Гидравлические вяжущие вещества

Гидравлическую известь получают путем обжига не до спекания мергелистых известняков, содержащих 6—20% глинистых примесей, в шахтных (см. рис. 1) или вращающихся печах при температуре 900— 1000°. После обжига производят помол или гашение извести в порошок (пушонку).

Гидравлическая известь должна обладать свойством равномерно изменять объем. Размолотая известь не должна давать более 15% остатка на сите № 008. В гашеной извести непогасившихся зерен должно быть не более 15% (по массе). Растворы на гидравлической извести помещать в воду сразу после изготовления нельзя, так как они могут размываться и терять прочность. В начале твердения растворы должны находиться в течение 7—21 дня на воздухе, после чего их можно увлажнять. Предел прочности на сжатие образцов-кубиков, изготовленных из раствора извести с песком состава 1 : 3 (по массе), в возрасте 28 дней комбинированного хранения (7 суток во влажном воздухе и 21 сутки в воде) должен быть не менее 0,20 кН/см².

Гидравлическую известь применяют для приготовления кладочных и штукатурных растворов, бетона низких марок, шлакобетонных камней. Кладку конструкций (фундаментов, стен подвала) на растворах из гидравлической извести в сырых местах в течение первых 7—14 дней необходимо предохранять от непосредственного воздействия воды.

Портландцемент получают путем тонкого помола обожженной до спекания смеси глины и известняка, называемой цементным клинкером. Различают два основных способа производства портландцемента — мокрый и сухой. Чаще применяют мокрый способ, технология которого заключается в следующем. Глину предварительно превращают в аппарате («болтушке») в жидкий глиняный шлам, после чего подают в сырьевую мельницу, куда одновременно поступает дробленый известняк. Глину и известняк подают в мельницу в строго определенной пропорции. После помола сметанообразная смесь известняка (~75%), глины (~25%) и воды направляется в шламбассейн, где происходит корректировка химического состава шлама и тщательное его перемешивание. Из бассейна шлам поступает в обжигательную вращающуюся печь (рис. 3).

Современные вращающиеся печи имеют длину 150—185 м и соответственно диаметр 3,6—5,0 м. Производительность таких печей более 1000 т клинкера в сутки. Для повышения производительности шлам при подаче в печь подсушивают и устраивают в печи цепные завесы для лучшего соприкосновения смеси с горячими дымовыми газами. Барабан печи устанавливают с уклоном 5%, что обеспечивает при его вращении медленное продвижение материала в сторону нижнего конца. Шлам подают со стороны поднятой части печи специальным питателем, а топливо в виде газа или угольной пыли вдувается с противоположной стороны вентилятором. Топливо сгорает вблизи его подачи. Здесь развивается наиболее высокая температура (до 1500°), которая необходима для спекания клинкера. Этот участок печи называется зоной обжига. Дымовые газы удаляются из печи с противоположного конца в месте загрузки шлама. Следовательно, дымовые газы движутся вдоль всего барабана печи навстречу обжигаемому материалу и, постепенно нагревая его, охлаждаются сами. Вследствие этого, начиная от зоны обжига, температура в печи уменьшается с 1500 до 100—150°. После зоны обжига клинкер в виде серых очень твердых спекшихся шариков поступает в холодильник, где охлаждается движущимся навстречу ему потоком холодного воздуха. Охлажденный клинкер отправляют на склад для выдерживания в течение 1—2 недель.

После выдерживания клинкера производят его помол вместе с гипсом и активными минеральными добавками. Гипс применяют для регулирования сроков схватывания портландцемента в количестве 1,5— 3,5%, минеральные добавки (трепел, диатомит, доменный шлак) — для получения специальных свойств портландцемента, а также снижения его стоимости в количестве до 15% по массе.

Помол клинкера производят в специальных шаровых мельницах. Из мельниц цемент выходит с температурой нередко более 100°. Для охлаждения его помещают в силосы, а через 7—14 дней отправляют на стройки.

При производстве портландцемента сухим способом сырьевые материалы сначала высушивают, затем измельчают и тщательно перемешивают в специальных силосах. Из сырьевой муки готовят гранулы (зерна до 40 мм), а затем их обжигают во вращающейся или шахтной печи. Сухой способ производства портландцемента является более трудоемким, хотя и требует меньшего расхода топлива.

Портландцемент затворяют водой. Начало схватывания портландцемента (потеря подвижности цементного теста) должно наступать не ранее чем через 45 мин, а конец (переход цементного теста в камень) — не позднее чем через 12 ч. При твердении портландцементный камень изменяется в объеме: на воздухе объем уменьшается, в воде увеличивается. По прочности портландцемент делится на марки: 300; 400; 500 и 600. Марки устанавливают по пределу прочности на изгиб образцов-балочек размером 4х4х 15 см и на сжатие их половинок, изготовленных из пластичного цементного раствора состава 1 : 3 (по массе) и испытанных в возрасте 28 дней. На прочность портландцемента оказывает влияние тонкость помола, которая должна обеспечивать прохождение 85% массы его пробы через сито № 008 (размеры ячеек сита в свете 0,08 мм).

Наличие ряда положительных свойств (высокой прочности, способности твердеть на воздухе и в воде, относительно невысокой стоимости) делает портландцемент универсальным вяжущим веществом, имеющим самое широкое применение в строительстве. Портландцемент — это основной вид цемента, применяемого для изготовления сборных бетонных и железобетонных конструкций и деталей, а также устройства монолитных бетонных и железобетонных конструкций зданий и сооружений. Наиболее широко портландцемент применяют для приготовления кладочных и штукатурных растворов, употребляемых для надземных, подземных и подводных конструкций. Его используют также для защиты стальных конструкций, стальных закладных деталей и сварных соединений сборных железобетонных конструкций от огня и коррозии при монтаже зданий и сооружений.

Портландцемент не рекомендуется применять для конструкций, которые подвергаются действию морской, минерализованной или пресной воды, омывающей конструкцию под напором.

Глиноземистый цемент получают путем обжига до сплавления или до спекания смеси извести и бокситов (горная порода, содержащая алюминий) с последующим ее помолом в тонкий порошок. Обжиг до плавления ведут в электрических печах при температуре 1400—1500°.

Обжиг смеси до спекания производят во вращающихся печах при температуре 1200—1300°. После обжига смеси производят помол полученного клинкера в тонкий порошок (цемент). Существуют и другие способы получения глиноземистого цемента.

Глиноземистый цемент является быстротвердеющим вяжущим веществом. Уже через 24 ч после затворения цементный камень имеет прочность до 90% марочной. Цемент должен иметь тонкость помола, при которой остаток на сите № 008 не превышает 10%. Начало схватывания не ранее чем через 45 мин, конец не позднее чем через 12 ч с момента затворения цемента водой. По прочности цемент делят на марки 300, 400 и 500. Марки устанавливают по пределу прочности на сжатие образцов, изготовленных из раствора состава 1 : 3, испытанных в возрасте 3—4 дней. Твердение глиноземистого цемента происходит с большим выделением тепла, что ограничивает применение его в массивных бетонных и железобетонных конструкциях, но оказывает положительное влияние на производство строительных работ в зимнее время. Глиноземистый цемент обладает высокой коррозионной стойкостью против действия пресных и сульфатных вод. Он хорошо твердеет во влажной среде при температуре 15—20°. При повышении температуры прочность глиноземистого цемента снижается. Поэтому в отличие от портландцемента этот цемент нельзя искусственно нагревать (пропаривать).

Высокая стоимость (в 3 раза выше портландцемента) ограничивает широкое применение глиноземистого цемента. Его применяют в специальных сооружениях, при аварийных строительных и монтажных работах, при работах в зимнее время, в морских сооружениях, в сооружениях, находящихся в минерализованных водах. Высокая сульфотостойкость глиноземистого цемента позволяет применят его для изготовления коллекторов сточных вод ряда химических и металлургических предприятий, Его используют также в качестве вяжущего при изготовлении жароупорных бетонов.

Пуццолановый цемент получают путем совместного помола или тщательного смешивания портландцемента с активными минеральными добавками. Последние улучшают стойкость цемента в агрессивных водах. В качестве таких добавок применяют естественные (природные) и искусственные породы. Естественные породы — диатомит, трепел, туф и др.; искусственные — доменный шлак, зола, глинит (обожженная глина) и др. Количество применяемых добавок зависит от свойств этих добавок, а также от требований к качеству получаемого цемента и колеблется в пределах от 20 до 50% от массы смеси.

Пуццолановый цемент светлее обыкновенного портландцемента, имеет меньшую объемную массу, дает большую плотность раствора и бетона, вследствие чего они получаются более водонепроницаемыми. Тонкость помола и сроки схватывания пуццоланового цемента такие же, как и для портландцемента; быстрота твердения несколько меньше, чем у портландцемента, особенно в первые дни его твердения. При твердении пуццолановый цемент выделяет меньше тепла, чем портландцемент, что дает возможность применять его в массивных бетонных конструкциях (так как в них не происходит образование трещин), но затрудняет зимнее бетонирование (требуется искусственный прогрев бетона).

Отличительной особенностью пуццоланового цемента является то, что, будучи хорошо затвердевшим, он не выщелачивается пресной водой и не разрушается под действием морских и других минерализованных вод. Однако этот цемент так же, как и портландцемент, подвергается вредному действию свободных кислот (например, угольной) и концентрированных растворов магнезиальных солей. Для пуццоланового цемента установлены следующие марки: 200, 300, 400 и 500.

Пуццолановый цемент в основном применяют в тех случаях, когда необходима повышенная физико-химическая стойкость бетона; в канализационных и водопроводных сооружениях; при устройстве гидротехнических сооружений в морской и пресной воде (набережных, плотин, шлюзов); для кладки фундаментов и стен подвалов гражданских и промышленных зданий, а также других подземных сооружений, если они находятся под действием грунтовой воды, содержащей вредные для портландцемента примеси. Следовательно, пуццолановый цемент используют для приготовления растворов и бетонов, изготовления сборных и монолитных бетонных и железобетонных конструкций, которые должны эксплуатироваться в условиях действия агрессивных вод (морских, минерализованных).

Пуццолановый цемент нельзя применять в сооружениях, находящихся в переменных условиях увлажнения и высыхания, замораживания и оттаивания.

Шлаковый цемент получают путем совместного помола или тщательного смешивания молотых портландцементного клинкера и гранулированного доменного шлака. Количество шлака принимают в зависимости от его активности от 30 до 75% от массы цемента. По своим свойствам шлаковый цемент мало отличается от портландцемента, однако он значительно дешевле, поэтому имеет широкое применение в строительстве.

Шлаковый цемент имеет одинаковые с портландцементом тонкость помола и равномерность изменения объема. В отличие от портландцемента он обладает более медленным схватыванием и замедленным твердением в первой декаде, особенно при пониженной температуре окружающего воздуха. При твердении шлаковый цемент выделяет меньше тепла, чем портландцемент. Это свойство дает возможность широко использовать его при бетонировании массивных конструкций (особенно летом), хотя и ограничивает применение в зимних условиях. Шлаковый цемент более сульфатостоек, но менее морозостоек по сравнению с портландцементом. Для шлакового цемента установлены марки: 200, 300, 400 и 500.

Шлаковый цемент применяют для изготовления сборных бетонных и железобетонных конструкций и деталей, приготовления бетона для устройства монолитных бетонных фундаментов, полов и других массивных сооружений, в том числе гидротехнических сооружений, находящихся в обычной и минерализованной грунтовой воде. Кроме того, этот цемент применяют для приготовления кладочных и штукатурных растворов.

Шлаковый цемент не рекомендуется применять в тех же случаях, которые были указаны для пуццоланового цемента.

Расширяющиеся цементы. Один из существенных недостатков рассмотренных выше цементов — их усадка при твердении на воздухе. Этот недостаток не позволяет применять их для получения абсолютно водонепроницаемых стыков сборных конструкций, зачеканки швов труб, гидроизоляции сооружений.

Расширяющиеся цементы не только не дают усадки при твердении, но и обладают способностью расширяться при этом, т. е. увеличиваться в объеме до 1%. Это свойство расширяющихся цементов широко используется в строительно-монтажных работах.

Различают два вида расширяющихся цементов — водонепроницаемый и гипсоглиноземистый.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) получают путем совместного помола или тщательного смешивания отдельно молотых глиноземистого цемента, гипса и гидроалюмината кальция. Полученный таким способом цемент быстро схватывается и твердеет.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент должен обладать следующими свойствами: начало схватывания не ранее чем через 4 мин, конец не позднее чем через 10 мин с момента затворения цемента водой." Для замедления сроков схватывания можно применять специальные добавки (сульфитно-спиртовую барду, уксусную кислоту, буру). Предел прочности на сжатие (в кН/см2) через 6 ч — 0,75, через 3 сут.— 3, через 28 сут.— 5; полная водонепроницаемость под давлением воды до 0,5 МПа; величина расширения (в %) не менее: на воздухе — 0,05, в воде — 0,2.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент применяют для гидроизоляции конструкций зданий и сооружений; заделки стыков сборных конструкций и труб; зачеканки швов и трещин в бетонных и железобетонных конструкциях; заливки отверстий анкерных болтов в фундаментах под конструкции и оборудование; заливки зазоров между станинами машин и фундаментами; при аварийных и ремонтных работах, бетонных и железобетонных работах, выполняемых в зимних условиях.

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент получают путем совместного помола высокоглиноземистого доменного шлака и гипса (доменного шлака принимают в количестве 70%, гипса — 30%).

Полученный таким способом цемент быстро твердеет, но относительно медленно схватывается.

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент должен обладать следующими свойствами: начало схватывания не ранее чем через 20 мин конец не позднее чем через 4 ч с момента затворения цемента водой; по пределу прочности на сжатие образцов, изготовленных из цементно-песчаного раствора и испытанных в возрасте 28 сут., цемент имеет марки — 300, 400 и 500; величина расширения не менее 0,15% через 1 ч после конца схватывания; имеет полную водонепроницаемость.

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент можно применять не только в случаях, указанных для водонепроницаемого расширяющегося цемента, но и для получения безусадочных и расширяющихся бетонов, в том числе при строительстве резервуаров, непроницаемых для воды и нефтепродуктов.

Не рекомендуется применять расширяющиеся цементы для конструкций, эксплуатируемых при температуре выше 80° или подвергающихся действию грунтовых вод.