5. Глиноземистый цемент

5. Глиноземистый цемент.

Глиноземистый цемент — быстротвердеющее и высокопрочное гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельчения клинкера, содержащего преимущественно низкоосновные алюминаты кальция. Однокальциевый алюминат определяет быстрое твердение и другие свойства глиноземистого цемента. В небольших количествах в нем также содержатся другие алюминаты кальция и алюмосиликат кальция — геленит . Силикаты кальция представлены небольшим количеством белита.

Для получения клинкера глиноземистого цемента сырьевую смесь, составленную из известняка и боксита , подвергают спеканию ( при температуре около 1300С или плавлению (при 1400С). Глиноземистый клинкер размалывается труднее, чем клинкер портландцемента, поэтому на помол затрачивается больше электроэнергии. Кроме того, бокситы представляют собой ценное сырье, используемое для производства алюминия. Эти и другие обстоятельства повышают стоимость глиноземистого цемента и ограничивают его выпуск.

Глиноземистый цемент обладает высокой прочностью, если он твердеет при умеренной температуре (не выше 25С), поэтому глиноземистый цемент нельзя применять для бетонирования массивных конструкций из-за разогрева бетона, а также подвергать тепловлажностной обработке.

Если же температура бетона превысит 25-30С, то наблюдается переход двухкальциевого гидроалюмината в кубический трехкальциевый гидроалюминат , который сопровождается возникновением внутренних напряжений в цементном камне и понижением прочности бетона в 2-3 раза.

Замечательным свойством глиноземистого цемента является его необычно быстрое твердение. Марки глиноземистого цемента, определяемые по результатам испытания образцов 3-суточного возраста: 400, 500 и 600. уже через 1 сут глиноземистый цемент набирает высокую прочность.

Т А Б Л И Ц А. показатели прочности глиноземистого цемента.

Марка глиноземистого цемента

Предел прочности при сжатии, кг/см (МПа), не менее

Начало схватывания глиноземистого цемента должно наступать не ранее чем через 30 мин (портландцемента не ранее чем через 45 мин), а конец — не позднее чем через 12 ч от начала затворения.

Тепловыделение глиноземистого цемента при твердении примерно в 1,5 раза больше тепловыделения портландцемента (250-370 кДж/кг).

Глиноземистый цемент применяют в специальных сооружениях, при спешных ремонтных и монтажных работах, для изготовления жаростойких бетонов и растворов. Кроме того, он входит в состав многих расширяющихся цементов.

6. Расширяющиеся и безусадочные цементы.

Портландцементный камень при твердении на воздухе высыхает и претерпевает усадку, которая нередко является причиной усадочных трещин. Чтобы плотно заделать шов между сборными элементами конструкций и получить практически непроницаемый раствор, или бетон, необходимо использовать вяжущее вещество, способное после затворения в начальный период твердения увеличивать свой объем без структурных нарушений. Расширяющиеся цементы обладают контролируемым расширением, которое, проявляясь в стесненных условиях, вызывает самоуплотнение цементного камня (и бетона). Растворы и бетоны на расширяющихся цементах проктически непроницаемы для воды и нефтепродуктов (керосина, бензина и др.), которые вследствие малого поверхностного натяжения легко просачиваются через капиллярные поры портландцементного камня.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент (разработан В.В.Михайловым) является быстросхватывающимся и быстротвердеющим гидравлическим вяжущим. Его получают путем тщательного смешивания глиноземистого цемента (

20 %) и молотого специально изготовленного высокоосновного гидроалюмината кальция (

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент (разработан И.В.Кравченко) — быстротвердеющее гидравлическое вяжущее, получаемое совместным тонким измельчением высокоглиноземистых клинкера или шлака и природного двуводного гипса (до 30 %) или тщательным смешиванием тех же материалов, измельченных раздельно. Гипсоглиноземистый цемент обладает свойством расширения при твердении в воде; при твердении на воздухе он проявляет безусадочные свойства. Применяется для омоноличивания стыков сборных конструкций, гидроизоляционных штукатурок, плотных бетонов в железобетонном судостроении и при возведении емкостей для хранения нефтепродуктов.

Расширяющийся портландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным тонким измельчением следующих компонентов (% по массе): портландцементного клинкера 58-63; глиноземистого шлака или клинкера 5-7; гипса 7-10; доменного гранулированного шлака или другой активной минеральной добавки 23-28. расширяющийся портландцемент отличается быстрым твердением в условиях кратковременного пропаривания, высокой плотностью и водонепроницаемостью цементного камня, а также способностью расширяться в водных условиях и на воздухе при постоянном увлажнении в течении первых 3 сут.

Напрягающий цемент (разработан В.В.Ммихайловым), состоит из 65-75% портландцемента, 13-20% глиноземистого цемента и 6-10% гипса; его удельная поверхность не менее 3500 см/г. В процессе расширения в определенных условиях твердения этот цемент создает в арматуре, независимо от ее расположения в железобетонной конструкции, предварительное напряжение. Следовательно, химическая энергия вяжущего вещества используется для получения предварительно напряженных конструкций без применения механических или термических способов, требующих специального оборудования.

В зависимости от достигаемой энергии самонапряжения, определяемой по специальной методике и выражаемой в МПа, выделяют: НЦ=2, НЦ=4 и НЦ=6. начала схватывания НЦ должно наступать не ранее чем через 30 мин и конец — не позднее чем через 4 ч после затворения. Напрягающий цемент быстро твердеет, прочность НЦ при сжатии через 1 сут должна быть не менее 15 МПа, через 28 сут твердения — 50 МПа.

Самонапряженные железобетонные конструкции на НЦ отличаются повышенной трещиностойкостью, поэтому НЦ применяют для газонепроницаемых конструкций, хранилищ бензина, подводных и подземных напорных сооружений, спортивных объектов.

Виды цементов и их применение

Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество — продукт тонкого измельчения цементного клинкера, который получают путем обжига до спекания природного сырья или искусственной сырьевой смеси определенного состава, обеспечивающей в цементе преобладание силикатов кальция. Для регулирования сроков схватывания этого цемента при помоле клинкера добавляют до 5% гипса. Для получения специальных свойств портландцемента и снижения его стоимости при измельчении клинкера вводят до 15% активной минеральной добавки. Особые виды портландцемента применяют только тогда, когда их свойства могут быть использованы с максимальным эффектом.

Пластифицированный портландцемент

Пластифицированный портландцемент изготовляют путем совместного тонкого измельчения портландцементного клинкера и пластифицирующей добавки. В качестве такой добавки применяют концентраты сульфитно-спиртовой барды в количестве 0,15…0,25% от веса цемента. Коллоидные адсорбционные пленки гидрофильного характера, образующиеся на поверхности частиц цемента, способствуют более полному смачиванию их водой, уменьшают трение между зернами и повышают пластичность бетонной смеси. Применяя пластифицированный портландцемент, можно уменьшать водоцементное отношение, что повышает прочность бетона, или можно снизить расход цемента на 8…10%.

Гидрофобный портландцемент

Гидрофобный портландцемент представляет собой продукт тонкого измельчения портландцементного клинкера совместно с гипсом и гидрофобизирующей добавкой. В качестве гидрофобизирующих добавок применяют асидолы, асидол-мылонафт, мылонафт, олеиновую кислоту или окисленный петролатум. Добавки вводят в зависимости от их вида в количестве 0,06…0,30% от веса цемента в пересчете на сухое вещество. При введении гидрофобизирующей добавки на поверхности зерен цемента образуются тончайшие гидрофобные пленки, которые понижают гигроскопичность цемента. Гидрофобный цемент не боится увлажнения; он не слеживается, не превращается в комья и в течение длительного времени почти не теряет активности. Гидрофобные добавки являются также пластификаторами, т. е. способствуют повышению пластичности цементного теста. При перемешивании растворных и бетонных смесей гидрофобные пленки снимаются с частиц цемента при механическом воздействии на них заполнителей и не оказывают отрицательного влияния на прочность растворов и бетона. Бетоны на пластифицированном и гидрофобном цементах отличаются меньшей водопроницаемостью и повышенной морозостойкостью. Эти цементы применяют наряду с обычным портландцементом. Они имеют марки 300, 400, 500 и 600.

Быстротвердеющий портландцемент

Быстротвердеющий портландцемент отличается от обычного быстрым нарастанием прочности. При такой же активности, что и у портландцемента, он уже через 24 ч твердения имеет предел прочности при сжатии 20 МПа, а и возрасте 3 дней не менее 25 МПа. При одинаковой технологии получения (тонкий помол сырьевой смеси, сильный и равномерный обжиг, достаточно быстрое охлаждение клинкера) для быстрого нарастания прочности портландцемента предусматривают следующие дополнительные мероприятия:

• соответствующий подбор химического состава сырьевой смеси с целью получения в цементном клинкере 50…60% трехкальциевого силиката и 8…10% трех кальциевого алюмината;
• увеличивают добавку гипса при помоле цементного клинкера;
• более тонко ведут помол клинкера.

Быстротвердеющий портландцемент применяют наряду с обыкновенным портландцементом для изготовления бетонных и железобетонных конструкций, не подвергающихся действию агрессивных вод. Особенно широко применяют его для производства сборных железобетонных изделий, изготовляемых без тепловлажностной обработки.

Сульфатостойкий портландцемент

Сульфатостойкий портландцемент получают путем тонкого измельчения портландцементного клинкера, содержащего не более 5% трехкальциевого алюмината. При помоле клинкера не нужно вводить в него активных или инертных минеральных добавок. В связи с тем, что в этом цементе имеется небольшое количество трехкальциевого алюмината, он отличается повышенной стойкостью к действию сульфатных вод, но замедленной интенсивностью твердения в начальные сроки. Сульфатостойкий портландцемент выпускают двух марок — 300 и 400. Широко применяют сульфатостойкий портландцемент в гидротехническом строительстве, а также для производства бетонных и железобетонных конструкций, подвергающихся воздействию сульфатных вод при систематическом увлажнении и высыхании или замораживании и оттаивании, что позволяет повысить их коррозионную стойкость

Белый портландцемент

Белый портландцемент изготовляют путем тонкого помола белого клинкера, получаемого обжигом чистых известняков и белых глин, с малым содержанием красящих окислов и, прежде всего, окиси железа. Обжигают сырье на беззолыюм топливе — жидком или газообразном. Белый портландцемент вырабатывают трех марок 300, 400 и 500. По степени белизны его подразделяют на 3 сорта, белизну которых определяют по коэффициенту яркости по отношению к белизне сернокислого бария в %, не менее: высший сорт — 80; первый сорт — 76 и второго сорта — 72.

Цветные портландцементы

Цветные портландцементы получают совместным помолом белого клинкера с минеральными свето- и щелочестойкими пигментами (охра, железный сурик и др.). Цветные портландцементы должны содержать не менее 80% клинкера, не более 6% белого доломита и не более 15% минерального природного или синтетического пигмента. Органические пигменты вводят в количестве не более 0,3% от массы цемента. Марки этого цемента и его прочностные характеристики аналогичны маркам белого цемента. Применяют белый и цветные портландцементы для внутренней и наружной отделки зданий и помещений и для изготовления скульптурных изделий. Транспортируют эти материалы в таре; при хранении их нужно надежно защищать от загрязнения. Они широко применяются при изготовлении тротуарной плитки

Портландцемент с минеральными добавками

Портландцемент с минеральными добавками получают измельчением клинкера, минеральных добавок и гипса. Предельно допустимое содержание минеральных добавок в цементе не должно превышать 20%. При этом практически сохраняются все свойства портландцемента, кроме морозостойкости (она несколько ниже), а некоторые свойства улучшаются (больше водостойкость, меньше тепловыделение, более высокая сопротивляемость коррозии первого вида). При его получении экономится портландцементный клинкер, что способствует снижению себестоимости цемента. Марки такого цемента те же, что и у портландцемента: 400, 500, 550 и 600. Такой цемент успешно применяют в строительстве вместо портландцемента, за исключением случаев, когда требуется высокая морозостойкость.

Пуццолановый портландцемент

Пуццолановый портландцемент изготовляют путем совместного тонкого помола клинкера, содержащего не более 8 % трехкальциевого алюмината, необходимого количества гипса и активной минеральной добавки 20. 40 %, или тщательным смешиванием тех же материалов, измельченных раздельно. Содержание активных минеральных добавок устанавливают с учетом активности минеральной добавки и минерального состава клинкера.

Шлакопортландцемент

Шлакопортландцемент изготовляют так же, как и пуццолановый портландцемент, но в качестве активной минеральной добавки используют доменные гранулированные шлаки, содержание которых должно быть не менее 21 % и не более 80 % от массы цемента. Шлакопортландцемент выпускают трех марок: 300, 400 500. Он имеет две разновидности: быстротвердеющий шлакопортландцемент и сульфатостойкий шлакопортландцемент.

Глиноземистый цемент

Глиноземистый цемент — гидравлическое вяжущее вещество, обеспечивающее получение цементного камня высокой прочности в очень короткие сроки (1. 3сут). Этот цемент иногда называют алюминатным, так как в его составе преобладают низкоосновные алюминаты кальция (80. 85%). Глиноземистый цемент должен иметь тонкость помола, характеризуемую остатком на сите № 008 не более 10 %. Марки глиноземистого цемента через 3 сут 400, 500, 600. Сроки схватывания глиноземистого цемента: начало — не ранее 30 мин конец — не позднее 12 ч.

Расширяющиеся и безусадочные цементы.

Расширяющиеся и безусадочные цементы. Твердение всех гидравлических вяжущих веществ в воздушной среде сопровождается уменьшением объема цементного камня (усадкой). Усадочные деформации могут привести к образованию трещин в бетонах, что нарушает монолитность конструкций и снижает их долговечность. Для расширяющихся и безусадочных цементов характерно равномерное приращение объема цементного камня в начальный период твердения, что компенсирует усадочные явления. Линейное расширение у расширяющихся цементов обычно составляет 0,3. 1%, у безусадочных 0,01. 0,1 %. Многочисленные виды расширяющихся цементов представляют собой смешанные цементы, состоящие из основного вяжущего вещества (глиноземистый или портландцемент) и компонентов, обеспечивающих увеличение объема цементного камня в начальный период твердения (в большинстве случаев гипс, высокоосновные гидроалюминаты кальция, глиноземистые шлаки). Наибольшее нашли следующие расширяющиеся цементы: на основе глиноземистого цемента — водонепроницаемый расширяющийся цемент, водонепроницаемый безусадочный цемент, гипсоглиноземистый цемент; на основе портландцемента — расширяющийся портландцемент, а на основе портландцемента и глиноземистого цемента — напрягающий цемент. Напрягающий цемент быстро схватывается (через 2. 7 мин) и быстро твердеет, приобретая через сутки нормального твердения прочность до 20 МПа. Характерной особенностью этого цемента являются не только значительная величина, но и большая энергия расширения, обеспечивающие самонапряжение камня до 3. 4 МПа. Это свойство позволяет использовать его для изготовления самонапряженных железобетонных конструкций, в которых натяжение арматуры возникает при расширении твердеющего цемента. При этом арматура может получить двух- и трехосное напряжение, чего трудно добиться обычными приемами натяжения арматуры.

Свойства цементов

Стойкость пуццоланового и шлакопортландцементов при воздействии пресных, особенно мягких, и сульфатных вод выше, чем портландцементов. В кислых и углекислых водах эти цементы, как и портландцементы, недостаточно стойки.

Водопотребность пуццолановых портландцементов выше, чем у портландцементов, так как на смачивание развитой поверхности минеральных добавок требуется значительный объем воды (нормальная густота пуццоланового портландцемента 28. 35%, а обычного портландцемента 22. 26 %). Вследствие повышенной водопотребности и, следовательно, пористости цементного камня бетоны на пуццолановом портландцементе менее морозостойки, чем на портландцементе.

Водопотребность шлакопортландцемента существенно не отличается от водопотребности обычных портландцементов, но химически связывается воды меньше, чем при гидратации портландцемента. Это приводит к снижению плотности бетона на шлакопортландцементе и, как правило, морозостойкости по сравнению с бетоном на портландцементе.

Бетоны на пуццолановых цементах характеризуются значительными деформациями усадки и набухания, что связано с повышенным содержанием в цементном камне гелевидных новообразований и развитой сетью мельчайших капилляров. При твердении в воздушно-сухих условиях бетон на пуццолановом портландцементе теряет прочность, что объясняется большой усадкой и «выветриванием» воды из гидратных соединений, т. е. он обладает пониженной воздухостойкостью.

Усадка и набухание шлакопортландцемента приблизительно такие же, как и у портландцемента. Воздухостойкость шлакопортландцемента выше, чем пуццоланового портландцемента, но уступает портландцементу.

Жаростойкость бетонов на шлакопортландцементе значительно выше, чем на портландцементе. Это объясняется пониженным содержанием в них свободного гидроксида кальция и наличием шлаков.

Пуццолановый портландцемент и шлакопортландцемент применяют для массивных бетонных и железобетонных конструкций подводных и подземных частей сооружений (плотин, шлюзов туннелей, канализационных и водопроводных сетей, фундаментов и т. п.). Широко используют эти цементы в производстве сборных изделий с тепловлажностной обработкой. Не эффективны эти цементы в наземных конструкциях в районах с сухим климатом или в цехах с пониженной влажностью воздуха, а также в частях сооружений, подвергающихся систематическому попеременному замораживанию и оттаиванию, увлажнению и высушиванию.

Бетоны на глиноземистом цементе морозостойки и более стойки по сравнению с портландцементом против выщелачивания, а также к растворам сульфата кальция и магния, морской и болотной воде, растворам сахара, животным и растительным маслам. Однако глиноземистый цемент быстро разрушается даже слабыми растворами солей аммония и щелочей. Его нельзя применять в щелочных средах и смешивать с известью или портландцементом. Учитывая дефицитность сырья (бокситов) и значительную стоимость глиноземистого цемента, его выпускают в сравнительно небольших количествах (менее 1 % от общего выпуска цемента), а применяют при возведении бетонных конструкций, которые необходимо быстро ввести в эксплуатацию, для срочных аварийных и ремонтных работ, а также для тампонирования нефтяных и газовых скважин, футеровки шахтных колодцев и туннелей и т. п. На основе глиноземистого цемента в смеси с жаростойкими заполнителями изготовляют бетоны, которые хорошо сопротивляются действию высоких температур (1000°С и выше). Глиноземистый цемент используют также для получения расширяющихся цементов.

Напрягающий цемент рекомендуется применять для изготовления напорных труб и других тонкостенных железобетонных изделий и конструкций с напряженной арматурой.

Глиноземистый цемент. Виды и применение. Получение и особенности

Глиноземистый цемент (ГЦ) – вяжущий строительный материал, отличающийся высокой скоростью отвердевания, применяемый при изготовлении строительных смесей. Является продуктом помола обожженной массы с высоким содержанием глинозема и окиси кальция. Затвердевание материала происходит в воде и на воздухе. В отличие от обычного цемента, он набирает марочную прочность не за 28 суток, а за 3 дня.

Получения глиноземистого цемента

В качестве сырья для изготовления глиноземистого цемента используются боксит, известняк, а также порода с высокой концентрацией оксида алюминия. По этой причине материал также называют алюминиевым цементом. Это дорогостоящие компоненты, поэтому материал отличается высокой стоимостью.

Производство ГЦ осуществляется плавлением или спеканием сырья. Выбор в пользу той или иной технологии зависит от состава исходного материала. При производстве методом плавления используются бокситы с добавлением известняка и кокса. Масса расплавляется в результате обдува горячим воздухом. Затем она охлаждается и поддается дроблению в порошок. Готовый продукт расфасовывается в бумажные мешки.

Изготовление методом спекания сопровождается меньшими температурами. Для нагрева используются обычные печи. Масса разогревается, после чего медленно остывает, в результате чего кристаллизируется. Спеченная масса перерабатывается в гранулы прямо на выходе из печи.

Где используется глиноземистый цемент

Материал имеет очень высокую температурную устойчивость. Затвердевшие смеси с его содержанием способны выдерживать нагрев до +1700°С, но чаще всего до +1400°С. Благодаря этому материал используется при кладке совместно с шамотным кирпичом и магнезитом. Столь высокая огнестойкость делает ГЦ востребованным в промышленности. Также отличительным качеством глиноземистого цемента является очень высокая скорость отвердевания, и как следствие сжатые сроки ввода в эксплуатацию конструкций из него. Сооружения, построенные с его использованием, набирают прочность быстрее, чем из более распространенного портландцемента. У ГЦ этот период занимает 3 суток, а у портландцемента 28 суток.

Однако высокая стоимость глиноземистого цемента делает нерентабельным его использование в частном строительстве. Температурная же устойчивость материала для большинства строений является избыточной. Для промышленных объектов материал более чем незаменим.

Его применяют при строительстве и ремонте:

• Нефтяных скважин.
• Доменных печей.
• Морских подводных тоннелей и т.д.

Глиноземистый цемент может использоваться для приготовления быстрозатвердивающего бетона. Тот в свою очередь используется для выполнения аварийных работ. Материал уже через 3 дня с момента заливки набирает максимальную прочность и может эксплуатироваться в полной мере. Это исключает необходимость длительной паузы на выстойку отремонтированного объекта. Также из ГЦ делают жаростойкий бетон для эксплуатации в условиях +1200-1700°С.

Отличительные качества

Глиноземистый цемент является уникальным связующим материалом, который одновременно сочетает в себе важные для строительства технические параметры:

• Быстрое затвердевание.
• Выделение большого количества тепла при застывании.
• Широкий диапазон температурной устойчивости.
• Огнеупорность.
• Повышенная плотность.
• Стойкость к химическому воздействию.

Процесс затвердевания начинается через 30 минут с момента его заливки и продолжается до 3-х суток. Это делает данный материал одним из самых эффективных при необходимости срочного ремонта ответственных объектов, таких как мосты, автодороги.

Важным качеством ГЦ выступает его затвердевание с сопровождением выделения большого количества тепла. Как следствие материал можно укладывать в условиях понижения температуры до -10°С. Он сам себя подогревает, компенсируя холод в окружающей среде. При этом наличие мороза никак не влияет на конечную крепость застывшего бетона.

Затвердевший цемент может эксплуатироваться как в холоде, так и при сильном нагреве, вплоть до +1700°С. Он может переносить контакт с открытым пламенем. Материал отличается плотностью. В нем мало пор, что снижает уровень впитывания влаги. После отвердения он имеет малый показатель коррозии. Для него практически неопасны хлориды щелочных металлов, сернистые соединения кальция и магния.

Материал стоек ко всем видам коррозии за исключением обычной щелочной. Но в большинстве случаев конструкции из него не подвержены разрушению, что поддерживается высокой плотностью. Однако «вечность» материала проявляется только при соблюдении некоторых условий при его застывании. Так узкоспециализированные бетоны, содержащие дополнительные добавки для расширения смеси при высыхании, сильно нуждаются в увлажнении. Если этого не делать, то марочная прочность так и не набирается. Как следствие конструкция получается слабее.

Маркировка материала

Для определения технических характеристик ГЦ используется маркировка, как и на прочих подобных материалах. К примеру, ГЦ-40 обозначает, что он имеет крепость в 40 МПа. То есть, такой материал приравнивается к обычному цементу М-400. Данная марка является самой распространенной. Также бывает ГЦ-50 и ГЦ-60.

Кроме данной маркировки, также существует вторая для обозначения высокоглиноземистого цемента. Она обозначается ВГЦ I, ВГЦ II и ВГЦ III. Данный материал содержит в составе большое количество алюминия. Чем его больше, тем крепче застывшая масса. Количество алюминия указывается на упаковке.

Виды

Глиноземистый цемент бывает двух основных разновидностей:

1. Обычный.
2. Высокоглиноземистый.

Обычный может иметь различный цвет. Чаще он зеленый, черный, желтый или коричневый. Уровень его прочности зависит от концентрации железа в составе. Высокоглиноземистый существенно крепче. Это узкоспециализированный состав для более серьезных задач. Он быстрее набирает прочность, что делает его очень востребованным для приготовления ремонтного бетона. Продается в мешках массой 40-50 кг.

Нередко цемент продается в виде смеси с добавлением других компонентов, корректирующих его рабочие качества.

В зависимости от примесей ГЦ бывает:

• Расширяющий.
• Водонепроницаемый.
• Расширяющий водонепроницаемый.

Для изготовления расширяющей смеси в состав включается гипс и шлак. Как следствие он увеличивает свой объем после застывания, плотно прилегая и исключая зазоры.

Водонепроницаемый состав содержит полугидрат гипса и гашеную известь. Это делает его устойчивым к воде, к тому же минимизирует усадку. Материал данного типа в первую очередь предназначен для гидроизоляции. Им ремонтируют бетонные трубы систем канализации, кожухи водопроводных труб, отделяя их от осадков.

Расширяющий водонепроницаемый глиноземистый цемент это универсальная смесь. В первую очередь она применяется для гидроизоляции скважин, шлюзов, бассейнов. Материал является востребованным как в промышленности, так и в частном строительстве.

Стоит отметить, что присутствие в составе ГЦ добавок, меняющих его свойства, вносят существенные коррективы. Так приготовленный из них бетон набирает прочность не за 3 суток, а за значительно больший период.

Особенности работы с материалом

Используя глиноземистый цемент при строительстве или выполнении ремонтных работ важно учитывать его особенности. В противном случае материал недополучит прочность, и как следствие готовый объект не будет соответствовать марке прочности. Важно учитывать, что при затвердевании цемент выделяет большое количество тепла. Наиболее интенсивно оно рассеивается в первые сутки. За это время выделяется 70% тепла. Данное свойство позволяет пользоваться материал при морозе -10°С. Однако если окружающая температура и так выше +30°С, то работать материалом не стоит. В таких условиях бетон из ГЦ получает стойкость в 2-3 раза меньшую, от рассчитываемой.

Материал отличается очень высокой плотностью, но при этом низкой устойчивостью к щелочной среде. Это делает сложным его смешивание с гипсом, известью, обычным портландцементом. Если в составе цемента и присутствуют данные компоненты, то у вымеренной пропорции. В домашних условиях их добавление для изменения свойств ГЦ не рекомендуется. При приготовлении бетона нужно использовать только воду и наполнители, такие как песок и щебень.

При работе с материалом необходимо учитывать, что он набирает полную твердость уже через 12 часов. Полный набор марочной прочности происходит через 72 часа. Твердость и прочность это разные показатели, которые не следует путать.

Таким образом, глиноземистый цемент практически не имеет недостатков, за исключением нескольких пунктов:

• Высокая стоимость.
• Низкая устойчивость к щелочной среде.
• Потеря прочности при работе в жару.

Что касается высокой стоимости, то она в 5-6 раз выше, чем у обычного цемента. Это делает бетон из него недоступным для частного строительства. Материал слишком ценный для его расходования при строительстве фундаментов или железобетонных изделий, даже несмотря на скорость застывания и набора прочности.

Глиноземистый цемент имеет ограничение на эксплуатацию в условиях щелочной среды. Это исключает возможность его использования на многих предприятиях химической и текстильной промышленности. Конструкции из него в таком случае постепенно разрушаются от присутствующих там химикатов. Самая большая проблема в невозможности его применения в жару. Если температура будет больше +30°С, то бетон из глиноземистого цемента после застывания будет как минимум в 2 раза менее прочным. Летом он используется с большим количеством ограничений.

Глиноземистый цемент не применяют для

Согласно ГОСТ 969-91 содержание глинозема А12О3 в глиноземистом цементе (ГЦ) должно быть не менее 35 %. Наряду с глиноземистыми цементами выпускают цементы высокоглиноземистые (ВГЦ) с содержанием А12О3 60—80 %. Так в цементе ВГЦ I должно быть не менее 60 %, в цементе ВГЦ II – не менее 70 %. а в цементе ВГЦ III – не менее 80 % А12О3. Влияние отдельных оксидов на технологию получения и свойства глиноземистого цемента сводится к следующему. А12О3 обеспечивает легкоплавкость сырьевой смеси и образование алюминатов кальция, определяющих строительно-технические свойства глиноземистого цемента. СаО входит в состав всех основных минералов цемента. По содержанию СаО цементы разделяют на высокоизвестковые (СаО более 40 %) и низкоизвестковые (СаО менее 40 %). SiO2 и Fe2O3 в целом нежелательные составляющие сырьевой смеси, однако в небольших количествах (SiO2 4—5 %, Fe2O3 5—10 %) они способствуют более равномерному плавлению шихты и улучшению процесса минералообразования. MgO уменьшает температуру плавления сырьевой смеси и вязкость расплавов, однако избыток MgO (более 2 %) снижает активность клинкера. Щелочи также снижают температуру плавления сырьевой смеси, но отрицательно влияют на качество цемента. Минералогический состав глиноземистого цемента зависит от состава исходного сырья и технологии производства. Важнейший минерал глиноземистого цемента — моноалюминат кальция СаО-А12О3, который обеспечивает при нормальных сроках схватывания быстрое твердение цемента. Однокальциевый алюминат может образовываться как по реакциям в твердой фазе, так и путем кристаллизации из расплава. Условия обжига и охлаждения определяют форму и размер кристаллов СА.

В состав глиноземистого цемента входят и другие низкоосновные алюминаты: 5СаО-ЗА12О3, 12СаО-7А12О3, СаО-2А12О3. C5A3 и C12A7 взаимодействуют с водой очень активно и схватываются уже в течение нескольких минут; СА2 гидратируется менее энергично. Присутствие в сырье кремнезема и оксида железа обусловливает образование в клинкере глиноземистого цемента белита и твердых растворов алюмоферритов. Гидравлическая активность фаз, содержащих оксид железа, значительно ниже активности чистых кальциевых алюминатов. Двухкальциевый силикат — фактически инертная составляющая глиноземистого цемента, поскольку в сроки его твердения гидратации C2S не происходит.

В качестве основного сырья для изготовления глиноземистого цемента используют бокситы и известняки (или известь). Боксит представляет собой гидроксид алюминия с примесями SiO2, Fe2O3, ТiO2, СаО и MgO. По количеству связанной воды различают бокситы, приближающиеся к диаспорам (А12О3-Н2О) и к гидроаргиллитам (А12О3-ЗН2О). Плотность боксита 2800—3500 кг/м3 в зависимости от содержания железа. Пригодность бокситов для производства глиноземистого цемента оценивают по величине их кремниевого модуля, представляющего отношение содержания А12О3 к SiO2 (по массе). Этот показатель должен быть не менее 5—6.

К известняку, используемому для производства глиноземистого цемента, не предъявляется каких-либо особых требований, кроме ограничения содержания SiO2 (до 1,5 %) и MgO (до 2 %). Особенно нежелательно присутствие в сырье кремнезема, который при взаимодействии с СаО и А12О3 образует геленит C2AS. На каждый процент кремнезема получается 4,5 % геленита. Поскольку геленит в кристаллическом виде гидравлической активностью не обладает, то значительная часть глинозема связывается в инертном соединении.

Для получения глиноземистого цемента используются способ спекания и способ плавления. Выбор способа в основном зависит от химического состава бокситов.

Способом спекания получают глиноземистый цемент во вращающихся или шахтных печах. Предварительно исходные сырьевые материалы высушивают, подвергают совместному тонкому измельчению, тщательно гомогенизируют и подают на обжиг в виде порошка или гранул. Сырьевая смесь спекается в печи в клинкер, который после охлаждения измельчается в тонкий порошок.

Ведение обжига клинкера глиноземистого цемента затрудняется недостаточным интервалом между температурами спекания и плавления сырьевой смеси, что вызывает образование колец, сваров и приваров. Кроме того, при спекании все нелетучие соединения, входящие в состав сырья, переходят в цемент. Поэтому получение глиноземистого цемента способом спекания требует чистого сырья с небольшим содержанием кремнезема (до 8 %) и оксидов железа (до 10 %). Несмотря на меньший расход топлива и более легкую размалываемость получаемого этим способом клинкера, способ спекания менее распространен.

Способ плавления при производстве глиноземистого цемента получил большее распространение, что объясняется сравнительно низкими температурами плавления сырьевых смесей (1380—1600 °С), возможностью использования грубомолотой сырьевой смеси с большим количеством примесей, которые частично при обжиге удаляются. Плавление шихты осуществляют в восстановительной и окислительной атмосфере в вагранках, доменных печах, электрических дуговых печах и конверторах.

В электродуговые печи загружают известь, прокаленныё до полного удаления воды бокситы, железную руду, металлический лом и кокс. При плавке оксиды железа и кремния, присутствующие в сырье, восстанавливаются и, реагируя между собой, образуют ферросилиций. В результате при использовании боксита, содержащего 15— 17 % SiO2, в цементе количество кремнезема снижается до 6—8 %. Так как плотность ферросилиция 6,5 г/см3, а расплавленного цемента 3 г/см3, расплав ферросилиция, осаждаясь, отделяется от расплава цемента. Сливая раздельно верхний и нижний слои расплава, получают два продукта — клинкер глиноземистого цемента и ферросилиций, используемый в металлургической промышленности. Плавка идет при 1800—2000 °С, апериодический выпуск расплава из печи в изложницы — при 1550—1650 °С. Охлажденный клинкер поступает на дробление и помол. Плавка в электрических печах обеспечивает получение глиноземистого цемента высокого качества, но требует большого расхода электроэнергии.

Способ доменной плавки чугуна и высокоглиноземистого шлака за рубежом называют «русским способом производства глиноземистого цемента». Сырьевую смесь, состоящую из железистого боксита, известняка, металлического лома и кокса, послойно загружают в печь. В результате доменного процесса получают из руды расплавленный чугун, а в виде шлака — расплав глиноземистого клинкера. Температура выпускаемого из домны расплава глиноземистого шлака 1600—1700 °С, а чугуна — 1450—1500 °С. Расплавленный глиноземистый шлак разливают в изложницы, где он медленно охлаждается и кристаллизуется. Количество получаемого чугуна примерно равно количеству клинкера. Бокситы, используемые при доменной плавке, могут содержать неограниченное количество Fe2O3, так как железо восстанавливается и переходит в состав чугуна. Однако SiO2 при доменной плавке восстанавливается в небольшой степени, поэтому требуются применение малокремнеземистого боксита и строгий контроль химического состава обжигаемой шихты. Обжиг в доменной печи очень экономичен, так как плавление сырья происходит за счет того же топлива, которое необходимо для выплавки чугуна.

В процессе нагревания сырьевой шихты при 450— 1000 °С удаляется вода из бокситов, при 900 °С разлагается СаСОз, а при 1000—1100 °С происходит распад глинистых минералов. Взаимодействие между СаО и А12О3 начинается при 800—900 °С с образованием в качестве первичной фазы однокальциевого алюмината. При 1000— 1100 °С образуется СА2, а выше 1200 °С — С5А3 и С3А. Образование алюмоферритов происходит при температуре более 1200 °С.

Микроструктура и качество плавленого клинкера определяются режимом охлаждения. При медленном охлаждении кристаллы растут в благоприятных условиях и достигают больших размеров. Быстроохлажденный клинкер содержит значительное количество не успевшей закристаллизоваться стекловидной фазы. Характерная для глиноземистых цементов высокая начальная прочность проявляется только у цементов, изготовленных из равномерно закристаллизованных, т. е. медленно охлажденных клинкеров.

Плавленый глиноземистый клинкер отличается высокой твердостью, поэтому необходимо его предварительное двухстадийное дробление в мощных дробилках. Продукт дробления подвергают электромагнитной сепарации для отделения металлического железа и ферросилиция.

Помол дробленого глиноземистого клинкера производят в шаровых мельницах. Для интенсификации помола применяют углеродсодержащие вещества (угольную мелочь, сажу). Вследствие большого износа мелющих тел при помоле глиноземистого цемента необходимо чаще, чем при помоле портландцемента, производить догрузку и перегрузку мельниц. Расход электроэнергии на помол плавленых клинкеров примерно вдвое выше, чем на помол цементов, полученных способом спекания. Размол производят до остатка на сите № 008 не более 10 %.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ БЕТОННЫХ ПЛОТИН

При проектировании гидротехнических объектов для железобетонных конструкций применяются различные виды цементов. Это связано с тем, что гидротехнические сооружения эксплуатируются в разнообразных условиях (часто — очень тяжелых). Данное обстоятельство приводит к различным требованиям, предъявляемым в проектной документации к цементам, например:
– прочность;
– водонепроницаемость;
– морозостойкость;
– сульфатостойкость;
– тепловыделение;
– скорость твердения;
– истираемость.
На нижеприведённом рисунке указаны ориентировочные требования, предъявляемые к бетонной смеси на примере проекта ГЭС русловой компоновки.

2 ВИДЫ ЦЕМЕНТОВ

Рассмотрим виды цементов, наиболее часто встречающиеся при проектировании гидротехнических объектов:

Портландцемент (силикатцемент) — наиболее популярный цемент. Цементный камень бетона на портландцементе прочнее, чем на пуццолановом цементе или шлакопортландцементе, и имеет меньшую усадку. Однако портландцемент неприменим для цементации при наличии сульфатной агрессии.

Шлакопортландцемент — представляет собой гидравлическое вяжущее, получаемое измельчением смеси из портландцементного клинкера, доменного гранулированного шлака и гипса. Шлакопортландцемент применяется в конструкциях, находящихся в условиях влажной среды, для подводных конструкций, или во внутренних зонах массивных гидротехнических сооружений. При этом шлакопортландцемент нельзя использовать в зонах переменного уровня воды. Основными характерными свойствами шлакопортландцемента являются: высокая сульфатостойкость, несколько повышенная кислотостойкость, хорошая трещиностойкость (благодаря пониженным тепловыделениям), низкая щёлочестойкость, несколько пониженная морозостойкость, невысокая способность по защите арматуры, замедленное схватывание и набор прочности (особенно — при низких температурах), по коррозионной стойкости занимает промежуточное положение между обычным и пуццолановым цементом.

Пуццолановый цемент — является гидравлическим вяжущим, получаемым посредством измельчения портландцементного клинкера, гипса и активной минеральной добавки. Пуццолановый цемент обладает следующими свойствами: высокая водостойкость (особенно в мягкой воде), водонепроницаемость, сульфатостойкость (выше, чему у обычного портландцемента, но хуже, чем у сульфатостойкого портландцемента), несколько повышенная кислотостойкость, меньшее выделение тепла при твердении (что особенно полезно для массивных гидротехнических сооружений), пониженная щёлочестойкость, несколько пониженная морозостойкость, большая усадка на воздухе. Пуццолановый цемент непригоден при попеременном увлажнении (т.е. в зонах переменного уровня), а также для цементации (несмотря на хорошую стойкость против сернокислых вод). Поэтому в проектах плотин наибольшее применение этот вид цемента нашел в конструкциях, находящихся в условиях влажной среды — в подводных частях плотин, в подземных сооружениях, во внутренних зонах массивных гидротехнических сооружений, для цементации основания при наличии агрессивных вод.

Сульфатостойкий цемент — характеризуется очень высокой сульфатостойкостью, несколько пониженной щёлочестойкостью. Как и в других областях строительства, в гидротехнике сульфатостойкий цемент применяется для конструкций, работающих в условиях агрессивной среды, в том числе — в зоне переменного уровня воды. Такой цемент не используется для набрызг-бетона, что связано с большим сроком схватывания.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) — представляет собой гидравлическое вяжущее, получаемое измельчением портландцементного клинкера, глинозёмистого шлака, гипса и гранулированного доменного шлака. Важнейшим свойством ВРЦ, очень важное при проектировании, является очень быстрое схватывание: начало схватывания происходит через 5 мин, окончание — через 10 мин.

Глинозёмистый цемент — быстротвердеющее гидравлическое вяжущее, получаемое измельчением обожжённой до спекания смеси бокситов и извести. Глинозёмистый цемент применяется при срочных восстановительных работах, тампонировании нефтяных скважин, для приготовления жаростойких бетонов. Также этот цемент применяется в проектах обделок туннелей и цементации основания в условиях агрессивных вод, сооружения бетонных конструкций в зоне переменного уровня воды. Основными свойствам глиноземистого цемента являются: водостойкость (в пресных и сульфатных водах), морозостойкость, стойкость при высоких температурах, значительные сульфатостойкость и кислотостойкость, низкая щелочестойкость. Следует отметить, что глинозёмистый цемент примерно в четыре 4 раза дороже портландцемента.

Напрягающий цемент (НЦ) — по сути является смесью портландцемента, глинозёмистого цемента и гипса. Применяется напрягающий цемент для изготовления напорных труб, резервуаров.

Гидрофобный цемент — цемент, аналогичный по прочности портландцементу, но сохраняющий активность при длительном хранении — он не слёживается и не комкуется. Гидрофобный цемент придаёт бетонной смеси повышенную пластичность, удобоукладываемость, а готовому бетону — морозостойкость.

Водонепроницаемый безусадочный (ВБЦ) — специальный вид цемента, применяемый для изготовления торкретбетона.

3 РАСХОД ЦЕМЕНТА

Типичное содержание цемента в бетонной смеси, применяемое в проектах гидротехнических сооружений, составляет 250—320 кг/м 3 . Минимальное содержание — около 200—220 кг/м 3 , максимальное — 400―500 кг/м 3 . С повышением содержания цемента растет прочность бетона, однако при превышении величины 500 кг/м 3 прочность бетона начинает снижаться.

Приведем некоторые примеры количества цемента в бетонной смеси:
– подводное бетонирование методом ВПТ (метод вертикально-перемещаемой трубы): 300—350 кг/м 3 ;
– подводное бетонирование методом ВР (метод восходящего раствора): 300—370 кг/м 3 ;
– основание бетонных плотин: до 230 кг/м 2 ;
– подводная зона бетонных плотин: не менее 240 кг/м 3 ;
– зона переменного уровня воды: 300—450 кг/м3, не менее 275 кг/м 3 ;
– внутренняя зона бетонных плотин: не менее 160 кг/м 3 ;
– наружные зоны, не подвергающиеся воздействию воды: до 240 кг/м 3 ;
– наружные зоны, подвергающиеся воздействию воды: до 260 кг/м 3 ;
– рисбермы бетонных плотин: от 210 кг/м 3 ;
– донья шлюзов: 250 кг/м 3 ;
– обделка гидротехнических туннелей: 240—330 кг/м 3 ; при подаче бетона бетононасосами — от 280—300 кг/м 3 ;
– ремонтный бетон: от 300 кг/м 3 .

На современном рынке представлено множество специальных цементов от крупных мировых производителей. Гидротехническое строительство часто характеризуется большими объемами бетонных работ. Поэтому из-за высокой стоимости специальных цементов их в основном применяют в проектной документации на ремонт и реконструкцию гидротехнических сооружений. К очень популярным маркам, часто закладываемым в проектах, можно отнести следующие продукты: пластифицированный расширяющийся портландцемент Macflow (производитель BASF ), расширяющийся высокоподвижный цемент Stabilcem (производитель MAPEI ), цементы линейки Sikacrete (производитель Sika ). Все перечисленные цементы, являясь иностранными брендами, сейчас изготавливаются на заводах, действующих в России. Однако существует множество менее известных российских производителей специальных цементов, часто не уступающих по качеству иностранным брендам. Их применение позволяет несколько уменьшить сметную стоимость работ, получаемую в проектной документации.