Вяжущих веществ

К неорганическим смешанным относятся вяжущие вещества, получаемые объединением воздушных и гидравлических вяжущих с активными минеральными добавками и шлаками при их совместном помоле или после раздельного измельчения.

Активными минеральными добавками называются природные или искусственные вещества, которые при смешении в тонкоизмельченном виде с воздушной известью переводят ее в вяжущее вещество с гидравлическими свойствами, при смешении с портландцементом усиливают ее гидравлические свойства и повышают водостойкость смешанного вяжущего вещества. Применение этих добавок также экономически целесообразно — снижается стоимость портландцемента за счет экономии клинкера.

Среди природных активных минеральных добавок вулканического происхождения широкое применение получили пуццоланы, туфы, пемзы, а из осадочных горных пород — диатомиты, трепелы, опоки. Характерным для добавок из осадочных горных пород является наличие в них преобладающего количества кремнеземистых компонентов, находящихся в аморфном состоянии, а для добавок вулканического происхождения — аморфных алюмосиликатов.

К искусственным активным минеральным (гидравлическим) добавкам относятся: шлаки доменные гранулированные, топливные золы и шлаки, обожженные глины (глиежи, цемянки), побочные продукты и отходы производств, например нефелиновый (белитовый) шлам — отход глиноземного производства; сиштоф — отход при производстве сернокислого алюминия и квасцов и др.

Портландцемент пуццолановый — гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным тонким измельчением портландцементного клинкера, гипса (2…3% в пересчете на серный ангидрит) и минеральной добавки, или тщательным смешиванием тех же раздельно измельченных материалов. Количество активных минеральных добавок составляет (% по массе цемента): добавок вулканического происхождения — не менее 25, обожженной глины, глиежа или топливной золы — 25…40, добавок осадочного происхождения — 20…30. В клинкере для производства пуццоланового портландцемента ограничивают содержание трехкальциевого алюмината до 8%. Гипс вводят для регулирования сроков схватывания.

Производство пуццоланового портландцемента отличается наличием дополнительных операций по измельчению минеральной добавки до частиц не крупнее 5 мм и сушке с последующим хранением ее в отдельном бункере. Подготовленная и отдозированная добавка поступает в мельницу совместного помола с клинкером и гипсом. Для интенсификации помола иногда вводят дополнительные добавки (в количестве до 1%), не ухудшающие качества цемента.

Твердеет в замедленном темпе, но через 3…6 месяцев его прочность полностью соответствует прочности портландцемента той же марки. Такой характер отвердевания объясняется наличием дополнительных реакций с минеральными добавками в условиях повышенного содержания воды.

Пуццолановый портландцемент используют для сооружения бетонных и железобетонных конструкций подводных и подземных сооружений, подверженных действию мягких и сульфатных вод, повышенной влажности. Бетоны на его основе более водонепроницаемые, чем на обычном портландцементе. Однако исследования показали, что некоторые активные глиноземсодержащие добавки могут снизить сульфатостойкость этих цементов. Поэтому был разработан специальный — сульфатостойкий пуццолановый портландцемент.

Сулъфатостопкий пуццолановый портландцемент изготовляют из клинкера нормированного минералогического состава и гипса (до 3,5% по SО₃). Минеральные активные добавки для этого цемента не применяются, так как они снижают морозостойкость бетона. Пуццолановый сульфатостойкий портландцемент при твердении мало выделяет теплоты отличается замедленным твердением в начальные сроки. Его марка по прочности — 400, цементный камень имеет повышенную морозостойкость и устойчивость к сульфатной среде. Используется для изготовления бетонных и железобетонных конструкций, гидротехнических сооружений, работающих в условиях сульфатной коррозии, попеременного увлажнения и высыхания, циклического замерзания и оттаивания. Для твердения этого вяжущего более благоприятны увлажненные условия или водная среда.

Шлакопортландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным измельчением портландцементного клинкера, доменного гранулированного или электротермофосфорного шлака в количестве не менее 21 и не более 80% и гипса — не свыше 3,5% для регулирования сроков схватывания и активизации шлака на стадии твердения цементного теста. Допускается заменять часть шлака активными минеральными добавками (не более 10%). Можно изготовлять шлакопортландцемент и путем смешения тех же исходных материалов, но измельченных раздельно. Грануляция шлака осуществляется на специальных грануляционных установках быстрым охлаждением расплава шлака водой. По химическому составу доменный шлак состоит в основном (на 90…95%) из оксидов Са, Si , A 1, т. е. близок к составу портландцементного клинкера, поэтому его и вводят в большем количестве, чем другие активные минеральные добавки. Расход известняка при получении клинкера можно снизить, добавляя в сырьевую смесь вместо глинистого компонента часть шлака.

Разновидностью шлакопортландцемента является быстротвердеющий, который отличается меньшим содержанием шлака (до 50%), более высокой тонкостью помола, наличием каталитических добавок (А1СОз, FeCl ₃ , NaCl и др.) в количестве 0,5…1,5% массы цемента. Этот цемент характеризуется более интенсивным нарастанием прочности в начальный период твердения теста, например через 3 суток предел прочности при сжатии не менее 14 МПа, а через 28 суток — 40 МПа. Его следует употреблять в течение 7…10 дней со дня изготовления, чтобы он не потерял активность при хранении.

Шлакопортландцемент применяют для изготовления железобетонных изделий и конструкций, твердеющих в пропарочных камерах, в конструкциях горячих цехов, гидротехнических сооружениях, подвергающихся сульфатной агрессии.

К смешанным вяжущим на основе воздушных вяжущих веществ относятся следующие.

Известково-пуццолановое вяжущее вещество, которое получают совместным помолом 15…30% воздушной извести с активными минеральными добавками. В этот состав вводят до 5% двуводного гипса. При затворении такого вяжущего водой происходит химическое взаимодействие между активным кремнеземом и известью:

Образующийся низкоосновный гидросиликат кальция обеспечивает гидравлические свойства вяжущего. Марки его М25, М50, М100и М150.

Известково-пуццолановое вяжущее вещество применяют в строительных растворах и бетонах низких марок для подводных и подземных сооружений, а также в изделиях с тепловлажностной обработкой.

Известково-шлаковое вяжущее вещество получают совместным помолом доменных гранулированных шлаков с воздушной гашеной или негашеной известью (20…30%) и гипсом (до 3…5%). В присутствии воды известь реагирует с низкоосновными алюминатами и силикатами шлака, переводя их в высокоосновные гидроалюминаты и гидросиликаты кальция, а гипс обеспечивает образование кристаллов эттрингита.

Известково-кремнеземистое вяжущее вещество, получаемое в условиях автоклава, представляет собой продукт синтеза химически активного сырья1 с образованием гидросиликатов цементирующей связки в искусственных силикатных конгломератах. Одним из наиболее часто используемых компонентов сырьевой смеси служит известь. Она обладает большой химической активностью к кремнезему при термовлажностной обработке. Поэтому вторым основным компонентом сырьевой смеси является кварцевый песок или другие минеральные вещества, содержащие кремнезем, например кварцит или другие кислые породы, кислые шлаки, золы. Чтобы химическое взаимодействие проходило интенсивнее (со сбережением тепловой энергии и топлива), кремнеземистый компонент подвергают тонкому измельчению. Непременным третьим химически активным компонентом сырьевой смеси служит вода.

При автоклавной обработке образуются наиболее устойчивые низкоосновные гидросиликаты с соотношением CaO : SiO ₂ в пределах 0,8…1,2, хотя на промежуточных стадиях отвердевания возможны и более высокоосновные химические соединения.

Сульфатно-шлаковые вяжущие вещества получают при активизации доменного гранулированного шлака двуводным и полуводным гипсом и ангидридом с добавкой оксидов кальция и магния в виде обожженного доломита, извести или портландцемента. Существуют две их разновидности: гипсошлаковое и шлаковое бесклинкерное. Чаще применяют гипсошлаковое, как сильно гидравлическое вяжущее вещество. Оно состоит из 75…85% доменного гранулированного шлака, 15…20% двуводного гипса или ангидрита, до 5% портландцементного клинкера (можно заменить 2% оксида кальция). Используют шлаки с повышенным содержанием глинозема (15…20%). Это — медленно твердеющее вещество марок М150, М200 и М300. Наряду с обычным применением в бетонных и железобетонных наземных конструкциях его целесообразно применять для подводных частей сооружений, работающих в условиях сульфатной агрессии. Шлаковое бесклинкерное вяжущее называют так вследствие очень малого содержания в нем активизирующей добавки, состоящей из 5…8% ангидрита и 5…8% обожженного доломита; остальная масса — доменный гранулированный шлак в количестве 85…90%.

Гипсоцементнопуццолановое вяжущее вещество (ГЦПВ) получают смешением 50…75% полуводного гипса, 15…25% портландцемента и 10…25% активной минеральной добавки в виде диатомита, трепела, опоки и др. Обычно не рекомендуется смешивать портландцемент с большим количеством гипса, так как образующиеся высокосульфатные виды гидросульфоалюминатов кальция при кристаллизации значительно и неравномерно увеличиваются в объеме и

Предел прочности при сжатии этого вяжущего вещества, полученного на обычном строительном гипсе, составляет 10…15 МПа, а на высокопрочной — 30…40 МПа. Конец схватывания наступает не позднее 20 мин, что удобно для производства.

ГЦПВ примеряют для изготовления стеновых панелей, а также санитарно-технических кабин и других конструкций.

Шлакощелочные цементы представляют собой гидравлические вяжущие вещества, получаемые тонким измельчением гранулированного шлака совместно с малогигроскопичным щелочным компонентом или затворением молотого шлака растворами соединений щелочных металлов: натрия, калия или лития. Шлаки используют доменные или электротермофосфорные гранулированные (ГОСТ 3476—74) с тонкостью помола, характеризуемой удельной поверхностью не ниже 3000 см²/г. Могут быть использованы и другие разновидности шлаков, например титанистые, никелевые, фер-ромарганцевые, ваграночные, мартеновские после их предварительного испытания. Щелочные компоненты в виде соединений щелочных металлов составляют 5…15% массы шлака (в пересчете на сухое вещество). Используют их водные растворы 18…40%-ной концентрации по массе. К таким соединениям относятся: едкие щелочи (едкий натр, едкое кали), смесь плавленных щелочей, сода кальцинированная техническая, содощелочной шлак, поташ, фтористый натрий; силикатные соли и растворимые стекла с силикатным модулем 0,5…2,5, в том числе орто-мета-дисиликаты натрия и калия; алюминатные соли — алюминаты натрия и калия.

В зависимости от состава алюмосиликатной составляющей эти цементы имеют несколько разновидностей: бездобавочный цемент, цемент с добавками горной породы, глинистых минералов, горелых пород, щелоче- и кремнийсодержащих веществ, карбонатов и др. Шлакощелочные цементы разделяются на марки: 400, 500, 600, 700, 800, 900 и 1000. При использовании в качестве добавки каолина в количестве 20…50% получают декоративные шлакощелочные цементы с введением в их состав красящих минеральных веществ. К этим щелочестойким пигментам относятся железный сурик, оксид хрома, охра и др., добавляемые в количестве до 15% (по массе), или органические пигменты, например фталоцианиновые, — до 0,3%. Кроме каолина, белизны цементов можно достичь добавлением известняка или доломита, если их коэффициенты белизны составляют не менее 90% по отношению к белизне BaSO ₄.

Шлакощелочные цементы используют для монолитных и сборных бетонов и железобетона в жилищном, гидротехническом и автодорожном строительстве. Первый в мире жилой дом из монолитного шлакощелочного бетона построен в г. Липецке в 1987—88 гг.

 БЕТОНЫ И РАСТВОРЫ

Бетонами называют искусственные каменные материалы, получаемые в результате затвердевания тщательно перемешанной и уплотненной смеси из минерального или органического вяжущего вещества с водой, мелкого или крупного заполнителей, взятых в определенных пропорциях. До затвердевания эту смесь называют бетонной смесью.

Между цементом и заполнителем обычно не происходит химического взаимодействия (за исключением силикатных бетонов, получаемых автоклавной обработкой), поэтому заполнители часто называют инертными материалами. Однако они существенно влияют на структуру и свойства бетона, изменяя его пористость, сроки затвердевания, поведение при воздействии нагрузки и внешней среды. Заполнители значительно уменьшают деформации бетона при твердении и тем самым обеспечивают получение большеразмерных изделий и конструкций. В качестве заполнителей используют преимущественно местные горные породы и отходы производства (шлаки и др.). Применение этих дешевых заполнителей снижает стоимость бетона, так как заполнители и вода составляют 85...90%, а цемент 10...15% от массы бетона. Для снижения плотности бетона и улучшения его теплотехнических свойств используют искусственные и природные пористые заполнители.

Для регулирования свойств бетона и бетонной смеси в их состав вводят различные химические добавки и активные минеральные компоненты (ПАВ), которые ускоряют или замедляют схватывание бетонной смеси, делают ее более пластичной и удобоукладываемой, ускоряют твердение бетона, повышают его прочность и морозостойкость, регулируют собственные деформации бетона, возникающие при его твердении, а также при необходимости изменяют и другие свойства бетона.

На органических вяжущих веществах (битум, синтетические смолы и т. д.) бетонную смесь получают без введения воды, что обеспечивает высокую плотность и непроницаемость бетонов.

Многообразие вяжущих веществ, заполнителей, добавок активных минеральных компонентов и технологических приемов позволяет получать бетоны с самыми разнообразными свойствами.

Бетонные и железобетонные конструкции изготовляют либо непосредственно на месте строительства - монолитный бетон и железобетон, либо на заводах и полигонах с последующим монтажом на строительной площадке - сборный бетон и железобетон.

Технология бетона включает ряд этапов или технологических переделов: подготовку сырья, определение состава бетона в зависимости от используемого сырья и конструктивных и технологических требований, дозирование (отмеривание) цемента, воды, заполнителей и других материалов для определенного замеса бетонной смеси, перемешивание, транспортировку бетонной смеси к месту укладки, заполнение формы и опалубки конструкции бетонной смесью, ее уплотнение, последующее твердение бетона в нормальных условиях (при температуре около 20°С и влажности 80…100%), либо при повышенных температурах в специальных аппаратах и устройствах или в специфических условиях, определяемых организацией производства работ.

Применение химических добавок и различных дисперсных минеральных компонентов в сочетании с соответствующим подбором состава бетона позволяет эффективно управлять его технологией на всех ее этапах и получать бетоны заданной структуры и свойств.