Время схватывания сульфатостойкого цемента

Специальный цемент – разновидности спеццемента

Цемент, являясь уникальным строительным материалом, подразделяется на виды в зависимости от назначения и условий эксплуатации бетонных конструкций. Тяжелые и особо тяжелые условия эксплуатации, также особые условия набора прочности бетона, требуют применения цементов специального вида.

• Специальные виды цемента
• Глиноземистый цемент
• Расширяющийся цемент
• Безусадочный цемент
• Шлакощелочной цемент
• Кислотоупорный цемент
• Сульфатостойкий портландцемент
• Белый цемент
• Заключение

Специальный цемент – уникальный строительный материал, обладающий особыми свойствами по скорости набора прочности, пластичности, величине усадки, водонепроницаемости, сульфат стойкости, морозостойкости и эстетическим характеристикам.

Специальные виды цемента

К специальным видам цемента относятся следующие виды «вяжущего»: глиноземистый, расширяющийся, безусадочный, напрягающий, шлакощелочной, кислотоупорный, сульфатостойкий цемент и белый цемент. Каждому виду специального цемента соответствует своя сфера применения. Рассмотрим особенности и сферу применения каждого вида специального цемента подробнее.

Глиноземистый цемент

Характеризуется особо высокой скоростью схватывания и набора прочности. Схватывание бетона на основе цемента этого вида начинается через полчаса после затворения и оканчивается через 12 часов. Значение марочной прочности достигается через 72 часа после затворения.

Глиноземистый цемент это собирательное название видов специального цемента ГОСТ 969-91, обладающих различной величиной прочности на сжатие: 400, 500 и 600 кгс/см2. При этом сфера применения вяжущего этого типа определяется его специальными свойствами – быстрым набором прочности и способностью противостоять высоким температурам окружающей среды.

В частности глиноземистый цемент используют для приготовления бетонных растворов предназначенных для: скоростного строительства, реставрации сооружений, строительства емкостей, производства огнеупорного бетона стойкого до 1700 градусов Цельсия, оперативной заделки пробоин в корпусах кораблей и судов, возведения сооружений работающих в условиях агрессивной сульфатной среде, других подобных работ.

Средняя стоимость мешка глиноземистого вяжущего массой 50 кг составляет сумму от 1980 до 2500 рублей.

Расширяющийся цемент

В соответствии со своим названием расширяющийся цемент в отличие от своих общестроительных аналогов не только не дает усадку, а имеет свойство линейно увеличиваться в объеме в пределах 0,2-2,5% через 72 часа после затворения материала.

Расширяющийся цемент характеризуется быстрым схватыванием и быстрым набором прочности. Начало схватывания происходит через 30 минут после затворения. Конец схватывания через 4 часа после затворения. Прочность на сжатие через 72 часа – до 200 кгс/см2, через 7 суток прочность на сжатие может достигать 300 кгс/см2.

Сфера применения обусловлена свойством раствора на основе связующего данного типа увеличиваться в объеме: уплотнение швов и отверстий, монтаж анкерных болтов и шпилек, уплотнение кабельных вводов, заделка стыков бетонных конструкций, заделка стыков бетонных трубопроводов канализационных коллекторов и другие подобные работы.

Важный аспект! Для достижения наиболее полного эффекта расширения, схватывание и твердение раствора на основе цемента данного типа должно идти при повышенной важности окружающей среды. Средняя стоимость 50 килограммового мешка расширяющегося связующего находится в пределах от 1400 до 2000 рублей.

Безусадочный цемент

Характеризуется моментальным схватыванием и быстрым достижением марочной прочности и отсутствием усадки. В общем случае схватывание материала начинается с первой минуты после затворения и оканчивается не позднее пяти-шести минут. Марочная прочность бетонного раствора на безусадочном цементе достигается не позднее 72 часов после затворения. При этом сооружение способно выдерживать давление воды до 7 кгс/см2 без потери герметичности.

Сфера применения – приготовление бетонов и растворов для строительства гидроизолирующих оболочек подземных сооружений, заделка швов, подливка под машины и фундаментные болты т.п. Важно! Не допускается применение в возведении конструкций экспортирующихся в условиях недостаточной влажности или в конструкциях эксплуатирующихся при температуре окружающей среды более 80 Градусов Цельсия.

Средняя стоимость безусадочного цемента на рынке строительных материалов России составляет сумму от 1166 до 1 790 рублей за мешок массой 25 кг. При этом высококачественный цемент специальный безусадочный быстротвердеющий пластифицированный macflow можно приобрести за 78.95- 89.25 руб./кг. Бренд MACFLOW® является признанным производителям высококачественного продукта, в том числе производителем безусадочного цемента.

Шлакощелочной цемент

Цементный состав на основе связующего этого вида применяется для строительства дорог, автомагистралей и массивных бетонных конструкций военного назначения, характеризующихся повышенной стойкостью к вредным факторам: воздействию воды и низкой температуры, воздействию химически активных веществ и ветра.

Состав вяжущего этого вида кардинально отличается от цемента общестроительного назначения. Шлакощелочной цемент состоит из мелкодисперсного порошка, продукта помола отходов металлургического производств и едкой щелочи или несиликатных солей слабых кислот (сода, поташ) или силикатных солей.

В числе преимуществ: нулевое трещинообразование, обусловленное низкой температуры гидратации, высокая прочность от 1090 до 1420 кгс/см2, жаростойкость до 1400°С, морозостойкость F1000, низкая стоимость обусловленная использованием отходов производства. Достоверных данных по отпускной стоимости цемента этого вида нет.

Кислотоупорный цемент

Конструкционный материал этого вида изготавливают по технологии раздельного или совместного помола очищенного кварцевого песка и кремнефтористого натрия. В качестве затворителя раствора выступает жидкое стекло. Схватывание раствора начинается не ранее 30 минут и не позднее 6 часов после затворения.

Основные свойства: прочность бетонов на основе кислотоупорного цемента от 200 до 600 кгс/см2, стойкость ко всем видам кислот кроме ортофосфорной и плавиковой кислоты. В числе принципиальных недостатков – низкая стойкость к воздействию воды, водяного пара и щелочей. При воздействии воды, пара и щелочей запускается необратимый химический процесс превращения кислотоупорного бетона в аморфную массу.

Область применения: обмазка и облицовка оборудования предприятий химической промышленности, строительство резервуаров для хранения химически активных продуктов. Средняя стоимость 1 килограмма продукта от 250 до 470 рублей.

Сульфатостойкий портландцемент

Это разновидность общестроительного портландцемента цемента обладающего повышенной стойкостью к воздействию: грунтовых вод, деформации грунта, морским приливам и отливам, агрессивным веществам, колебаниям уровня воды в водоемах и резервуарах, зимнему пучению грунта и другим атмосферным факторам. Для придания портландцементу специальных свойств при помоле клинкера в него добавляется четко нормированное количество трехкальциевого алюмината и трехкальциевого силиката.

Основная сфера применения: строительство и ремонт гидротехнических сооружений, строительство фундаментов и подвалов эксплуатирующихся в условиях повышенной важности грунта.

Основные свойства: низкое тепловыделение, быстрая схватываемость и набор прочности, повышенная плотность, высокая стойкость к сульфатной коррозии и другим вредным факторам. Приобрести пятидесятикилограммовый мешок сульфатостойкого цемента можно за 325-440 рублей.

Белый цемент

Особенность вяжущего этого вида – белоснежность бетонных конструкций и изделий на его основе. Это свойство широко используется производителями цветной тротуарной плитки, строителями эксклюзивных зданий и сооружений и мастерами, создающими декоративные архитектурные элементы и скульптурные композиции.

«Белоснежность» цвета цемента обусловлена особым составом клинкера и специальностью технологии. Цемент этого вида готовится на основе маложелезистого клинкера с добавлением гипса, известняка и специальных солей. Высокая прочность цемента достигается резким охлаждением обожженного клинкера в бескислородной среде.

Основные технические характеристики: прочность на сжатие 400-500 кгс/см2, время схватывания 45 минут, время набора марочной прочности 24 часа, стойкость к растрескиванию и вредным атмосферным факторам. Средняя стоимость 50 кг мешка белого цемента на рынке России 850-950 рублей.

Заключение

Специальные свойства цемента обуславливают высокую себестоимость производства, что в свою очередь обуславливает высокие розничные цены. Поэтому использовать специальное вяжущее для работ общестроительного характера экономически нецелесообразно. Исключение составляет Шлакощелочной цемент, который изначально создавался и производится как недорогая альтернатива общестроительному портландцементу.

Особенности производства, свойства и области применения белого цемента

По своему вещественному составу белый цемент не содержит каких-либо минеральных добавок, он состоит только из клинкера и гипса. Белый цемент имеет марку прочности 500 (его прочность при сжатии в возрасте 28 суток достаточно высока и составляет 55-60 МПа), а по степени белизны он относится к первому сорту (его коэффициент отражения света составляет 83-85%). Благодаря высокой белизне и возможности окрашивания бетона цветными пигментами белый цемент предоставляет безграничные возможности для яркой и долговечной отделки улиц, фасадов и помещений.

Отличительной особенностью белого цемента является его высокая теплота гидратации (тепловыделение) на начальных этапах твердения, поэтому он обладает быстрой кинетикой набора прочности. Это позволяет сократить продолжительность производственного цикла при производстве изделий заводского изготовления, а также оптимизировать расход цемента на 1 куб. м бетонной или растворной смеси.

Важными характеристиками белого цемента, к которым потребители предъявляют требования, являются водопотребность, время потери подвижности, сроки схватывания. Преимуществом белого цемента LafargeHolcim является повышенная эффективность его работы в сочетании с суперпластификаторами, которые входят в состав практически любой бетонной или растворной смеси. Пластифицирующие добавки позволяют снизить водоцементное отношение и получить бетоны и строительные растворы с плотной структурой, обладающие низкой проницаемостью. Кроме того, бетонные смеси и строительные растворы на белом цементе обладают лучшей подвижностью, чем бетонные смеси и растворы на общестроительном сером цементе.

Области применения белого цемента аналогичны общестроительному серому цементу – это:

• готовые бетонные смеси и растворы
• сборные железобетонные элементы
• мелкоштучные бетонные изделия
• строительные смеси

Однако применение белого цемента позволяет получить широкий спектр форм, цветов и фактур, создавая яркий визуальный эффект, и обеспечив при этом заданную прочность, водонепроницаемость, морозостойкость, атмосферную и коррозионную стойкость конечных продуктов на его основе.

Для изготовления и укладки декоративной бетонной смеси на основе белого цемента необходимо строго контролировать стабильность качества и точность дозирования всех сырьевых компонентов, поддерживать чистоту технологического оборудования и автотранспорта для доставки свежеприготовленной бетонной смеси на объект строительства. Особого контроля требует подготовка опалубки, технология укладки готовой бетонной смеси и уход за твердеющим бетоном. Несмотря на то, что применение товарного бетона на основе белого цемента требует дополнительных затрат, он незаменим для достижения яркой архитектурной выразительности, что неоднократно подтверждено европейской и российской строительной практикой.

В отличие от товарного архитектурного бетона на основе белого цемента, элементы заводского изготовления все чаще пополняют продуктовый портфель заводов сборного железобетона. Белый цемент обеспечивает прекрасные реологические свойства свежеприготовленной бетонной смеси, что позволяет использовать фактурную оснастку для выразительного дизайна фасадных элементов. При этом быстрый набор прочности белого цемента способствует уменьшению времени выдерживания отформованных элементов для достижения заданной отпускной прочности и сокращению времени производственного цикла.

Мелкоштучные бетонные изделия заводского изготовления на основе белого цемента представлены в широком ассортименте – это плиты «терраццо» и искусственный камень для устройства полов, отделки фасадов и помещений, тротуарная плитка и стеновые блоки. При производстве мелкоштучных бетонных изделий применяется различное технологическое оборудование. Изготовление плит «терраццо» предусматривает вибровакуумирование с последующей шлифовкой и полировкой поверхности изделий, что в сочетании с окраской цементной матрицы в яркие цвета и возможностью подбора фракционного состава декоративных заполнителей позволяет имитировать натуральный гранит различной цветовой гаммы.

Отличительной особенностью искусственного камня является тонкая имитация цвета и фактуры различных горных пород, что достигается при помощи укладки литой мелкозерныстой бетонной смеси в текстурированные пластиковые формы. При производстве облицовочного кирпича и блока по технологии полусухого вибропрессования используют прием раскалывания изделий, что позволяет создать рельефную «рваную» поверхность. Основным преимуществом применения белого цемента для производства мелкоштучных бетонных изделий является его высокая прочность, что является надежной гарантией долговечности конечных продуктов. При этом высокий коэффициент отражения света белого цемента делает его идеальной основой для получения яркой и стабильной окраски изделий.

Производство сухих строительных смесей является одним из самых больших сегментов потребления белого цемента. Он широко применяется в производстве декоративных штукатурок для наружных и внутренних работ, шпатлевок для финишного выравнивания стен и потолков помещений с повышенной влажностью, плиточных клеев для укладки полупрозрачной плитки, белого мрамора, мозаики, а также затирок для швов и наливных полов.

Сухие смеси на основе белого цемента очень технологичны, легко наносятся и выравниваются, создавая при этом тонкие текстуры. Пластичность, связность и однородность смесей на основе белого цемента, позволяет выполнять отделочные работы любой сложности как внутри, так и снаружи помещений. А высокая прочность и стойкость затвердевшего раствора к попеременному замораживанию и оттаиванию гарантирует его долговечность даже в условиях интенсивных атмосферных воздействий.

Для производства белого цемента используют наиболее чистые разновидности карбонатного и глинистого сырья с минимальным количеством окрашивающих примесей. Известняк (СаСО3) должен содержать не более 0,15% оксида железа (Fe2O3) и до 0,03% оксида марганца (MnO). Глинистым компонентом служит белая глина (каолин). Для повышения силикатного модуля применяют белый кварцевый песок. Содержание Fe2O3 в глинистом и кремнеземистом компонентах суммарно не должно превышать 1%, а оксида титана (TiO2) – 0,8%.

На заводе LafargeHolcim в Коломне производство белого цемента осуществляется по мокрому способу, который предусматривает обжиг сырьевого шлама с влажностью около 40%. Сырьевые компоненты – известняк, каолин и кварцевый песок тонко измельчают в сырьевой мельнице с добавлением воды, на выходе из которой получают сырьевой шлам. В процессе приготовления сырьевого шлама необходимо полностью исключить его загрязнение присадками металлического железа, которые могут увеличить содержание Fe2О3 в шламе и отрицательно повлиять на коэффициент отражения света (белизну) цемента. По этой причине для внутренней оснастки сырьевых мельниц используют бронефутеровку и мелющие тела, изготовленные из износостойкой высоколегированной стали.

Сырьевой шлам заданного химического состава подают на обжиг во вращающуюся печь диаметром 3,6 м и длинной 127 м, на выходе из которой получают белый клинкер. В качестве топлива для обжига белого клинкера используют природный газ, который, в отличие от угля или жидкого топлива, не содержит загрязняющих примесей. Образование клинкерных минералов в тугоплавкой сырьевой смеси, содержащей минимальное количество Fe2О3, происходит при температуре около 1700°С, тогда как для обычного серого клинкера она составляет 1450°С. Поэтому для снижения температуры обжига белого клинкера в сырьевую смесь вводят минерализаторы – плавиковый шпат или кремнефтористый натрий. Это позволяет снизить расход газа на обжиг белого клинкера.

С целью повышения белизны клинкер обжигают в бескислородной газовой среде для восстановления Fe2O3, что понижает красящую способность соединений железа и способствует повышению коэффициента отражения света (белизны) клинкера. На выходе из вращающейся печи клинкер резко охлаждают водой до 300°С. За счет этого образуется мелкокристаллическая структура клинкерных минералов, обладающих более высоким коэффициентом отражения света и большей гидравлической активностью, т.е. способностью взаимодействовать с водой и набирать высокую прочность при твердении.

Измельчение белого клинкера осуществляют в шаровой мельнице с добавкой белого гипса, который служит регулятором сроков схватывания цементного теста. Цементная мельница работает в замкнутом цикле с сепаратором, который отделяет тонкомолотые частицы цемента, а грубую фракцию возвращает в обратно в мельницу на домол. Для уменьшения агрегации (слипания) частиц белого цемента и достижения высокой тонкости помола в мельницу вводят интенсификатор помола – поверхностно-активное вещество на основе триэтаноламина в количестве до 0,05%. Удельная поверхность белого цемента находится в пределах 4500-5000 см2/г, что значительно превышает тонкость помола рядового серого цемента, которая составляет около 3500 см2/г. Применение мельницы с сепаратором позволяет производить белый цемент с полидисперсным гранулометрическим составом, что обеспечивает наиболее полное протекание процессов гидратации цемента и быструю кинетику набора прочности цементного камня.

Контроль показателей качества при производстве белого цемента осуществляется на всех технологических переделах – от разработки карьера и контроля химического состава сырьевых компонентов до замола цемента в силос и его отгрузки конечному потребителю. Каждая произведенная партия белого цемента проходит обязательные приемо-сдаточные испытания в заводской лаборатории с выдачей документа о качестве. При этом соответствие показателей белого цемента требованиям ГОСТ 965-89 к цементу марки ПЦБ 1-500-Д0 ежегодно подтверждается в независимой аккредитованной лаборатории с выдачей обязательного сертификата соответствия.

Гидратация цемента

Гидратация цемента — химическая реакция цемента с водой с образованием кристаллогидратов. [2] В процессе гидратации жидкий или пластичный цементный клей превращается в цементный камень. Первая стадия этого процесса называется загустеванием, или схватыванием, вторая — упрочнением, или твердением. [3]

Содержание

• 1 Химические реакции
• 2 Изменения физических свойств
• 3 Примечания
• 4 Литература
• 5 Ссылки

Химические реакции [ править | править код ]

Безводные минералы клинкера при реакции с водой превращаются в гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферраты кальция. Все реакции являются экзотермическими, то есть протекают с выделением теплоты. На скорость гидратации влияют: степень помола цемента и его минеральный состав, количество воды, которой замешивается цемент, температура, введение добавок. [5] Степень гидратации зависит от водоцементного соотношения, и достигает своего максимального значения только через 1—5 лет. [6] [

1] Степень гидратации определяется различными способами: по количеству Ca(OH)₂, по тепловыделению, по удельному весу цементного теста, по количеству химически связанной воды, по количеству негидратированного цемента, [

2] либо косвенно по показателям прочности цементного камня. [7] Продукты гидратации различаются по прочности. Основными носителями прочности являются гидросиликаты кальция. [6] В процессе гидратации клинкеров C₃S и C₂S помимо гидросиликатов кальция образуется гашёная известь Ca(OH)₂, сохраняющаяся в цементном камне и препятствующая коррозии стали внутри цементного камня. [8]

Уравнения реакций для четырёх основных клинкерных минералов выглядят следующим образом [9] :

Для трёхкальциевого силиката 3 CaO ⋅ SiO 2 >>> (сокращённо C 3 S >>> ):

<3CaO.2SiO2.3H2O>+ <3Ca(OH)2>+ 502>>>»> 2 ( 3 CaO ⋅ SiO 2 ) + 6 H 2 O ⟶ 3 CaO ⋅ 2 SiO 2 ⋅ 3 H 2 O + 3 Ca ( OH ) 2 + 502 + 6H2O -> <3CaO.2SiO2.3H2O>+ <3Ca(OH)2>+ 502>>> <3CaO.2SiO2.3H2O>+ <3Ca(OH)2>+ 502>>>»/> Дж/г

Для двукальциевого силиката 2 CaO ⋅ SiO 2 >>> (сокращённо C 2 S >>> ):

<3CaO.2SiO2.3H2O>+ + 260>>>»> 2 ( 2 CaO ⋅ SiO 2 ) + 4 H 2 O ⟶ 3 CaO ⋅ 2 SiO 2 ⋅ 3 H 2 O + Ca ( OH ) 2 + 260 + 4H2O -> <3CaO.2SiO2.3H2O>+ + 260>>> <3CaO.2SiO2.3H2O>+ + 260>>>»/> Дж/г

Для трехкальциевого алюмината 3 CaO ⋅ Al 2 O 3 >>> (сокращённо C 3 A >>> ):

<3CaO.Al2O3.6H2O>+ 867>>>»> 3 CaO ⋅ Al 2 O 3 + 6 H 2 O ⟶ 3 CaO ⋅ Al 2 O 3 ⋅ 6 H 2 O + 867 + 6H2O -> <3CaO.Al2O3.6H2O>+ 867>>> <3CaO.Al2O3.6H2O>+ 867>>>»/> Дж/г

Для четырёхкальциевого алюмоферрита 4 CaO ⋅ Al 2 O 3 ⋅ Fe 2 O 3 >>> (сокращённо C 4 AF >>> ):

<3CaO.Al2O3.6H2O>+ <3CaO.Fe2O3.6H2O>+ 419>>>»> 4 CaO ⋅ Al 2 O 3 ⋅ Fe 2 O 3 + 2 Ca ( OH ) 2 + 10 H 2 O ⟶ 3 CaO ⋅ Al 2 O 3 ⋅ 6 H 2 O + 3 CaO ⋅ Fe 2 O 3 ⋅ 6 H 2 O + 419 + <2Ca(OH)2>+ 10H2O -> <3CaO.Al2O3.6H2O>+ <3CaO.Fe2O3.6H2O>+ 419>>> <3CaO.Al2O3.6H2O>+ <3CaO.Fe2O3.6H2O>+ 419>>>»/> Дж/г

Изменения физических свойств [ править | править код ]

При смешивании цемента и воды цементные частицы окружаются водой, которая составляет 50—70 объёмных процентов смеси. В результате химической реакции гидратации начинается образование иглообразных кристаллов. Спустя 6 часов образуется достаточное количество кристаллов и между цементными частицами формируются пространственные связи. Так происходит загустевание (схватывание) цементной смеси. [3] Процесс схватывания, вероятно, обеспечивается избирательной гидратацией клинкерных минералов C₃A и C₃S, а также развитием оболочек вокруг цементных зёрен и взаимной коагуляцией составных частей цементного теста. [11] Через 8—10 часов объём цементной смеси заполняет скелет иглообразных кристаллов, образованный преимущественно продуктами гидратации алюминатов C₃A, поэтому такая структура называется алюминатной. С этого момента начинается застывание и набор прочности, которые связаны с формированием силикатной структуры, образующейся в процессе гидратации клинкерных минералов C₃S и C₂S. Результатом реакции силикатов и воды становятся очень малые кристаллы, объединяющиеся в гомогенную тонкопористую структуру, которая и определяет итоговую прочность цементного камня. Примерно через сутки силикатная структура начинает вытеснять алюминатную, а спустя 28 суток — полностью вытесняет её. [5] На практике формирование рыхлой алюминатной структуры из гидросиликата кальция в процессе схватывания отрицательно влияет на прочностные характеристики цементного камня. Поэтому в цементный клинкер вводится гипс, количество которого ограничивается допустимой концентрацией ангидрида серной кислоты SO₃ в цементе по весу. [

3] Гипсовая добавка замедляет образование гидроалюмината кальция и каркас гидратированного цементного теста формируется за счёт гидросиликата кальция. [11]

Гидратация цемента в период схватывания характеризуется выделением теплоты: в начале схватывания происходит быстрый подъём температуры, а в конце схватывания наблюдается температурный максимум. Скорость схватывания находится в зависимости от температуры окружающей среды. При низких температурах схватывание замедляется. При повышении температуры скорость схватывания увеличивается, однако при значениях температуры выше 30 °C может наблюдаться обратный эффект. [11]

Для полной гидратации цементного зерна необходимо количество воды, составляющее 40 % от его массы. При этом из указанного количества воды 60 % (или 25 % от массы цемента) будут химически связаны с цементом, а 40 % (или 15 % от массы цемента) останутся в порах геля. [12] Средняя величина удельного веса продуктов гидратации в насыщенном водой состоянии составляет 2,16. [13] Та часть воды (25 % от массы цемента), которая вступает в химическую реакцию с цементом, претерпевает объёмную контракцию (сжатие) в процессе реакции, составляющую примерно 25 % от её объёма. В итоге образующийся цементный камень частично уменьшается в объёме. Этот процесс называется усадкой, а величина уменьшения объёма — объёмом усадки. [12]

При полной гидратации цементного клея объём пор будет составлять примерно 28 [15] —30 [12] % от объёма образующейся структуры геля. При этом величина пористости геля в основном не зависит от водоцементного отношения смеси и степени гидратации, а является характерным показателем для марки цемента. [16] Размер гелевых пор составляет примерно 1,5—2 [15] (1—3 [17] ) нм в диаметре. [

4] Часть общего объёма цементного теста, которая не заполнена продуктами гидратации, образует взаимосвязанную систему капиллярных пор, беспорядочно распределённых по всему цементному камню. Капиллярная пористость цементного камня находится в прямой зависимости от водоцементного отношения смеси и в обратной зависимости от степени гидратации. Чем больше величина водоцементного отношения, тем больше капиллярных пор. В то же время по мере роста степени гидратации цемента будет уменьшаться объём капиллярных пор. Размер капиллярных пор составляет примерно 1,27 мкм. [19]

Структурно продукты гидратаци представляет собой гель, а сам процесс гидратации классифицируется как гелеобразование. [5] В процессе гидратации значительно увеличивается площадь поверхности твёрдой фазы цементного геля, что влечёт за собой повышение адсорбции свободной воды. При этом сохраняется расход воды в реакциях гидратации. Следствием этих двух процессов становится самовысушивание — явление уменьшения относительной влажности в цементном тесте. Самовысушивание снижает степень гидратации, поэтому для нормального протекания процессов твердения цементного теста необходимо поддерживать уровень влажности, как одно из условий нормального набора прочности. Процесс самовысушивания также компенсируется избытком воды при затворении цементной смеси (при значениях водоцементного отношения 0,5 и более). [20]

Время схватывания сульфатостойкого цемента

Технологическая схема производства сульфатостойких портландцементов не отличается от технологии получения портландцемента, однако при их выпуске осуществляется особо строгий производственный контроль. При подборе химико-минералогического состава сульфатостойкого портландцемента учитывали результаты исследований коррозиеустойчивости цементов различного состава при твердении в агрессивных средах.
Для повышения стойкости цемента при действии сульфатных растворов большое значение имеет минералогический состав исходного клинкера. Исследования показали, что сульфатостойкость портландцемента достигается при пониженном содержании С3А и умеренном количестве C3S. Исследовалась коррозиеустойчивость синтетических клинкерных минералов в растворах сульфатов натрия, кальция и магния; показателем явилось время, необходимое для получения опасного расширения до 0,5% особо тощих цементных растворов состава.
Установлено также, что положительное влияние на сульфатостойкость оказывает добавка 10% трепела. Можно видеть, однако, что одно лишь понижение содержания С3А в исходном клинкере не обеспечивает сульфатостойкость портландцемента. Это объясняется тем, что при низком содержании С3А в цементе возможна не только гидросульфоалюминатная, но и гипсовая коррозия, поскольку гидратация C3S приводит к образованию значительного количества гидроксида кальция, создающего благоприятные условия для кристаллизации гипса. Так, например, цемент, содержащий 41% C3S и 5% С3А (без добавки трепела) обнаруживает при твердении в растворе сульфата натрия с концентрацией до 4000 мг/л большую коррозиеустойчивость, чем цемент с 3% С3А и 52% C3S, а также с 4% С3А и 48% C3S. Поэтому для снижения химической агрессии важно также по возможности уменьшать содержание C3S.
Известное значение имеет количество C4AF. Если его много, то цемент оказывается чувствительным к действию сульфатов, но он, несомненно, более устойчив, чем кристаллический С3А. При нормировании состава сульфатостойкого портландцемента необходимо также учитывать и то, что он должен обладать повышенной морозостойкостью и пониженной экзотермией. При оценке сопротивляемости цементов попеременному действию замораживания и оттаивания при наличии сульфатной агрессии следует учитывать, что при испытаниях оттаивание образцов в агрессивной среде резко снижает показатели моростойкости. Так, например, наши исследования показали, что образец портландцементпого раствора 1:3 при оттаивании в пресной воде выдерживает более 200 циклов, а при оттаивании в морской — только 30 циклов.
В теплом климате, где морозостойкость не играет заметной роли, в зонах бетона, находящихся в переменном уровне воды, происходит попеременное насыщение агрессивной водой бетона и последующее его высушивание. При этом проявляется также совокупное действие физических и химических факторов агрессии. Основная причина разрушения в данном случае кроется в действии преимущественно физических факторов, которые вызывают оседание солей агрессивной среды в порах цементного камня и их кристаллизацию, сопровождающуюся значительными объемными деформациями.
Повышение сульфатостойкости цементов, которое наблюдается при замене С3А на C4AF, увеличении количества стекловидного С3А за счет кристаллического С3А, введении активных минеральных добавок и пропаривании объясняется образованием гидрогранатов, устойчивых к действию сульфатов. Установлено, что с повышением температуры возможны более сильные разрушения.
Пропаривание несколько улучшает, а запаривание в автоклаве значительно повышает сульфатостойкость. Проводились исследования, в которых устанавливалось время, необходимое для того, чтобы наступало расширение при твердении в сульфатных растворах цементных образцов состава 1:10, предварительно твердевших в течение 24 ч в воде, а также при обработке насыщенным паром при атмосферном и повышенном давлении.
Эти данные свидетельствуют о благоприятном влиянии тепловлажностной обработки на сульфатостойкость, так как при автоклавной обработке гидроксид кальиия цемента реагирует с кремнеземом, содержащимся в заполнителях бетона; при карбонатном заполнителе тепло-влажностная обработка не повышает сульфатостойкость. Автоклавная обработка способствует также кристаллизации более стойких гидросиликатов кальция повышенной основности, а также образованию в результате гидратации клинкерного стекла гидрогранатов, отличающихся высокой сульфатостойкостью. При этом следует учитывать, однако, что тепловлажностная обработка обычно не способствует повышению морозостойкости цементного камня.
Относительно низкую сульфатостойкость можно повысить введением золы-уноса. Сульфатостойкие цементы обладают по сравнению с обычным повышенной сульфатостойкостью и пониженной экзотермией при замедленной интенсивности твердения в начальные сроки.
Цементная промышленность выпускает сульфатостойкие цементы, которые по вещественному составу подразделяются на сульфатостойкий портландцемент, сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками, сульфатостойкий шлакопортландцемент. Чтобы определить пригодность активных минеральных добавок для получения сульфатостойких портландцементов, измеряют расширение образцов цемента с исследуемой добавкой, твердевшего в агрессивных средах.
По механической прочности цементы подразделяются на марки: 300, 400 и 500. Наибольшим пределом прочности при изгибе — 6,0 МПа — обладает сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками марки 500. Сульфатостойкий шлакопортландцемент характеризуется более высоким коэффициентом коррозионной стойкости.
Сульфатостойкие портландцемента характеризуются более низким выделением тепла при гидратации и применяются, главным образом, в массивных элементах гидротехнических сооружений, где требуется пониженная экзотермия. В некоторых странах выпускаются специальные низкотермичные цементы; у нас сульфатостойкие портландцемента являются и низкотермичными, поскольку содержание в них наиболее «термичных» клинкерных фаз — С3А и алита ограничивают за счет соответствующего увеличения количества белита и алюоферрита кальция.
Объем производства этих видов цемента ограничен в связи с тем, что на большинстве цементных заводов нет глинистого компонента с низким содержанием глинозема, при котором в процессе обжига на беззольном топливе можно получать клинкер, содержащий менее 5% 3СаО-Аl2O3. Сложность задачи получения сульфатостойкого клинкера состоит еще в том, что в нем ограничивается и содержание C4AF, так что количество оксида железа в клинкере должно быть также умеренным.
Удельная поверхность цемента должна быть обычной (2500—3000 см2/г). Следует обеспечить получение цементного камня, отличающегося пониженной усадкой, а также высокой плотностью и водонепроницаемостью и соответственно повышенной морозостойкостью и сульфатостойкостью. Заметное влияние на повышение морозостойкости сульфатостойких портландцементов при испытании в бетоне оказывают длительность предварительного твердения до начала испытаний, значение В/Ц и удельный расход цемента. А. М. Подвальный, развивая представления о морозном разрушении бетона, показал, что увеличение объема цементного камня в бетоне приводит к повышению его морозостойкости.
В особо суровых условиях попеременного замораживания и оттаивания в морской воде при большой частоте циклов для достижения высокой морозостойкости в состав цемента или бетона вводят добавки. Это поверхностно-активные вещества: сульфитно-дрожжевая бражка, мылонафт, смола нейтрализованная воздухововлекающая (СНВ), 50%-ная кремнийорганическая эмульсия ГКЖ-94 и др. При испытании пропаренных образцов бетона на сульфатостойком портландцементе в суровых условиях Баренцева моря были получены весьма благоприятные результаты при введении в его состав 0,01—0,05% СНВ от массы цемента. Аналогичный эффект получен в тех же условиях агрессии при применении 0,04—0,08% добавки ГКЖ-94. Особо высокая морозостойкость достигается при комплексных добавках СДБ и ГКЖ-94, СДБ и СНВ.
Сульфатостойкий портландцемент предназначается для бетонных и железобетонных конструкций наружных зон гидротехнических и других сооружений, работающих в условиях сульфатной агрессии, при систематическом многократном попеременном замораживании и оттаивании либо увлажнении и высыхании. Для подводных частей морских и океанских сооружений технически более рационально и экономично применять сульфатостойкий шлакопортландцемент. Нормативными документами допускается применение сульфатостойкого портландцемента в бетонах различной плотности для напорных и безнапорных сооружений при различной степени фильтрации грунта и агрессивности жидкой среды, характеризуемой высокой концентрацией ионов SO4-.