривают в среде насыщенного водяного пара при температуре 60–85 ^оС.

Эффективность цементов при пропаривании определяется при испытании образцов, пропаренных при температуре 80 ^оС. Рост прочности зависит от минералогического состава клинкера и вещественного состава портландцемента.

По эффективности пропаривания портландцементы подразделяются на группы со значениями, приведенными в таблице 3.3.

Таблица 3.3 – Распределение цементов по эффективности пропаривания

Группы по эффективности пропаривания	Вид цента	Предел прочности при сжатии после пропаривания, МПа(кгс/см2), для цемента марок				Коэффи- циент расхода цемента
		300	400	500	550-600
1	ПЦ ШПЦ	Более 23 (230) Более 21 (210)	Более 27 (270) Более 25 (250)	Более 32 (320) Более 30 (300)	Более 38 (380)	0,93
2	ПЦ ШПЦ	От 20 до 23 (от 200 до 230) От 18 до 21 (От 180 до 210)	От 24 до 27 (От 240 до 270) От 22 до 25 (От 220 до 250)	От 28 до 32 (От 280 до 320) От 26 до 30 (От 260 до 300)	От 33 до 38 (От 330 до 380)	1,0
3	ПЦ ШПЦ	Менее 20 (200) Менее 18 (180)	Менее 24 (240) Менее 22 (220)	Менее 28 (280) Менее 24 (240)	Менее 33 (330)	1,07

При температуре от 0 до 8 ^оС твердение портландцемента замедляется, а ниже 0^оС, при замерзании воды, вообще прекращается.

Применение добавок солей – нитрита натрия NaNO₂, поташа KCO₃ и др., понижающих температуру замерзания воды, обеспечивает твердение цемента в растворах и бетонах при отрицательных температурах.

Добавки хлорида кальция CaCl₂, сульфата натрия Na₂SO₄ и др. применяются как ускорители твердения при обычных температурах.

Тепловыделение цемента является результатом экзотермических реакций между клинкерными минералами и водой. Оно зависит от минералогического состава клинкера, тонкости помола, вещественного состава цемента и составляет: через 3 суток – 113–376, 7 суток – 130–418, 28 суток – 176–553, и через три месяца – 192–570 Дж/г цемента. Наибольшее количество тепла выделяют цементы с повышенным содержанием в клинкере минералов С₃S и C₃A, меньшее при более высоком количестве C₂S и C₄AF. Тепловыделение имеет большое практическое значение. При бетонировании массивных конструкций рекомендуются цементы с меньшим тепловыделением. Бетонирование зимой требует применения цементов с высоким тепловыделением.

Удельная эффективность естественных радионуклидов (Аэфф) не должна превышать 370 Бк/кг.

Портландцемент (без минеральных добавок) – гидравлическое вяжущее вещество, получаемое помолом клинкера и двуводного гипса. Гипса вводится от 1,0 до 4,0 % в пересчете на ангидрид серной кислоты (SO₃).

Выпускают его марок 400, 500, 550 и 600 (ПЦ 400-ДО, ПЦ 500-ДО, ПЦ 550-ДО, ПЦ 600-ДО) со значениями пределов прочности на изгиб и сжатие, приведенными в таблице 3.2.

Портландцемент без минеральных добавок применяется для бетонов, эксплуатируемых внутри здания при любой относительной влажности воздуха, на открытом воздухе – при воздействии атмосферных факторов. Допускается для бетонов подземных сооружений, гидротехнических сооружений подводной, надводной и внутренней зон.

Для бетона железобетонных шпал, мостовых конструкций, стоек контактной сети железнодорожных путей и освещения, опор высоковольтных линий, бетона дорожных и аэродромных покрытий, напорных и безнапорных труб, гидротехнических сооружений зоны переменного уровня воды следует применять портландцемент нормированного минералогического состава с содержанием в клинкере трехкальциевого алюмината (С₃А) не более 8 % без минеральных добавок марок 400 и 500 (ПЦ 400-ДО-Н, ПЦ 500-ДО-Н).

Начало схватывания портландцемента для дорожных и аэродромных покрытий должно наступать не ранее 2 ч, для труб – не ранее 2 ч 15 мин.

---

2.4.3 Защита каменных материалов от коррозии