/ Технология вяжущих / цемент. Химически связанная вода в цементе


Вода в цементном камне | Справочник

О присутствии воды в цементном камне уже неоднократно упоминалось. Цементное тесто является гигроскопическим веществом вследствие гидрофильного характера частиц цемента и наличия в нем субмикроскопических пор. Фактическое содержание воды в цементном камне зависит от влажности окружающей среды. В частности, капиллярные поры из-за их сравнительно большого размера осушаются в тех случаях, когда относительная влажность окружающей среды падает ниже примерно 45%, в порах геля вода адсорбируется Даже при очень низкой влажности среды.

Таким образом, можно видеть, что вода в цементном камне может удерживаться с различной степенью прочности связи. С одной стороны, имеется свободная вода, с другой — химически связанная, образующая определенную часть гидратированных соединений. Между этими двумя крайними категориями находится вода геля, которая может удерживаться в цементном камне различными силами.

Вода, удержанная поверхностными силами частиц геля, называется адсорбционной водой. Часть этой воды, которая по данным некоторых исследователей удерживается между поверхностями определенных плоскостей в кристалле, называется цеолитовой водой. Вода решетки — это часть кристаллизационной воды, которая химически не связана с основными компонентами решетки. Свободная вода удерживается в капиллярах и находится вне поля действия поверхностных сил твердой фазы.

В настоящее время нет методики испытаний, которая позволила бы определить количество воды в указанных различных ее состояниях. Также нелегко предсказать эти величины исходя из теоретических представлений, поскольку величина энергии связи воды в гидрате такого же порядка, как и величина энергии связи адсорбированной воды. По существующей классификации полезная для исследовательских целей вода в цементном камне подразделяется на воду неиспаряющуюся и испаряющуюся.

Это разделение достигается при высушивании цементного камня до установившегося равновесия (т. е. до постоянного веса) при определенном давлении пара. Обычно высушивание выполняется при величине давления пара 8-10~3 ммрт.ст., получаемого над Mg(ClO4h 2h3O. Недавно было применено высушивание цементного камня под вакуумом, соединенным с влагоуловителем, охлажденным до температуры—79° С. Количество испаряющейся воды может быть определено также путем высушивания при повышенной температуре, обычно 105° С, в результате или вымораживания, или удаления с растворителем.

Все эти методы в сущности основаны на разделении воды в соответстви с возможностью ее удаления из цементного камня при определенном пониженном давлении водяного пара. Такое деление неизбежно является в какой-то части произвольным, поскольку зависимость между давлением водяного пара и содержанием воды в цементном камне имеет непрерывный характер. В противоположность кристаллогидратам в этой зависимости нет характерных точек, соответствующих определенным стехиометрическим количествам воды.

В целом, неиспарающаяся вода включает почти всю химически связанную воду, а также некоторое количество воды, не удерживаемой химическими связями. Эта вода характеризуется более низким давлением пара, чем вода в окружающей атмосфере; количество такой воды в действительности есть непрерывная функция давления окружающего пара.

Количество неиспаряющейся воды увеличивается по мере развития гидратации, но в насыщенном водой цементном камне количество неиспаряющейся воды никогда не может превысить половину общего количества имеющейся воды. В достаточно полно гидратированном цементе количество неиспаряющейся воды составляет около 18% веса безводного материала; такое соотношение возрастает примерно до 23% в полностью гидратированном цементе. Это вытекает из пропорциональной зависимости между количеством неиспаряющейся воды и объемом твердой части цементного камня, при этом последний объем может быть использован для определения количества присутствующего цементного геля, т. е. степени гидратации.

Способ удержания воды в цементном камне определяет энергию связи. Например, 400 калорий необходимо для связывания 1 г неиспаряющейся воды, в то время как энергия кристаллизационной воды Са(ОН)2 составляет 850 калорий на 1 г. Кроме того, плотность воды различна и составляет примерно 1,2 для неиспаряющейся воды, 1,1 для воды геля и для свободной воды. Было показано, что увеличение плотности адсорбционной воды при ее низких поверхностных концентрациях не есть результат уплотнения, а вызывается ориентацией молекул в адсорбированной фазе вследствие действия поверхностных сил.

uralzsm.ru

цемент

Водопотребность портландцемента (минимальное количество воды, вводимое в вяжущее для придания смеси необходимой текучести и подвижности) по сравнению с другими вяжущими веществами не велика. Она зависит от тонкости помола, минералогического состава цемента, количества и вида активных минеральных добавок.

Для полной гидратации минералов портландцемента необходимо всего 22% воды от массы цемента. Нормальная густота цементного теста обычно превышает эту величину на 2-4% для бездобавочного цемента и на 5-10% - для цементов с активными минеральными добавками. Количество воды, необходимое для приготовления удобоукладываемой бетонной смеси обычно составляет более 40% от массы цемента. Столь значительный избыток химически несвязанной воды создаёт в затвердевшем камне систему пор и капилляров, повышая его пористость, что приводит к снижению прочности, морозостойкости, коррозионной стойкости и т.д. Все технологические приёмы, которые снижают водопотребность цемента, приводят к заметному улучшению его качества.

Скорость схватывания зависит от целого ряда факторов. Повышение температуры ускоряет, а понижение - замедляет схватывание. Схватывание ускоряется также с повышением тонкости помола и уменьшением воды в цементном тесте.

Как указывалось выше, стандартные сроки схватывания рядового цемента обеспечиваются введением в него оптимального количества гипса, являющегося замедлителем схватывания. Наряду с гипсом для этих целей можно использовать фосфаты, силикаты, сульфаты и органические соединения. Механизм действия этих замедлителей одинаков - они создают вокруг гидратирующегося зерна защитную оболочку, которая препятствует быстрому взаимодействию минералов вяжущего с водой. Применение добавок-замедлителей может обеспечить сохранение тестом своего пластичного состояния до 1 суток. Как правило, введение замедлителей приводит к росту конечной прочности бетона.

В отдельных случаях необходимо ускорение схватывания цемента, например, при аварийных работах или при монолитном строительстве. Для этого вводят добавки-ускорители схватывания, которые интенсифицируют гидратацию в начальные сроки. Наиболее распространенной добавкой этого типа является хлорид кальция. Поскольку хлориды вызывают коррозию арматуры в железобетонных изделиях, в последнее время их заменяют алюминатами, карбонатами и нитратами щелочных металлов.

Неравномерность изменения объема цементного камня при твердении. Наличие в цементе несвязанных оксидов кальция и магния может вызвать трещинообразование при твердении. Это явление называется неравномерностью изменения объёма при твердении. Причиной его является увеличение объёма СаО и MgO при их взаимодействии с водой и возникновение внутренних растягивающих напряжений в цементном камне. Для испытания готовят 6 образцов-лепёшек определённого диаметра. После 24-часового хранения во влажной среде их помещают на 3 ч в кипящую воду. Цемент признают качественным, если на лицевой стороне лепёшек после кипячения нет радиально проходящих до краев трещин или сетки мелких трещин, видимых в лупу, а также каких-либо искривлении. Цемент, не прошедший этого испытания, не отгружают потребителю, а задерживают в цементных силосах до тех пор, пока основная часть свободного оксида кальция не загасится за счет влаги воздуха. Затем проводят повторные испытания цемента до получения положительных результатов.

Тепловыделение. Гидратация клинкерных минералом – процесс экзотермический. В силу этого при твердении массивных изделий происходит значительный разогрев бетона. При последующем охлаждении наружные слои массива остывают быстрее, чем внутренние, что приводит к возникновению термоупругих напряжений, которые могут привести к образованию трещин. Поэтому применение цементов с большим тепловыделением для массивных сооружений нежелательно. Целесообразно использование таких вяжущих при зимнем бетонировании, так как интенсивное выделение теплоты при гидратации компенсирует низкие температуры окружающей среды и не даёт снизиться скорости гидратационных процессов.

Термохимические свойства портландцемента определяются в первую очередь его минералогическим составом, тонкостью помола, Чеками и условиями хранения цемента и т.д. В порядке уменьшения величины тепловыделения клинкерные минералы можно расположить в следующий ряд: С3А - C3S - C4AF - β-C2S, теплота их гидратации составляет соответственно 870, 500, 420 и 260 Дж/г. Цементы с высоким содержанием трёхкальциевого алюмината и алита характеризуются более быстрым и значительным тепловыделением в бетонных массивах.

Все факторы, ускоряющие процессы гидратации, вызывают соответствующее увеличение тепловыделения. Так, увеличение тонкости помола цемента заметно повышает его тепловыделение, особенно в ранние сроки твердения.

Прочность портландцемента зависит от методики испытаний, т.е. от конкретного состава смеси, её пластичности, формы и размеров образцов, способа их изготовления и условий твердения. Метод испытания прочности определен ГОСТом.

Предел прочности при сжатии цементных образцов в возрасте 28 суток называют активностью цемента. Активность портландцемента положена в основу разделения его на марки. Цифровое значение марки характеризует минимальный предел прочности при сжатии половинок образцов - балочек размером 40x40x160 мм, приготовленных из раствора 1:3 по массе с нормальным вольским песком при водоцементном отношении 0,4 и испытанных через 28 суток после изготовления, при условии хранения образцов в воздушно-влажных условиях. При этом предел прочности при изгибе для образцов-балочек цемента М 400, 500 , 550 и 600 должен быть через 28 суток не менее, соответственно 5,5; 6,0; 6,2: 6,5 МПа, а прочность при сжатии - не менее 40, 50, 55 и 60 МПа, соответственно. Нужно учитывать, что марка нормирована по пределу прочности при сжатии, выраженной в единицах кг с/см2, а фактически при испытании получают величину прочности в системе СИ, т.е. в МПа.

Прочность цементных образцов зависит от минералогического состава клинкера, топкости помола цемента, водоцементного отношения, наличия ими отсутствия добавок, срока твердения и других факторов. Теоретический предел прочности при сжатии цементного камня составляет 240-340 МПа. На практике уже были получены бетоны с прочностью 28O-32O МПа при особых условиях их формования «под пригрузом», хотя обычные бетоны имеют гораздо меньшие прочностные показатели.

Прочность при растяжении примерно на порядок ниже прочности при сжатии. Это связано с особенностями структуры затвердевшего цементного камня. Так как её основу составляют переплетенные друг с другом короткие волокна гидросиликатов кальция, то при растягивании отдельные волоконца сравнительно легко «выдергиваются» из переплетенной массы, а собственная прочность волокон на растяжение практически не используется. Более высокие прочностные характеристики при растяжении показывают те цементы, при гидратации которых возникают преимущественно длинноволокнистые кристаллы гидросиликатов кальция, которые создают эффект самоармированной структуры. Этому способствуют такие факторы, которые обеспечивают не слишком высокие скорости гидратационных процессов, т.е. использование добавок-замедлителей, невысокая температура среды и т.д.

Применение портландцемента. Портландцемент находит широкое применение в строительной индустрии для сооружений зданий и конструкций, эксплуатируемых как в воздушной среде, так и в воздушно-влажных условиях и под водой. Он используется для бетонных, железобетонных сборных и монолитных конструкций. Допускается применение рядового портландцемента и для бетонов со специальными свойствами, если его характеристики обеспечивают надежную эксплуатацию в заданных условиях. Применяется портландцемент также и для штукатурных и кладочных работ в виде растворов с песком. Часть производимого рядового портландцемента идёт на изготовление смешанных вяжущих - пуццоланового цемента и шлакопортдандцемента.

6.6. Коррозия цементного камня и методы повышения коррозионной стойкости

Цементный камень при эксплуатации может подвергаться агрессивному действию внешней среды: пресных или, наоборот, минирализованных вод, совместному действию воды и низких температур, попеременному увлажнению и высушиванию, термическим ударам и т.д. Эти факторы могут вызвать частичное ослабление структуры материала или даже полное его разрушение. Коррозией цементного камня или бетона называют процесс постепенного разрушения материала в результате физико-химического воздействия окружающей среды. Скорость и интенсивность коррозии зависят от структуры бетона, его исходных свойств и характера агрессивного воздействия среды. Коррозия может быть физическая и химическая. Физические факторы коррозии охватывают температурные и влажностные колебания среды, ведущие к деформативным изменения в камне и к его разрушению. Химические факторы коррозии включают воздействие жидких и газовых сред на бетонное тело.

6.6.1. Физическая коррозия цементного камня

Попеременному замораживанию и оттаиванию в наших климатических условиях подвергаются почти все открытые сооружения. Совместное попеременное воздействие воды и мороза влечёт за собой разрушение бетонных сооружений. При отрицательных температурах вода, находящаяся в порах цементного камня, превращается в кристаллики льда, что сопровождается значительным увеличением объёма (примерно на 9%) по сравнению с объёмом исходной воды. При этом кристаллы льда оказывают растягивающее воздействие на стенки поры, вызывая появление внутренних напряжений, что может в итоге привести к разрушению.

Морозостойкость камня зависит от его структуры и, в первую очередь, от со поровой структуры - суммарной пористости материала, характера пористости, размеров пор, степени взаимосвязанности пор и т.д. Вода начинает переходить в лед в первую очередь в крупных порах и полостях при температуре, близкой к 00С. При дальнейшем понижении температуры лед начинает образовываться и в более мелких порах и воздушные поры, которые играют роль как бы запасных "ёмкостей" - в них во время кристаллизации льда выдавливается вода из сообщающихся с ними капилляров.

Бетонные конструкции и изделия могут эксплуатироваться и при повышенных температурах. Бетон может быть отнесён к огнестойким материалам - он не горюч. Однако длительная работа бетона на рядовом цементе при высоких температурах невозможна, так как основу камня составляют гидратные соединения, а они начинают терять химически связанную воду при температуре выше 150-250°С. В результате Дегидратации происходит существенная и необратимая деструкция материала, и он теряет прочность. Поэтому не рекомендуется применять рядовой цемент для бетонов, которые эксплуатируются при температуре выше 2500С.

Кратковременное действие открытого пламени не снижает прочность материала, так как теплопроводность камня невелика и он не успевает сильно прогреться. Для бетонов более опасными являются термические удары (например, при тушении пожара холодной водой). Вследствие различий коэффициентов термического расширения компонентой бетона происходит разрушение ею структуры, приводящее к палению прочности конструкции.

Жаростойкость бетона может, быть повышена путем добавления к нему 25-30% 01 огнеупорных добавок шамота, кварца, огнеупорной глины и т.д.

6.6.2. Химическая коррозия цементного камня

Процессы химической коррозии можно разделить на три вида:

1) разрушение вследствие растворения и вымывания составных

частей цементного камня, в первую очередь гидроксида кальция в

результате фильтрации пресной воды;

  1. разрушение из-за химических реакции обмена солей, содержащихся в минерализованой воде (например, морской), с гидратными составляющими цементного камня, в результате чего возникают хорошо растворимые соединения, которые и вымываются из материала;

3) разрушение в результате появления трудно растворимых кристаллических новообразований, образующихся при химическом взаимодействии солей, содержащихся в минерализованой воде, с гидратными составляющими цементного камня; причём деструктивные процессы связаны с увеличением объёма этих новых фаз. Эти крупные кристаллы плохо растворимых соединений отлагаются в капиллярах и порах затвердевшего камня и сначала даже уплотняют и упрочняют его. Однако в дальнейшем их накопление приводит к появлению внутренних напряжений, вызывающих образование трещин и, в пределе, разрушение материала.

По химической природе выделяют следующие виды коррозии:

  • коррозия выщелачивания, связанная с физическим растворением свободной извести и её вымыванием;

  • общекислотная коррозия, вызываемая действием любых кислот;

  • углекислая коррозия, вызываемая агрессивным действием углекислоты;

• сульфатная коррозия, вызываемая действием на бетон сульфатных анионов;

•магнезиальная коррозия: собственно магнезиальная, вызываемая действием ионов Mg+2, и магнезиально-гипсовая, происходящая при совместном действии ионов Mg+2 и SO4-2.

Коррозия выщелачивания. Са(ОН)2 является наиболее растворимой в воде частью затвердевшего цементного камня. Его растворимость в дистиллированной воде при обычных температурах составляет 1,3 г/л. Если вода неподвижна, то растворение извести после достижения концентрации насыщения прекращается, и коррозия не развивается. Однако в проточной мягкой воде, которая как бы фильтруется через слой бетона, этот процесс идёт непрерывно, и известь вымывается из бетона. Но и после полного удаления из камня извести деструктивный процесс не останавливается, так как вслед за известью начинают разлагаться гидроалюминаты кальция. Кроме того, могут также начаться процессы перекристаллизации гидросиликатов, что также ведёт к разрушению. Чем больше напор воды, чем выше водопроницаемость бетона и меньше толщина слоя бетона, через который фильтруется вода, тем быстрее разрушается бетон.

Общекислотная коррозия. Практически все составляющие затвердевшего цементного камня являются кислоторастворимыми соединениями, поэтому бетон быстро разрушается под действием вод, содержащих минеральные кислоты или даже относительно слабые органические кислоты. Под действием агрессивной кислой среды происходят необратимые обменные реакции с минералами цементного камня, ведущие к образованию хорошо растворимых солей, которые легко вымываются из тела камня. Чем ниже рН среды, тем быстрее развивается коррозия.

Углекислая коррозия происходит в результате действия углекислоты, содержащейся в природных водах. Сначала гидроксид кальция с углекислотой образует нерастворимый углекислый кальций:

Са(ОН)2 + СО2 → СаСОз +Н2О.

Но при избытке углекислоты СаСО3 реагирует с ней с образованием бикарбоната: СаСОз + СО2 + Н2О → Са(НСОз)2, который является хорошо растворимым соединением и относительно легко вымывается из камня.

Сульфатная коррозия бывает трёх видов.

При сульфоалюминатной коррозии содержащиеся в воде щелочные сульфаты взаимодействуют с гидроксидом кальция цементного камня:

Са(ОН)2 + Na2SO4 + 2 Н2О → CaSO4 2Н2О +2 NaOH

Образовавшийся сульфат кальция, а также имеющийся в воде гипс взаимодействуют с трёхкальциевым алюминатом с образованием эттрингита:

С3А + 3[CaSO4 ·2Н2О] + 19Н2О → 3CaO·Al2O3·3CaS04·31h30

В результате роста в порах камня крупных игл гидросульфоалюмината кальция, сопровождаемого увеличением объёма твёрдой фазы в 2,86 раз, в материале развиваются большие внутренние растягивающие напряжения, что вызывает трещинообразование и разрушение цементного камня.

При других видах сульфатной коррозии -сульфоалюминатногипсовой и гипсовой - концентрация сульфатного иона превышает 1000 мг/л. При этом наряду с эттрингитом образуются значительные количества двуводного гипса. При его кристаллизации объём твёрдой фазы увеличивается в 2,24 раза, что является причиной появления в камне дополнительных напряжений. При очень высокой концентрации сульфатного иона имеет место только гипсовая коррозия, так как в конкурирующих процессах образования ларингита и гипса второй подавляет первый.

При магнезиальной коррозии происходит взаимодействие гидроксида кальция с растворами, содержащими хлористый магний:

Са(ОН)2+ MgС12 → СаС12 + Mg(OH)2

Хлористый кальций - хорошо растворимое соединение, а гидроксид магния плохо растворим в воде, и выпадает в виде рыхлого осадка. В результате происходит разрушение структуры цементного камня.

Наиболее опасна магнезиально-гипсовая коррозия, в основе которой лежит следующая химическая реакция:

Са(ОН)2+ Mg SО4+2Н2О→CaSО4·2h3O+2Mg(OH)2

Здесь образуется гипс, вызывающий гипсовую коррозию (или при более низких концентрациях сульфат-иона – сульфоалюминатногипсовую), и одновременно появляются рыхлые аморфные массы гилроксида магния. Если свободной извести уже не имеется в составе камня, то начинается разрушение гидроалюминатов и гидросиликатов кальция по схеме:

ЗСаО·Al2О3·6h3O+3MgSO4+6h3O →3(CaSO4·2h3O)+2Al(OH)3+3Mg(OH)2

Агрессивной средой может быть не только жидкость, но и газы, особенно кислые.

Нередко химической коррозии сопутствуют вредные физические воздействия - попеременное замораживание и оттаивание, попеременное Увлажнение и высыхание бетона, кристаллизация солей при капиллярном подсосе минерализованой воды и при последующем её испарении.

Способов борьбы с коррозией цементного камня несколько. Кардинальным, но одновременно самым дорогим способом является гидроизоляция бетонных сооружений, исключающая всякую возможность проникновения воды или растворов вглубь бетонного тела, что исключает все разрушительные процессы.

Очевидно, что коррозионная устойчивость цементного камня тесно связана с его водонепроницаемостью - чем плотнее бетон, чем меньшей пористостью он обладает, тем меньше возможность у агрессивной среды проникнуть вглубь бетонного слоя. Поэтому одним из общих способов повышения коррозионной стойкости является изготовление плотного водонепроницаемого бетона за счёт оптимизации его состава и тщательной укладки бетонной смеси.

Стойкость цементного камня в пресных водах можно повысить, Регулируя его минералогический состав. Для этого снижают содержание в клинкере алита как основного источника Са(ОН)2, выделяющегося при его гидратации. Для повышения стойкости цемента в сульфатных водах, кроме того, целесообразно снизить содержание С3А, вступающего в реакцию с гипсом.

Коррозионная устойчивость бетонов и растворов повышается при искусственном или естественном создании на поверхности корки, состоящей из карбоната кальция, СаСО3 возникает при взаимодействии свободной извести с углекислотой воздуха в присутствии воды. Углекислый кальций вследствие малой растворимости не выщелачивается пресной водой и не взаимодействует с сульфатами. Однако эта защитная корка имеет небольшую толщину (не более 5-10 мм) и легко разрушается при механическом воздействии.

Более совершенным, чем карбонизация, является другой химический способ повышения водостойкости цементного камня - пуццоланизация, заключающаяся в связывании Са(ОН)2 активным кремнезёмом, содержащимся в кислых активных минеральных добавках, называемых также пуццоланами.

хСа(ОН)2 + SiO2 + уН2О→xCaO·SiO2·mh3O

Образующиеся при этом гидросиликаты серии CSH(B) являются очень плохо растворимыми соединениями и не вступают в реакцию с сульфатами. По составу они очень близки к гидросиликатам цементного камня, и их образование дополнительно упрочняет и уплотняет камень. Особенно важно, что при пуццоланизации связывание извести происходит не только с поверхности, но и по всему объёму твердеющего камня. Это не только технически самый совершенный и простой способ, но и наиболее экономически оправданный, приводящий одновременно и к уплотнению камня, и к связыванию коррозионно-опасных фаз. Однако пуццоланизация эффективна при действии только пресных и сульфатных вод. При работе бетона в кислых, углекислых и магнезиальных средах химические методы борьбы с коррозией малоэффективны. В большей степени необходимо использовать способы, приводящие к снижению пористости материала и повышению его водонепроницаемости.

7. Технология, свойства и применение специальных цементов

На основе портландцементного клинкера можно изготавливать не только рядовой цемент или цементы с активными минеральными добавками, но и целую серию специальных портландцементов, обладающих специфическими свойствами. Такие цементы производят по традиционной технологической схеме из того же сырья, что и рядовой цемент. По они имеют некоторые отличительные особенности в минералогическом и химическом составе. Технологические параметры отдельных операций при производстве цементов также могут отличаться. В силу пот такие цементы обладают определёнными отличиями в свойствах, а, следовательно, отличаются и по областям применения. К таким портландцементам относятся быстротвердеющий, сульфатостойкий, дорожный, пластифицированный, гидрофобный и др.

7.1. Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ)

БТЦ - это портландцемент с минеральными добавками, отличающийся интенсивным нарастанием прочности в начальные сроки твердения.

При производстве БТЦ тщательно подготовленная сырьевая смесь должна быть более однородна по составу и не должна содержать вредных примесей. Обжиг ведут на беззольном топливе, после чего производят быстрое охлаждение клинкера. Повышенная прочность цементного камня на основе БТЦ в ранние сроки достигается соответствующим подбором минералогического состава клинкера, увеличением дозировки гипса, повышением тонкости помола вяжущего. Оптимальный состав клинкера подбирается в зависимости от конкретных условий завода. Желателен клинкер, содержащий не менее 60-70% наиболее активных в гидратационном отношении минералов - алита и трёхкальциевого алюмината. При этом содержание C3S должно быть не менее 50%, а С3А -около 8%. В БТЦ можно вводить до 10% активных минеральных добавок осадочного происхождения и до 15% - доменных гранулированных шлаков. Гипс: добавляемый к клинкеру при помоле, не только регулирует сроки схватывания цемента, но и заметно повышает его раннюю прочность. Однако содержание SO3 в БТЦ не должно превышать 4%.

БТЦ размалывают белее тонко, чем рядовой цемент - до удельной поверхности порядка 3500-4500 см2/г. Помол производят по замкнутому циклу.

Выпускают две марки БТЦ - 400 и 500. Для этого вида цемента нормируется не только 28-суточная прочность, но и прочностные характеристики через 3 суток с момента затворения. Пределы прочности для марок 400 и 500 при сжатии через 3 суток должны быть соответственно не менее 25 и 28 МПа. при изгибе - не менее 4 и 4,5 МПа. а в возрасте 28 суток: при сжатии - 40 и 50 МПа, при изгибе - 5.5 и 6 МПа. соответственно.

7.2. Сульфатостойкий портландцемент

Сульфатостойкий портландцемент отличается повышенной Устойчивостью к агрессивному воздействию сульфатных вод, что обеспечивается пониженным содержанием в клинкере высокоосновных алюминатов кальция (С3А). Выпекается сульфатостойкий портландцемент без добавок и цемент с минеральными добавками, однако количество последних меньше, чем в обычном портландцементе с минеральными добавками. При этом допускается введение гранулированных доменных или электротермофосфорных шлаков в количестве не более 10-20% и добавок осадочного происхождения - не более 5-10%.

Сульфатостойкий портландцемент изготавливают из клинкера нормированного минералогического состава: содержание С3А не должно превышать5%, содержание C3S - не более 50%, а суммарное содержание C3A+C4AF - не более 22%. Для сульфатостойкого портландцемента с активными минеральными добавками действительны те же ограничения, за исключением того, что содержание C3S не нормируется. Стабильность заданного минералогического состава обеспечивают подбором сырьевых материалов, чётким расчётом состава сырьевой смеси и отчасти режимом обжига. В остальном же технология производства сульфатостойких портландцементов не отличается от обычной.

Нужно учитывать, что пониженное содержание C3S и СзА заметно снижает скорость набора прочности в первые 28 суток твердения. Выпускают сульфатостойкий портландцемент марки 400 и сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками марок 400 и 500.

Сульфатостойкие портландцемента предназначены для изготовления бетонных и железобетонных конструкций, эксплуатация вторых сопряжена с действием агрессивных сульфатсодержащих минерализованых вод.

7.3. Дорожный портландцемент

Дорожный портландцемент характеризуется повышенной прочностью при изгибе и ударе, а также малой истираемостью, высокой морозостойкостью и небольшой усадкой. Технология его производства такая же, как и для рядового портландцемента. К дорожному портландцементу предъявляются следующие требования: марка - не ниже 400, количество С3А в клинкере - не более 10%, начало схватывания - не ранее 2 часов после затворения. Для этого типа вяжущего допускается введение при помоле только гранулированного доменного шлака в количестве не более 15%, так как иные виды активных минеральных добавок заметно снижают морозостойкость и повышают усадку. Дорожный портландцемент предназначен для бетонных покрытий автомобильных дорог.

7.4. Пластифицированный портландцемент

Пластифицированный портландцемент отличается тем, что растворы и бетоны, приготовленные на его основе, отличаются повышенной подвижностью и удобоукладываемостыо. Особенность его изготовления заключается в том, что при помоле обычного портландцементного клинкера в его состав дополнительно вводят гидрофильную добавку. Обычно в качестве добавки используют сульфитно-спиртовую бражку (СДБ) в количестве 0,16-0,3% от массы цемента. СДБ является адсорбционным понизителем твёрдости клинкера и поэтому одновременно интенсифицирует помол цемента.

Введение этой добавки придаёт некоторое своеобразие процессу твердения цемента. Частицы СДБ, адсорбируясь на поверхности зёрен цемента, создают защитные плёнки, устраняющие сцепление гидратирующихся зёрен цемента друг с другом. Это даёт возможность сократить на 8-10% расход цемента при том же водоцементном отношении бетона, либо снизить водопотребность бетонной смеси при сохранении ее заданной подвижности. Уменьшение содержания воды в бетонной смеси на пластифицированном цементе приводит к повышению морозостойкости.

studfiles.net

Схватывание и твердение портландцемента - Вяжущие материалы

Схватывание и твердение портландцемента

Вяжущие свойства портландцемента обусловлены особенностями химических соединений, входящих в состав клинкера. По химическому составу клинкер представлен следующими соединениями.

При обжиге до спекания эти вещества, соединяясь в различных соотношениях, образуют силикаты и алюминаты кальция, которые входят в состав клинкера в виде минералов кристаллической структуры. Некоторая их часть находится в стекловидном состоянии.

Основные минералы клинкера — алит и белит (силикаты кальция), а также трехкальциевый алюминат и алюмоферрит кальция (алюминаты кальция).

Алит— основной минерал клинкера. Его химическая формула 3Ca0-Si02, сокращенно C3S*. Алита в клинкере содержится 45…60%, т. е. больше, чем любого другого минерала. Алит отличается быстрым твердением и большой прочностью.

Названия искусственных минералов клинкера — алит и белит — образованы от греческого слова «литое» (камень) с прибавлением начальных букв латинского алфавита А и В. Суммарное содержание этих минералов — силикатов кальция — составляет в клинкере портландцемента около 75%. Поэтому его называют иногда силикатным цементом в отличие от алюминатных цементов, например глиноземистого, в клинкерной части которых преобладают не силикаты, а алюминаты кальция.

По этим характеристикам можно составить представление о том, как влияет количественное соотношение между минералами в клинкере на свойства цемента. Так, для получения быстротвердеющего цемента надо увелйчить содержание в клинкере наиболее быстротвердеющих соединений, т. е. C3S и С3А. Такой цемент одновременно обладает и большим тепловыделением. Свойство быстрого твердения используют при производстве сборного железобетона на заводах, где важно сократить длительность технологического цикла. Бетон, изготовленный на цементе с высоким содержанием C3S и С3А, можно применять для работ в зимнее время: из-за большого тепловыделения цемента конструкция медленно остывает даже на морозе и бетон набирает достаточно высокую прочность.

При бетонировании массивных конструкций важно предотвратить излишний саморазогрев бетона, который может вызвать его растрескивание. В этом случае применяют цемент с низким тепловыделением, т. е. относительно малым содержанием C3S и С3А.

Для получения морозостойких бетонов ограничивают в клинкере содержание С3А. Кроме того, нормируют минеральный состав клинкера, чтобы повысить стойкость цементов против химической коррозии.

Помимо указанных основных соединений в клинкере присутствуют свободный кристаллический оксид магния MgO (минерал периклаз), а также оксиды калия и натрия. Высокое содержание периклаза (более 5%), особенно в виде крупных кристаллов, представляет большую опасность. При взаимодействии с водой MgO увеличивается в объеме. Если эта реакция происходит в затвердевшем цементном камне, то возникают большие внутренние напряжения, что приводит к растрескиванию бетона.

Минералы цементного клинкера способны энергично взаимодействовать с водой, образуя гидратные соединения. Клинкерные минералы растворяются в воде в большей или меньшей степени, а продукты гидратации цемента (так называемые новообразования или кристаллогидраты) в воде практически нерастворимы. В противном случае отвердевшие цемент или бетон не были бы водостойкими.

Процесс твердения цемента в соответствии с теорией твердения вяжущих, разработанной академиком А. А. Байковым, условно разделяется на три периода: подготовительный, коллоидации и кристаллизации.

В подготовительном периоде частицы цемента смачиваются водой и растворяются с поверхности; со временем образуется насыщенный раствор. В этот период, длящийся 1…3ч, цементное тесто пластично и легко поддается формованию.

В период коллоидации концентрация гид-ратных новообразований в растворе возрастает. Новообразования обладают гораздо меньшей растворимостью в воде, чем исходные безводные соединения. Поэтому раствор, насыщенный по отношению к исходным соединениям, является пересыщенным по отношению к новообразованиям. Гидратные новообразования в виде мельчайших коллоидных частичек — субмикрокристаллов — выделяются из раствора, образуя цементный гель.

Возникновение большого количества геля приводит к загустеванию цементного теста, которое утрачивает пластичность. Момент загустевания (схватывания) цементного теста наступает через 3…5 ч после затворения цемента водой. Прочность загустевшего теста в этот период еще невелика.

Период кристаллизации характеризуется дальнейшей гидратацией цемента. Образующийся гель постепенно преобразуется в кристаллические сростки. Число и поверхность контактов в кристаллах новообразований увеличивается, что приводит к заметному росту прочности цементного камня. Твердение цемента и материалов на его основе—бетона, строительного раствора при благоприятных условиях может продолжаться несколько лет.

Новообразования, формирующие кристаллический сросток в цементном камне, возникают в результате химических реакций гидролиза и гидратации минералов цементного клинкера. Гидролиз характеризуется расщеплением минералов, а при гидратации идет лишь присоединение воды к исходному минералу.

Алит C3S и белит C2S при взаимодействии с водой подвергаются гидролизу. В результате реакций возникает соединение 3Ca0-2Si02-3h30, в состав которого входит химически связанная вода. Важно отметить, что это соединение (гидросиликат кальция), как и другие продукты гидратации цемента, представляют собой твердые вещества. Их называют кристаллогидратами.

Кроме гидросиликатов кальция при гидролизе элита и белита образуется значительное количество гид-роксида кальция Са(ОН)г. Это обстоятельство имеет большое значение для формирования многих свойств затвердевшего цемента, о чем будет сказано ниже.

Чтобы замедлить схватывание цемента, вводят в его состав гипсовый камень CaS04-2h30, который связывает алюминат кальция. Так продолжается до тех пор, пока не будет израсходован весь гипс.

Таким образом, в результате взаимодействия цемента с водой получаются новые соединения, в состав которых входит химически связанная вода: гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция, а также гидроксид кальция. Они и обусловливают формирование прочной структуры твердеющего цемента.

Ниже приведены наиболее важные выводы из рассмотренного процесса твердения портландцемента.

Все химические реакции взаимодействия клинкерных минералов с водой — экзотермические, т.е. сопровождаются выделением теплоты. Экзотермия цемента может рассматриваться и как положительное явление (например, при зимнем бетонировании), и как отрицательное (при бетонировании массивных конструкций или производстве работ в жаркую сухую погоду).

Один из продуктов взаимодействия силикатных минералов (алита и белита) с водой — гидроксид кальция. Это значит, что в результате твердения в цементном камне всегда возникает щелочная среда.

Данное явление также имеет свои плюсы и минусы. В щелочной среде, как известно, не происходит коррозии железа. Поэтому бетоны на портландцементе (и его разновидностях) хорошо защищают стальную арматуру от коррозии. Это одно из основных условий долговечности железобетона.

С другой стороны, Са(ОН)2 сравнительно легко подвергается коррозии в агрессивных средах и даже может вымываться водой. Поэтому для повышения стойкости бетона к коррозии приходится вводить в цемент особые добавки, связывающие Са(ОН)2 в более стойкие- соединения. Таким путем получают, например, пуццолановый портландцемент.

Затворение цементного порошка водой — это необходимое условие образования прочного цементного камня, но избыточное количество воды не увеличивает, а уменьшает его прочность. Это вызвано тем, что цемент способен химически связывать не любое, а строго ограниченное количество воды — максимум 25…30% (считая от массы сухого цемента). Химически связанная вода входит в состав твердой фазы — новообразований цементного камня. Эти новообразования и формируют (синтезируют) прочность цемента.

Вся остальная вода, содержащаяся в цементном тесте или камне, остается в жидком состоянии. Впоследствии, при высыхании бетона, вода испаряется, в результате чего в структуре цементного камня образуется система тончайших пор. Чем больше введено при затворении воды, тем большей окажется пористость и, следовательно, ниже прочность и стойкость цементного камня и бетона.

Читать далее:Глиноземистый и расширяющиеся цементыЦементы с минеральными добавкамиСпециальные виды портландцементаСвойства портландцементаПроизводство портландцементаНеорганические вяжущие веществаРазные материалы для штукатурных работЗаполнители для штукатурных работВяжущие материалы для штукатурных работРасширяющиеся цементы

stroy-server.ru

Химически связанная вода - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3

Химически связанная вода

Cтраница 3

При этом химически связанная вода удаляется лишь частично. По окончании варки массу, содержавшую не более 6 - 8 % свободной серной кислоты спускали в зрельники, где количество свободной кислоты понижалось до 2 - 2 5 %, затем спускали на кристаллизационный стол ( лоток) - плоскую прямоугольную плиту с бортами высотой 0 25 - 0 5 м, выложенную кислотоупорными плитками. На столе масса в результате охлаждения закристаллизовывалась - полностью затвердевала, после чего ее выбивали вручную с помощью лома и отправляли на склад в виде кусков весом 15 - 20 кг. Для получения 1 т неочищенного сернокислого алюминия по этому способу расходовали: 0 42 т каолина ( с 15 % влаги), и 0 32 т серной кислоты ( 100 %), 0 2 - 0 3 т пара и 6 - 6 2 кет-ч электроэнергии.  [31]

При этом химически связанная вода удаляется1 лишь частично. После сушки охлажденный до 50 - 80 каолин разлагали1 в варочном котле 65 - 67 % - ной серной кислотой 6 - 8 час. По окончании варки массу, содержавшую не более 6 - 8 % свободной серной кислоты, спускали в зрельники, где количество свободной кислоты понижалось до 2 - 2 5 %, затем спускали на кристаллизационный стол ( лоток) - плоскую прямоугольную плиту с бортами высотой 0 25 - 0 5 м, выложенную кислотоупорными плитками. На столе масса в результате охлаждения закристаллизовывалась - полностью затвердевала, после чего ее выбивали вручную с помощью лома и отправляли; на склад в виде кусков весом 15 - 20 кг. Для получения 1 т неочищенного глинозема по этому способу расходовали: 0 42 т каолина ( с 15 % влаги), 0 32 т серной кислоты ( 100 %), 0 2 - 0 3 т пара и 6 - 6 2 квт-ч электроэнергии.  [32]

Термодинамика слабо химически связанной воды у некоторых компонентов цементного камня и кинетика ее испарения.  [33]

При этом удаляется химически связанная вода, в результате глина становится непластичной и, следовательно, менее чувствительной к сушке и обжигу.  [34]

Кроме свободной и химически связанной воды в бетоне имеется еще вода, заключенная в микропорах ( капиллярах), и пленочная, соприкасающаяся непосредственно с поверхностью цементных зерен и обладающая несколько отличными свойствами, чем обычная вода. Количество такой физически связанной с цементом воды в бетоне с ВЩ0 5 может доходить до 25 % от воды затворения.  [36]

Удаление гигроскопической и химически связанной воды сопровождается поглощением тепла, что отчетливо фиксируется при термографическом анализе в виде эндотермических эффектов.  [37]

Во всех глинах имеется химически связанная вода, образующая на поверхности глинистых частиц слой гидроксильных групп ОН, которые обладают большой полярностью.  [38]

При дегидратации глины удаляется химически связанная вода, разрушается кристаллическая решетка материала, глина теряет пластические свойства. Как показывают кривые обезвоживания и термического анализа, дегидратация глинистых минералов для каждого их вида происходит в различных температурных интервалах. В момент разрушения кристаллической решетки снижается прочность материала. Выгорание гумусовых соединений начинается при температуре 200, при этом в материале создается восстановительная среда. При быстром нагревании глины выгорание органических примесей смещается в область более высоких температур. Большое содержание Fe2O3, что характерно для многих легкоплавких глин, и переход окисного железа в закисное ( при наличии восстановительной среды) определяют образование более легкоплавких соединений, большее накопление жидкой фазы, что повышает прочность обожженного изделия.  [39]

Изобары адсорбции для ГСАКВ ( 1, 2 и 3, ГХАКВ ( 4, 5 и 6 и ГНАКВ ( 7, 8 и 9. W - влагосодержание, %, Т - температура, С. Кривые 1 4 ч 7 соответствуют влажности воздуха 80 %, кривые 2, 5 и 8 - влажности 50 %, кривые 3, б и 9 - влажности 20 % ( при 20Q С.  [40]

Величина энергии связи слабо химически связанной воды у всех образцов сравнительно невелика, примерно равна энергии связи адсорбированной воды. Однако граница здесь достаточно условна. В настоящее время для определения сухого веса вещества общепринятой является сушка при 105, что при обычной влажности воздуха в лаборатории соответствует равновесной свободной энергии воды около 0 8 кдж / г. Эту величину удобно принять в качестве условной границы.  [41]

В бескарбонатных почвах содержание химически связанной воды вычисляют по разности между величиной потери и содержанием перегноя.  [42]

В карбонатных почвах содержание химически связанной воды в гумусовых горизонтах находят по разности между величиной потери и содержанием гумуса, а также СО2 карбонатов.  [43]

В безгумусных горизонтах содержание химически связанной воды равно разности между величиной потери и С02 карбонатов. Содержание карбонатов в этой почве - 6 05 %, гумус отсутствует.  [44]

Если торф освободить от химически связанной воды, то он имеет процентное соотношение атомов углерода и водорода примерно такое, как бензол.  [45]

Страницы:      1    2    3    4

www.ngpedia.ru


Смотрите также