Вся электронная библиотека >>>

 Цемент  >>>

 

 

Специальные цементы


Раздел: Строительство

 

ГЛАВА ДЕВЯТАЯ. ЦЕМЕНТЫ В УСЛОВИЯХ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ

  

При пропаривапии портландцемента повышается его прочность. С увеличением температуры пропаривания продолжительность индукционного периода, как показали исследования С. М. Рояка и М. М. Маянца [155], заметно уменьшается и увеличивается скорость образования гидросиликатной фазы ( 21), которая проходит через минимум при температуре около 323 К-

Время появления гидрос'иликата зависит от изменения концентрации ионов Са2+ и ОН1-" в жидкой фазе цементного теста и ускорения диффузии этих ионов с повышением температуры. При гидратации C2S в жидкой фазе весьма медленно устанавливается равновесная концентрация гидрокснда кальция, необходимая для образования гидросиликатов. Влияние тепловлаж- ностной обработки C2S на скорость достижения такой равновесной концентрации извести видно из следующих данных [55].

Тслгпсратура обработки, К Время достижения [температура 1 Время достижения равновесной концепт- обоаботки К равновесной концентрации Са(ОН)2 || рации Са(ОН)2

Проиаривание C2S при 323 К вызывает образование метастабильной фазы I не описанного в литературе гидросиликата кальция с' основностью C:S выше 2. Пропаривание при 343—363 К не приводит к образованию этой фазы. После исчезновения фазы I появляется фаза II, характеризующаяся меньшей основностью. С повышением температуры гидратации до 363 К основность гидросиликатной фазы несколько уменьшается. В результате образуются гидросиликаты кальция. При пропаривании образцов из СзА быстро появляется кубический СзАНб. В тех же условиях гидратация C4AF приводит к образованию серии твердых растворов СзАН6—C3'FH6. При длительном пропаривании в условиях высокой температуры появляется гематит — a-Fe203 [22].

При гидратации смеси C3S + C3A либо алюминатных фаз индукционный период практически отсутствует из-за сильного разогрева смеси, причем максимальная температура наблюдается в тот период, когда в системе уже появилась гидросиликатная фаза. Если в смеси содержится гипс, то из-за образования гидросульфоалюмината кальция разогрева не происходит, причем реакции, ведущие к возникновению индукционного периода при гидратации C3S, протекают так же, как и в отсутствии СзА.

Характер связи между степенью гидратации и прочностью проявляется, по данным С. М. Рояка и М. М. Маянца, в показателях удельной прочности, характеризуемой отношением прочности теста нормальной густоты на сжатие к степени гидратации ( 22).

Видно, что тепловлажностная обработка по-разному влияет на прочность цементного камня нз основных клинкерных минералов — C3S, C2S и C4AF (у образцов из С3А она полностью разрушила цементный камень). Удельная прочность цементного камня из C3S, подвергнутого тепловлажностной обработке в течение 4 ч при 343 и 363К, оказалась примерно такой же, как у образцов C3S, твердевших 7 сут при 293 К. С увеличением продолжительности тепловлажностной обработки до 1 сут наблюдается тенденция к уменьшению удельной прочности цементного камня, что так же как и при обработке C4AF вызывается, по-видимому, перекристаллизацией продуктов гидратации. Аномалия прочности цементного камня из C3S при 323К наблюдается в широком интервале значений степени гидратации и объясняется, по всей вероятности, образованием при этой температуре промежуточной высокоосиовиой гидросиликатной фазы I.

Таким образом, можно видеть, что тепловлажност- иая обработка при температурах 353—363К не приводит к существенным изменениям фазового состава продуктов гидратации портландцемента, твердевшего после обработки в нормальных условиях, по сравнению с образцами нормального твердения. Поэтому достигаемое при пропарива- нии повышение прочности следует рассматривать в первую очередь как следствие увеличения степени гидратации портландцемента, хотя не исключено, что на нем сказалось влияние особенностей образовавшейся кристаллической структуры продуктов гидратации.

Усиление гидратации с повышением температуры приводит к утолщению экранирующих гелевых пленок из труднорастворимых гидратных новообразований, прилегающих к поверхности исходных зерен цемента, что замедляет процессы гидратации. Наблюдения за контракцией также указывают на временное торможение гидратации в период изотермического прогрева в результате утолщения экранирующих         пленок ( 24, 25). Эти явления происходят преимущественно при повышенном количестве СзА и недостаточном — гипса. Высокое содержание С3А вызывает также повышение содержания кристаллизационной воды в продукте гидратации, склонность к сильной усадке и большое тепловыделение при гидратации.

Из этого видно, что рациональное содержание гипса играет огромную роль в процессах твердения портландцемента при пропариваиии, куда большую, чем при

Степень его устойчивости при пропаривании зависит от ряда факторов и в первую очередь от концентрации извести в растворе, условий синтеза, характера кристаллизации, длительности твердения и др. [75]. При высоком содержании СзА и особо тонком помоле цемента наблюдается заметное изменение прочности цемента, что объясняют отмеченным выше распадом гидро- с'ульфоалюминатов кальция; это, по-видимому, и является одной из причин неодинаковой эффективности пропаривания портландцементов с различным содержанием С3А.

Установленное С. Д. Окороковым положительное влияние содержания СзА (примерно 15% от количества' C3S) на твердение портландцемента при нормальных температурах сохраняется и в условиях пропаривания. Можно, таким образом, считать, что при содержании в' портландцементах 55—60% C3S, количество С3А не должно превышать примерно 8—9%.

Низкоалюмннатные цементы с 5—6% СзА, не содержащие активных минеральных добавок, обнаруживают высокую прочность после пропаривания и к 28 сут. Введение в состав низко- и средцеалюминатных (не более 9% СзА) портландцементов до 10% активных минеральных добавок не снижает показателей прочности в указанные сроки. Высокоалюмипатные (10% СзА) клинкеры оказываются эффективными при пропаривании лишь в составе шлакопортландцемента. Шлако- портландцементы с 30—40% шлака при одной с портландцементом марке имеют после пропаривания более

высокую, чем у портландцемента, суточную и 28-суточ- ную прочность.

Весьма эффективны при тепловлажностной обработке шлакопортландцементы на основе клинкера, содержащие 7—9% С3А и 55—60% C3S. При высокой марке из-за увеличения удельной поверхности (более 3000 см2/м) коэффициент использования активности у всех цементов и особенно у шлакопортландцемента повышается. Применение тонкоизмельчениых высокопрочных цементов и ОБТЦ дает возможность сократить изотермическую стадию при пропаривании до 2 ч, причем' увеличение продолжительности этой стадии не во всех случаях приводит к положительным результатам. Эти цементы отличаются интенсивным ростом прочности после пропаривания, чему способствует 7—8% активной минеральной добавки, к 28 суткам они по прочности не: отличаются от цементов, твердевших при нормальной температуре. В гл. 16 приведены данные об одном из' таких цементов, содержащем клинкер, доменный шлак,' небольшое количество глиноземосодержащего компонента при несколько повышенной дозировке гипса. Этот' цемент обеспечивает получение высокой прочности при' сокращенном режиме пропаривания в связи с образованием повышенного количества гидросульфоалюминатных фаз.

С. М. Рояком, А. Ф. Черкасовой и Е. Т. Яшиной в НИИЦементе разработан ускоренный метод оценки качества цемента для сборного железобетона с применением пропаривания | 118]. Для этой цели используют стандартные образцы-балоч- ки 4X4X16 см, изготовленные в соответствии с требованиями ГОСТ 310.1—76— 310.4—76. Формы для образцов должны быть замкнутыми — недеформирующи- мися. Пропаривание осуществляют по режиму 2 +3+6+2, изотермический прогрев ведется при 363 К. Установлено, что существует удовлетворительная связь между прочностью бетона (образ- цы-кубы ЮХЮхЮ см) через 4 ч после тепловлажно- стной обработки и соответствующей прочностью цементного раствора ( 26)

Таким образом, можно видеть, что в условиях про-' паривания эффективны несколько видов цемента: высокопрочные, быстротвердеющие и особобыс'тротвер- деющие портландцементы, быстротвердеющие и высокопрочные шлакопортландцементы, расширяющийся портландцемент. Выбор того или иного цемента зависит, главным образом, от проектируемой марки бетона и прочности непосредственно после окончания теп- ловлажностной обработки. При этом учитываются и условия изготовления и применения бетона. Важным критерием является коэффициент использования активности цемента, который через 4 ч после пропаривания для портландцемента должен быть не менее 65 и для' шлакопортландцементов не менее 72.

С. А. Миронов, Л. А. Малинина [84] показали, что эффективность ускорения твердения портландцемента с помощью пропаривания зависит не только от физико-химической характеристики использованного цемента, но и от ряда других факторов. Установлено, что при тепловлажностной обработке наблюдаются два противоположных процесса — структурообразующий и деструктивный [81]. При подъеме температуры формирование крупнокристаллических гидратных новообразований ускоряется и очень быстро появляется кристаллизационный каркас. По мере пропаривания происхо

дит рост составляющих каркас кристаллов, который одновременно с повышением прочности приводит к появлению внутренних напряжений.

Это вызывает напряжения в бетоне, способствующие усилению деструктивных процессов. Ускорение гидратации при повышенных температурах усиливает тепловыделение в цементе, особенно при высоких расходах быст- ротвердеющих и высокомарочных цементов. Температура в пропаренном изделии на 281—288 К превышает температуру пропарочной камеры, что вызывает испарение свободной воды из цементного камня и его высушивание. Это способствует также развитию деструктивных процессов, которые усиливаются при неравномерном распределении температуры в крупных и сложных конструкциях.

Такие отрицательные явления можно предотвратить,1 подбирая рациональное и, по возможности, пониженное ВЩ, прибегая к предварительному выдерживанию сформованного изделия при нормальной температуре до достижения им критической прочности, составляющей примерно не менее 0,5 МПа. Продолжительность выдерживания, как показано С. А. Мироновым и Д. А. Малининой, зависит от марки цемента и кинетики нарастания прочности в начальный период твердения. Для элементарной структуры, способной противостоять' силам напряжения, возникающим в результате быстрого подъема температуры в цементном камне, характерна критическая прочность [84].

Чтобы уменьшить эти напряжения, необходим мед-' ленный и плавный подъем температуры в пропарочной камере. При этом подбирают рациональную продолжительность изотермического прогрева при весьма строгом' режиме охлаждения в зависимости от размеров и пу-' стотности прогреваемых бетонных конструкций. Во' время охлаждения в цементе (бетоне) температура и соответственно парциальное давление воды больше» чем' в пропарочной камере, что может вызвать интенсивное испарение влаги (20—40% воды затворения). В результате в цементном камне создается повышенная пористость, ухудшающая некоторые свойства цемента (бетона).

При твердении образцов из растворов на цементах без добавок трепела при температуре 353—373 К уменьшается объем микропор радиусом меньше 5-10~5 см и увеличивается содержание макропор с радиусом больше Ы0Ч см, что, по данным Ф. М. Иванова, способствует снижению морозостойкости. При охлаждении объем компонентов бетона сокращается неравномерно^ в соответствии с присущим каждому компоненту термическим коэффициентом расширения (сжатия), что вызывает растягивающие напряжения и нарушает структуру бетона.

Интересным является предложенный О. П. Мчедловым-Петросяном режим пропаривания в зависимости от скорости тепловыделения цемента при его гидратации. Сформованное бетонное изделие помещают в нагретую до 333—353 К форму и прогревают 1,5—2 ч до начала тепловыделения цемента, после чего подача теплоносителя прекращается и дальнейший нагрев происходит уже за счет тепловыделения цемента. Особенности изменения структуры и прочности цементного камня при его пропаривании оказывают большое влияние на важнейшие свойства бетона — прочность, усадку, морозостойкость, ползучесть [90]. Сложность физико-химических процессов, протекающих при тепловлажностной обработке цементов, вызывает необходимость разработки рациональной технологии пропаривания, применительно к особенностям изготавливаемого бетона, к составу используемых цементов и др.

Тепловлажностная обработка вяжущих цементов при повышенном давлении водяного пара (запаривание) осуществляется обычно при 0,9 МПа и соответственно 448 К- В последнее время установлена целесообразность применения давления пара в 1,2 и 1,6 МПа. Автоклавная обработка является способом интенс'ивного ускорения твердения вяжущих, крайне медленно затвердевающих при нормальной температуре и пропаривании. Автоклавный способ ускорения твердения наиболее глубоко изучен и отражен в трудах П. И. Боженова [15], А. В. Волжен- ского [27] и ряда других советских ученых. По этому способу могут быть получены бетоны, основным компонентом которых являются многие виды промышленных отходов — доменных и других металлургических шлаков, нефелиновых шламов, топливных, в том числе сланцевых зол и шлаков, магнезиальных пород, глинистых материалов и др.

Автоклавная обработка существенно ускоряет также твердение и портландцемента. Состав продуктов гидратации синтетического C3S в условиях автоклавной обработки зависит от температуры. При 448—473 К образуются C2SH(A), C2SH(C) И C3SH2 наряду с Са(ОН)2 в соотношениях, зависящих от условий твердения. При 433—523 К в результате гидратации j3-C2S появляется C2SH(C).

Гидратация СзА при температурах ниже 488 К приводит к образованию С3АНб; гидратация C^AF при температуре ниже 523 К сопровождается образованием твердых растворов серии Сз(А, F) Нв, гематита и Са(ОН)2. Гидратация клинкерных минералов из теста нормальной густоты в зависимости от температуры характеризуется следующими данными ( 24).

Реальные клинкерные фазы в составе портландцемента гидратируются не только в зависимости от температуры, но и от дисперсности, характера охлаждения клинкера при обжиге и других факторов. Как и при нормальной температуре в условиях запаривания гид- ратирующиеся клинкерные фазы заметно влияют друг на друга. Так, например, смесь (3-C2S и C4AF при запаривании приобретает существенно большую прочность, чем составляющие ее компоненты.

Поскольку при автоклавной обработке силикатов кальция- образуются Са(ОН)2И высокоосновные гидросиликаты кальция, обусловливающие пониженную прочность, целесообразно вводить в состав портландцемента преимущественно кварцевый песок для химического связывания Са(ОН)2 и получения, как показано выше, низкоосновных гидросиликатов кальция с'ерии CSH(B), отличающихся повышенной прочностью. Поэтому для тепловлажностной обработки при повышенном давлении изготовляют цементы, содержащие тонкоиз- мельченный кварцевый песок (песчанистые порт- ландцем енты).

Наибольшую прочность при запаривании приобретают смеси: СзЭшесок—2:1 и p-C2S:necoK — 3:1. При давлении 0,9 МПа последняя смесь дает более высокую прочность при удлинении времени изотермического прогрева, при этом связывается больше Si02. Следует подчеркнуть, что процесс запаривания активизирует гидратацию белита в большей степени, чем алита.

При гидратации песчанистого портландцемента в условиях запаривания образуется преимущественно CSH(B), являющийся продуктом гидратации в этих условиях C3S и |3-C2S. Он появляется также в результате химического взаимодействия Са(ОН)2 и кварцевого песка. Взаимодействие кварцевого песка с' СзА и C4AF приводит к образованию преимущественно гидрограиа- тов. В литературе приводятся различные данные о прочности получаемых при запаривании смесей Сз$ либо (3-C2S с песком. Для производства песчанистого портландцемента можно применять клинкеры разного химико-минералогического состава, в зависимости от которого устанавливается количество добавляемого кварцевого песка. Весьма эффективны алитовые низкоалю- минатные клинкеры.

Применение песчанистого портландцемента для получения бетонов позволяет при автоклавной обработке не только существенно экономить портландцемент, но и получать строительные изделия с высокой прочностью. Вместе с тем необходимо учитывать, что некоторые отрицательные явления, вызываемые твердением в условиях пропаривания при атмосферном давлении, еще больше проявляются при автоклавной обработке из-за более высокой температуры. Так, при запаривании образуется крупнокристаллическая структура цементного камня. При этом повышается пористость камня; расширение изделия составляет 0,3—0,4 мм/м. С целью уменьшения деструктивных процессов необходим медленный подъем температуры в автоклаве для того, чтобы нарастающая прочность камня могла противостоять им. Известный интерес представляет способ НИИЖБа, по которому с'вежеотформованное изделие в начальный период тепловой обработки подвергается некоторому внешнему обжатию в результате давления, создаваемого водяным паром, быстро поступающим в автоклав.

Цементный камень, получаемый в растворах и бетонах при запаривании, вследствие особенностей структуры отличается некоторой хрупкостью, несколько повышенной водопроницаемостью и пониженной морозостойкостью. Цементные бетоны плохо выдерживают ударные нагрузки, но обладают высокой стойкостью против ис'тирания. Обращает на себя внимание несколько замедленный рост прочности «автоклавного» бетона во времени с последующим значительным нарастанием в зависимости от влажностного состояния бетона. При высокой влажности наблюдается тенденция к понижению прочности при росте модуля упругости; высушивание приводит к противоположным результатам.

Твердение при повышенных температурах происходит в среде, не содержащей водяного пара; повышение температуры при атмосферном давлении в этих случаях достигается путем применения термоактивных форм, электропрогрева [62]. При автоклавной обработке водяной пар заменяется другим теплоносителем. Обшим важным обстоятельством является необходимость обеспечить при автоклавной обработке такие условия твердения, при которых не происходит высушивание гидра- тирующегося цемента (бетона).

 

 

СОДЕРЖАНИЕ КНИГИ:  Специальные цементы

 

Смотрите также:

 

...портландцементы - сульфалюминатно-белитовый цемент - бесалит....

Интенсивность роста прочности изделий из бетонов на быстротвердеющих цементах возрастает в условиях тепловой обработки при
При добавке к портландцементу марки 600 креита в количестве 10 % повышается его прочность через 10 ч твердения с 5 до 18 и через 28...

 

Портландцемент. Тонкость помола цемента

В результате повышаются прочность и морозостойкость бетона
Бетоны, подвергнутые тепловлажностной обработке при температуре до 100°С, в
Длительное хранение цемента Даже в самых благоприятных условиях влечет за собой некоторую потерю его активности.

 

...портландцемент ОБТЦ, сверхбыстротвердеющий цемент СБТЦ....

вяжущего, экономить клинкер и расход цемента в бетоне. Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) отличается от обычного более интенсивным
Интенсивность роста прочности бетона на быстротвердеющих цементах возрастает в условиях тепловлажностной обработки изделий...

 

Теория твердения портландцемента - коллоидная теории твердения

А. В. Волженский и Ю. Д. Чистов рассмотрели зависимость прочности и пористости затвердевшего в разных условиях цемента от дисперсности частичек
Тепловлажностная обработка портландцемента при повышенных температурах (80—200°С) вызывает не только...