Глиноземистый цемент: что это, его особенности и свойства, состав и характеристики

Что называют глиноземистым цементом

Один из важнейших строительных материалов в условиях повышенной влажности – глиноземистый цемент.

Быстротвердеющее в воздушной и водной среде, это вещество с высокими прочностными показателями незаменимо в строительстве в качестве компонента высокотемпературных и гидроизоляционных растворов и бетонов.

Встречающееся название «глиноземистый портландцемент» не корректно, так как глиноземистый цемент и портландцемент – разные материалы.

В промышленности востребованы два вида алюминатного цемента – глиноземистый (ГЦ) (35% Al2O3) и высокоглиноземистый (ВГЦ) (60-80% Al2O3).

Различия между глиноземистым и портландцементом

Хотя алюминатная смесь и портландцемент имеют общее назначение, из-за разницы в минеральном составе свойства материалов значительно различаются.

Краткий перечень отличий:

набор прочности ГЦ протекает как экзотермическая реакция, которая может проходить до суток;
плотность монолита ГЦ значительно превышает показатели портландцемента;
водонепроницаемость монолита ГЦ на порядок превышает показатель классического цемента;
ГЦ достигают расчетной прочности через трое суток, портландцемент выходит на тот же показатель прочности через двадцать восемь суток;
монолит из алюминатного цемента больше подвержен деструктивному воздействию щелочной среды, чем стандартный материал.

Бетоны на портландцементе во влажной среде быстро теряют свои качества – проникая в поры, влага вызывает коррозию арматуры, а растворимые соли разрушают структуру монолита.

Глиноземистые составы лишены этих недостатков.

Выпуск алюминатного материала составляет меньше 1% от всего объема производимого цемента. Причина – дефицит сырья и высокая стоимость ГЦ.

Технические характеристики

Технические характеристики глиноземистого цемента колеблются в зависимости от того, к какой марке он принадлежит. Согласно ГОСТ 969-91, разработанному еще в 70-х годах, по прочности такой цемент подразделяют на ГЦ-40, ГЦ-50 и ГЦ-60. Также пропорции тех или иных веществ в составе зависят от того, каких свойств нужно добиться и в какой области будет использоваться цемент. Не имеет смысла приводить здесь химические формулы веществ, входящих в состав цемента, но для сравнения стоит сказать, что в обыкновенном глиноземистом цементе содержится от 35% до 55% бокситов, в то время как в высокоглиноземистом огнеупорном – уже от 75% до 82%. Как видно, разница существенная.

Что касается технических свойств, то хоть глиноземистый цемент и представляет собой быстротвердеющий вариант, однако это не должно влиять на скорость его схватывания. Согласно правилам и нормам, она должна составлять как минимум 30 минут, причем полное схватывание происходит по истечении 12 часов после нанесения (максимально). Поскольку материал имеет особую кристаллическую структуру (все кристаллы в веществе крупные), то он мало подвержен деформационным изменениям, в связи с чем и можно с уверенностью говорить о его безусадочности и относительно небольшой массе.

Различаются варианты по характеристикам и в зависимости от способа их производства. Всего представлено только два метода: плавление и спекание.

Каждый из них имеет свою специфику.

По-научному первый способ называется методом плавления сырьевой шихты. Он подразумевает несколько этапов, каждый из которых заслуживает пристального внимания. Для начала необходимо подготовить исходное сырье. После этого цементную сырьевую шихту плавят и постепенно охлаждают, внимательно следя за температурными показателями для обеспечения наилучших прочностных характеристик. В заключение полученный высокопрочный шлак дробят и измельчают, получая глиноземистый цемент.

При методе спекания все происходит наоборот: сначала сырье дробят и измельчают, и только потом подвергают обжигу. Это чревато тем, что цемент, получаемый таким образом, не такой прочный, как при первом методе выработки, однако второй вариант менее трудоемкий.

Технические параметры глиноземистого цементного состава могут варьироваться в достаточно широких пределах (это касается и химических формул вещества), но это не должно существенно сказываться на его основных характеристиках, таких как быстрота затвердевания, прочность, влагостойкость, устойчивость к деформациям. Если при изготовлении не была соблюдена технология, и часть перечисленных характеристик утеряна, то материал считается бракованным и не подлежит дальнейшей эксплуатации.

Технология изготовления

В качестве сырья для получения ГЦ используют известняки CaCO3 и бокситы с общей формулой Al2O3*nH2O.

Бокситы неоднородны по своему составу и содержат окислы алюминия (Al2O3), кремния (SiO2), железа (Fe2O3) и другие.

В производстве ГЦ используют бокситы с кремневым модулем (коэффициентом качества), который рассчитывается как соотношение Al2O3/ SiO2 %, и составляет не менее 2%.

В связи с дефицитом бокситов в России используют бокситовую железную руду, к которой добавляют известняк и железный лом. В качестве клинкеров применяют доменные гранулированные шлаки.

Использование этих материалов в качестве сырья позволяет значительно снизить стоимость алюминатных составов.

Существуют два основных метода производства высокоглиноземистого цемента.

Плавление при t-1400° С

При температуре в специальных барабанах шихту расплавляют. Дают полученному продукту остыть и измельчают до состояния мелкодисперсного порошка.

Спекание при t-1300° С

Исходное сырье измельчают до порошка и обжигают в печах. После остывания полученных гранул их перемалывают в мелкий порошок.

Внимание! Продукт, полученный методом плавления на порядок превосходит по качеству ГЦ, полученный спеканием.

Российские производители алюминатных смесей преимущественно изготавливают ГЦ методом плавления.

Технические характеристики

При выработке глиноземистых смесей, производители руководствуются требованиями ГОСТ:

ГОСТ 11052-74 регулирует цемент гипсоглиноземистый расширяющийся. Технические характеристики данного материала зависят от пропорции бокситов, в данном случае — до 55%;
Обычные глиноземистые составы марок 40, 50 и 60, а также высокоглиноземистый цемент, производят на основании ГОСТ 969-91. Содержание бокситов колеблется от 35% для стандартных типов материала и до 82% для цементов с повышенным содержанием бокситов в формуле смеси.

В зависимости от марки цемента, материал должен соответствовать следующим параметрам:

Свойства, преимущества и недостатки

Глиноземистые цементы – это темный мелкодисперсный порошок, который в воздушной и водной среде в смеси с водой образует твердеющие в короткие сроки вяжущие материалы.

Составы на их основе обладают рядом уникальных качеств:

высокой скоростью схватывания и быстрым набором расчетной прочности;
возможностью работать с растворами при низких температурах;
способностью образовывать высокопрочный монолит, обладающий огнеупорными свойствами;
индифферентным отношением к агрессивным средам (кроме щелочных).

Плюсы продукта:

по скорости схватывания и времени набора прочности на порядок превосходит лучшие показатели портландцемента;
повышенная морозоустойчивость;
отсутствие коррозии и нечувствительность к агрессивным средам;
высокие значения огнеупорности изделий;
отличная защита армирующей сетки бетонных изделий от внешних воздействий;
высокоглиноземистый и расширяющийся виды ГЦ используют в работах высокой сложности, невыполняемых другими материалам.

Минусы продукта:

высокая стоимость ГЦ, связанная с особенностью производства;
нельзя применять для заливки больших площадей – из-за выделения тепловой энергии при наборе прочности схватывание проходит неравномерно, что приводит к деструкции;
из-за выделения тепла продукт нельзя применять при температурах свыше 30° С;
разрушаются под действием щелочных сред.

Обратите внимание! Качество глиноземистого материала напрямую зависит от степени дисперсности – чем тоньше помол, тем лучше схватывание и выше характеристики прочности.

Структура и виды

В зависимости от того, какой объем примесей в веществе, цемент данного типа делится на два основных вида: обычный состав и высокоглиноземистый. Определение марки цемента осуществляется по прошествии 72 часов. Состав обычно завозится в Москву и область, другие регионы в небольших объемах, продается в специальных мешках или контейнерах по 40-50 килограммов. В зависимости от объема железа в общем составе и показателя окисления компонентов, глиноземистый цемент может быть зеленым, желтым, коричневым, черным по цвету.

Маркируется продукция ГОСТом. Выделяют три основных вида глиноземистого цемента, которые отличаются по способности выдерживать нагрузки на сжатие: марок ГЦ-40, ГЦ-50 и ГЦ-60. По прошествии 72 часов после заливки смесь ГЦ-40 набирает прочность с 22.5 (МПа через сутки) до 40 МПа. Это самая ходовая марка, актуальная для разных строительных работ. Показатель прочности ГЦ-50 достигает 50 МПа, соответственно, цемент используется в сфера топлива и энергетики. Прочность ГЦ-60 доходит до 60 МПа, данную смесь эксплуатируют в оборонной сфере и металлургии.

Цемент глиноземистый – это материал, который требует правильной эксплуатации. Работать со смесью желательно поручать мастерам. Цемент обладает высокой вязкостью, труднее и дольше перемешивается (если сравнивать с обычным портландцементом, к примеру), но от правильности смешивания зависят однородность и показатель стойкости бетона.

Смесь обычно готовится небольшими порциями, так как замедлить процесс твердения не удастся, а быстро использовать большие объемы бетона практически невозможно. Когда же состав начинает схватываться сразу по приготовлению, работать с ним очень трудно, да и на качестве итоговой конструкции это может сказаться.

Глиноземистый цемент нередко используется для приготовления разных типов расширяющихся смесей, быстротвердеющих составов. Для любого такого раствора соотношение компонентов и состав вычитываются отдельно. Обычно смесь при твердении увеличивается в объеме, балансируя усадку, а также самоуплотняется. Чтобы получить данные смеси, глиноземистый цемент смешивают с разными добавками.

Особые виды ГЦ:

с гипсом и дробленым шлаком – схватывается быстро, расширяется в воде.
Водонепроницаемая смесь с минимальной усадкой – в цемент добавляют полугидрат гипса и гашеную известь, что позволяет получать материал, актуальный для эксплуатации в гидроизоляционных работах.
Расширяющийся водонепроницаемый цемент – быстро набирает прочность, используется для гидроизоляции судоходных шлюзов, туннелей, трубопроводов, бассейнов и т.д.

https://youtube.com/watch?v=iiiJ3BWPxnE

Применение глиноземистых материалов

Хотя ГЦ обладает целым рядом преимуществ в сравнении с традиционным цементом, широкого применения он не нашел. Причиной ограниченной области использования продукта является высокая цена – он в 3-5 раза дороже стандартного цемента.

Поэтому глиноземистые смеси применяют только там, где использование более дорогого материала оправдано его специфическими свойствами.

Глиноземный цемент незаменим при выполнении следующих работ:

при ремонтных работах по восстановлению элементов гидротехнических сооружений, в том числе гидроизоляции очистных сооружений;
как гидроизоляционный материал при тампонаже нефтяных скважин;
в судоходстве для устранения пробоин корпуса;
гидроизоляции аварийных протеканий канализационных и водопроводных сетей;
при ремонте душевых комнат и бассейнов;
для получения раствора, способного твердеть и обретать прочность за короткое время – 1, 2 или 7 суток;
для получения гидроизоляционной штукатурки;
при возведении конструкций, в процессе эксплуатация которых предусмотрен контакт с агрессивными средами (исключая щелочные);
для антикоррозионной защиты сетки арматуры;
при изготовлении отдельных изделий и бетонов с огнеупорностью до 1700° С.

Благодаря своим свойствам, ГЦ используется в строительстве как компонент расширяющихся, огнеупорных, быстротвердеющих, напрягающих и других специальных составов.

Благодаря огнеупорности алюминатные составы широко используют в металлургии как составная часть жаропрочных сухих смесей и бетонов.

Где применяется

Свойства материала определяют сферу его применения — строительство зданий и сооружений, работающих в воде или условиях высокой влажности. Гидростойкий цемент требуется при возведении следующих объектов:

плотин;
подземных емкостей, бункеров, тоннелей;
канализационных систем;
доков;
опор мостов;
причалов и иных сооружений речных портов.

Пуццолановый портландцемент также рекомендован к применению при возведении объектов, подверженных воздействию минерализованных грунтовых вод. Это могут быть как жилые, так и промышленные здания, непрерывно находящиеся под воздействием агрессивной среды. Материал используют для возведения водопроводных коммуникаций и комплексов водоотведения: шлюзов, оросительных каналов, систем осушения.

Пуццолановый цемент подходит для создания бетонов с помощью технологии пропаривания. Таким образом создаются прочные, коррозионностойкие конструкции.

Глиноземистый цемент и цементы на его основе

Появление глиноземистого цемента относится к началу XX в. и родиной его считается Франция. В первую мировую войну свойство этого цемента быстро твердеть в любых условиях (водных и воздушных) позволило в течение 1 сут. возводить бетонные и железобетонные оборонительные сооружения. Глиноземистый цемент получают методом сплавления или спекания (последний способ применяют редко). Сырье после обжига должно обеспечить в глиноземистом цементе преимущественное содержание низкоосновных алюминатов кальция СаО·Аl2О3; СаО·2Аl2О3; бСаО-ЗАl2О3. В глиноземистом цементе основным минералом, определяющим скорость твердения, является минерал СаО • Аl203.
Для получения глиноземистого цемента используют бокситы, содержащие значительное количество глинозема (AI2O3) и известняк или известь. В бокситах может присутствовать ряд других соединений; например, уральские бокситы содержат окись железа до 28%, железо в виде гематита — щелочи, фосфорный ангидрид, окись хрома, серу в различных соединениях и др. Структура бокситов различна. Все это осложняет разработку единого метода подбора состава сырья.

При производстве глиноземистого цемента компоненты назначает на основе практики использования различного сырья. Химический состав глиноземистых цементов: 30—50% Аl203; 35—40% СаО; 5—15% Si02; 5—10% Fe203; около 1% MgO, а также могут присутствовать Ti02, SO3, R20. Минералогический состав включает СА, С5А3, C2S, С2АS и др.

По ГОСТ 969—66 предусматривается испытание глиноземистого цемента на механическую прочность через 24 ч и 3 сут. Маркой считается прочность цемента в растворах 1 : 3 из смесей пластичной консистенции в призмах (40X40X160 мм). Цемент выпускают трех марок: 400, 500 и 600, предел прочности которых через 24 ч соответственно составляет: 200, 275 и 350 кг/см2 (10-1 МПа). Из этих данных видно, что через 24 ч на таких цементах можно получать высокие прочности, достигающие 60% марочной. По этой причине глиноземистый цемент назван быстротвердеющим гидравлическим вяжущим.

ГОСТ нормирует сроки схватывания, равномерность изменения объема и тонкость помола цемента. Опыт показывает, что в ряде случаев на стандартном глиноземистом цементе не удается получить быстрого твердения бетона или бетона запроектированной прочности в сроки, значительно превышающие 28 сут. Анализ работы ряда сооружений из бетона на глиноземистом цементе за рубежом показывает, что в бетоне протекают деструктивные процессы. По этой причине в ГОСТ 969—66 имеется указание, что предел прочности при сжатии контрольных образцов — кубиков стандартного раствора после 28-суточяого хранения (хотя он не нормируется) должен быть не меньше, чем предел прочности на марочный срок испытания (через 3 сут).

Глиноземистый цемент в отличие от других видов цемента делят на партии по 100 т (а не 500 т по ГОСТ 10178—62).

Рассмотрим некоторые вопросы, связанные с технологией получения глиноземистого цемента. В СССР разработано несколько способов получения глиноземистого цемента. В частности, из высо-коглиноземистого шлака—побочного продукта доменного процесса способом доменной плавки. Для получения высокоглиноземистых шлаков (при доменной плавке специальных сортов чугуна) применяют железистый боксит, известняк, кокс, металлический скрап. Температура плавки высокоглиноземистого шлака (1700° С) значительно выше температуры обжига клинкера портландцемента.

В зависимости от приемов обжига глиноземистого сплава изменяется и его температура, о чем можно судить по температурам в агрегатах (от 1500—1600° С расплава металлического железа при обжиге в вагранках с водяным охлаждением до 2000° С в электропечах). Из сказанного видно, что обжиг глиноземистого сплава производится в вертикальных агрегатах с относительно невысокой производительностью по сравнению с вращающимися печами. По этой причине производство глиноземистого цемента ограничено.

Для приготовления глиноземистого цемента способом спекания требуются значительно более низкие температуры обжига (около 1200—1400°С). Однако в этом случае в высокоглиноземистом расплаве часть соединений (алюминатов кальция) получается в кристаллической модификации, а минерал геленит С2Аs — в виде стекла. Установлено, что алюминаты кальция- не в кристаллическом виде теряют способность быстро твердеть, в то время как закристаллизованный геленит является инертным минералом, а геленит в стекловидном состоянии — активным продуктом обжига. Процесс формирования минеральных фаз следует организовать так, чтобы каждая составляющая приобретала свойства вяжущего. Решением этой проблемы сейчас занимаются исследовательские организации.

Для оценки качества глиноземистого цемента так же, как и для любого другого, следует считать надежными и быстрыми приемы структурного анализа: петрографию и рентгеноскопию. Расчет минералогического состава по химическому, как это делается для портландцементного клинкера, производить нельзя в силу ранее изложенных положений. В первые часы процесс твердения глиноземистого цемента (с высоким экзотермическим эффектом при упрочнении) должен протекать при температуре не выше 20° С. Повышение температуры приводит к снижению прочности (до 50— 60%). После первых 6 ч твердения при температуре 20° С последующее за ними повышение температуры бетона не вызывает деструкции цементного камня на глиноземистом цементе. Основной причиной такого снижения прочности считается возникновение перекристаллизации новообразований, получившихся при гидратации алюминатов и, в частности, гидроалюминатов кальция СаО-Аl2О·10Н2О — потеря стабильности образовавшейся структуры.

Из гексагональных пизкоосновных гидроалюминатов кальция формируются соединения, аналогичные образующимся при гидратации минерала С3А в портландцементе, с кристаллами кубической, более устойчивой, формы — его гидратные соединения С3АН6. Считается, что в деструкции цементного камня участвует и выделяющаяся из кристаллогидратов ничем не связанная вода. Тот же процесс, по-видимому, может протекать в жарком климате длительный период времени.

Однако, если известны причины деструкции цементного камня, то нет достаточных данных о причинах разрушения сооружений, возведенных десятки лет назад. Например, неизвестно, в каких температурных условиях протекал первый период гидратации цемента вслед за его затвердеванием и какие составы цемента были применены. Следует иметь в виду и другие особенности этого цемента, без учета которых его не следует применять. Например, особое значение для производства работ имеют сроки потери пластичности бетонной смеси (что, естественно, связано со сроками схватывания цементов). Известно, что регулирование сроков схватывания портландцементов достигается с помощью гипса, а глиноземистого цемента — с помощью иных добавок. Часть их не только удлиняет сроки схватывания, но и тормозит, а в определенных пределах прекращает твердение (например, 1% сахара). К доступным замедлителям схватывания относятся соляная кислота, ее соли (NaCl, КСl и др.). Ускоряют сроки схватывания портландцемент, известь, серная кислота, ее соли и др. По указанной причине глиноземистый цемент нельзя хранить в одном складе с портландцементом.

Из-за изменения прочности глиноземистых цементов при твердении после затворения в условиях температур выше 20° С нельзя применять пропаривание и электрообогрев бетонов на таких цементах. Осложняются и условия зимних работ. Действительно, при отрицательных температурах нельзя подогревать воду, так как ввиду высокой зкзотермии цемента, значительно более высокой, чем портландцемента, будет нарушено условие твердения за первые 6 ч. Бетонирование массивных конструкций на глиноземистом цементе также недопустимо по указанной причине.

Бетоны на глиноземистых цементах обладают повышенной химической стойкостью в мягкой воде, в воде, насыщенной сульфатами натрия, кальция, магния, алюминия, в морской воде, в минерализованных и болотных водах (кислых, содержащих углекислоту) и других водных средах. Бетоны на глиноземистом цементе при соблюдении правил рационального проектирования имеют высокую морозостойкость, исчисляемую тысячами циклов, высокую водонепроницаемость и низкую ползучесть.

Свойства цементов, полученных как на основе глиноземистых цементов, расширяющихся, напрягающих и др., так и на портландцементе, можно менять в нужном направлении путем введения добавок. Для строительства требуются разнообразные вяжущие, в том числе такие, которые при твердении на воздухе будут расширяться и создавать напряжение в арматуре. Безусадочные и расширяющиеся цементы могут быть изготовлены на базе высокоалюминатных портландцементов, содержащих большое количество гипса (близкое к эквивалентному) с С3А. Свойства гидросульфоалюминатов изучались при разработке рецептур расширяющихся и напрягающих цементов. В цементном камне требовалось создать высокоосновные гидросульфоалюминаты, стабильные в конкретных условиях работы бетона (раствора). Процесс расширения продуктов реакции должен проходить в назначаемые сроки, а возникающие при этом напряжения гасятся конструктивными приемами (стенками деталей или частей сооружения, швы между которыми заполняются расширяющимся раствором или арматурой). Разновидностью водонепроницаемого расширяющегося цемента ВРЦ является быстросхватывающееся и быстротвердеющее вяжущее, широко используемое при зачеканке швов между элементами обделки тоннелей метрополитенов. Такой цемент состоит примерно из 70—75% глиноземистого цемента, 10— 11% высокоосновного гидроалюмината кальция и 20—22% полуводного строительного гипса (CaSO4-0,5H2O).

Нормами предусмотрено: 1) при воздушном твердении цементного теста нормальной густоты через 24 ч линейное расширение — не менее 0,05%, а после 28 сут. — не менее 0,02%; 2) при водном твердении (спустя 1 ч после изготовления образец помещается в воду) через 24 ч линейное расширение — не менее 0,2 и не более 1%; за последующие 3 сут. величина дальнейшего расширения по сравнению с суточной должна составлять не больше 20%. Испытания расширяющегося цемента проводятся по особой методике, учитывающей его специфические свойства и достаточно узкую область использования. Действительно, сроки схватывания такого цемента составляют менее, чем 10 мин (начало схватывания наступает после 4 мин, следовательно, интервал периода схватывания составляет около 6 мин). Прочность расширяющегося цемента определяют не только на образцах призмах из раство|рных пластичных смесей состава 1 : 2 размером 31,5×31,5×100 мм, но и на кубиках размером 20Х20Х Х20 мм, изготавливаемых из чистого цементного теста. Формы снимают с образцов через 30 мин после затворения водой. Твердение кубиков через 1 ч после изготовления протекает в воде с температурой 20±3°С.

При испытании на водонепроницаемость образцы цементного камня на ВРЦ после 24 ч твердения при давлении до 6 ат (10-1 МПа) не должны пропускать воду. Известны следующие виды расширяющихся цементов: гипсогли-ноземистый цемент ГГРЦ из тщательно перемешанной смеси высокоглиноземистого шлака (И. В. Кравченко) не более 30% и двуводного гипса; портландцемент РГЩ из тщательно перемешанной смеси портландцемента с небольшим количеством порошка высокоглиноземистого шлака, гипса и активной минеральной добавки для связывания извести, выделяющейся при гидролизе минерала алита в портландцементе; цемент (предложенный П. П. Будниковым) из смеси портландцемента, 15% расширяющейся добавки—прокаленного при 800° С каолина, извести или гипса; гипсосиликатный расширяющийся портландцемент, состоящий из тонкомолотого портландцемента с высоким содержанием минерала С3А и двуводного гипса, добавляемого в эквимолекулярном количестве по отношению к С3А, в этом цементе алюминат полностью связан в высокооснов-ный гидросульфоалюминат.

В гипсосиликатном цементе весьма показательна роль гипса, вступающего в реакцию с трехкальциевым алюминатом. Так, из малоалюминатного клинкера (расчетного минералогического состава: 60% C3S, 13% C2S, 3,1% С3А, 19,4% C4AF и 4% гипса) были приготовлены кубики состава 1 : 0 (из цементного теста) при соотношении В/Ц = 0,3. Гипс был размолот до разной дисперсности (тонкости), чтобы доказать эффект различной скорости образования гидросульфоалюмината.

Попытка одновременного погружения в воду кубиков после 24 ч твердения во влажных условиях показала, что образцы № 3 и 4 не теряли формы, а образцы № 1 и 2 (на более грубоизмолотом гипсе) распадались. Следовательно, о процессе твердения нельзя судить только по количеству введенного гипса. В этом опыте показано, что один и тот же цемент даже с минимальным содержанием минерала С3А из-за изменения дисперсности гипса меняет связность своих новообразований, которая при этом не всегда характеризуется изменением предела прочности. Как видно из изложенного, свойства цементов этого вида являются результатом организации направленного образования структуры цементного камня, в котором создается напряженное состояние вследствие образования высокоосновного гидросульфоалюмината 3CaO-Al203-3CaSO4 З1H2О в среде с высоким содержанием извести — в жидкой фазе, насыщенной известью; это обеспечивает их стабильность (невозможность последующего растворения в жидкой фазе) и быстрый рост кристаллических новообразований. При образовании гидросульфоалюмината кальция при низкой концентрации извести и растворении низкоосновных гидроалюминатов кальция объем образцов незначительно увеличивается, поэтому этот цемент не используют при заполнении полостей омоноличивания конструкций высокой водонепроницаемости.

Ведутся исследования в области получения расширяющихся цементов с нормированной величиной линейного расширения, позволяющей передавать напряжение от растяжения бетона на арматуру независимо от ее размещения. Следовательно, появляется возможность изготовлять некоторые сборные напряженно-армированные конструкции, не прибегая к натяжению арматуры механическим, термическим или комбинированным термомеханическим приемами. Из-за сложности определения величину напряжения арматуры не измеряют, о ней судят по величине расширения. Такой напрягающий цемент состоит из 65—75% портландцемента, 13—20% глиноземистого цемента и строительного (СаSO4-О.5Н2О) или природного гипса (CaS04 • 2Н20).

Глиноземистый цемент можно заменить алунитом — горной породой, в которой содержится основная соль сульфата алюминия и калия. Рост напряжения вызывается гидротермальной обработкой изделий (пропариваяием), при этом прочность бетона после обработки изделий систематически растет. В США напрягающие цементы применяют для строительства бетонных полов зданий и в дорожном строительстве. Напряжения этих цементов должны точно рассчитываться путем применения совершенной технологии приготовления цемента с соблюдением составов указанных материалов и растворных смесей. Расход цемента значителен и достигает 800 кг/м3. Сроки схватывания напрягающих цементов регулируются содержанием CaSO4-0,5H20 (по техническим условиям начало схватывания — более 2, а конец — менее 6 мин) и CaSO42H20 (соответственно 8 и 25 мин). В частности, при изготовлении самонапряженных железобетонных труб растворная смесь наносится на металлический сердечник путем торкретирования. В ряде случаев приготавливают смешанные глиноземистые цементы по аналогии со специальными портландцементами. Напрягающие цементы предложены и изучаются В. В. Михайловым с сотрудниками.

Смешанные глиноземистые цементы можно изготавливать с различными минеральными добавками, которые вводят для регулирования свойств. Ангидрито-глиноземистый цемент, содержащий 25— 30% ангидрита CaS04 (предложен П. П. Будниковым), приобретает высокую прочность при твердении в любых температурах. Такой цемент имеет высокую коррозиеустойчивость в минерализованных водах и позволяет получать при пропаривании более высокую прочность, чем при твердении в стандартных условиях, низкую водопо-требность (нормальную густоту теста примерно при 20% воды); сроки схватывания близки к стандартным для портландцемента.

Для повышения качества глиноземистого цемента, чтобы исключить образования при обжиге клинкера инертного минерала геленита С2АS, в сырьевую массу вводят гипс, что проще, чем использование только бокситов с пониженным содержанием кремнезема, который связывает часть глинозема. В таком цементе образуется гидравлически активное соединение 3(СаО-Аl2О3)СаS04. Если в сырьевой смеси соотношение окислов Аl2О3 и SiO2 меньше трех (когда применяется некондиционный боксит), такой цемент, названный белито-глиноземистым, содержит повышенное количество белита и быстро упрочняется. К цементу по разным причинам приходится добавлять порошки из обычных шлаков и другие инертные минеральные порошки, тогда он становится менее прочным и меньше выделяет тепла.

Как портландцемент с минеральными добавками, так и глиноземистый цемент с добавками является смешанным. Показатель модуля упругости изменяется в зависимости от В/Ц, составов раствора и цемента при одной и той же исходной прочности. И в этом случае нельзя считать, что между прочностью и модулем упругости материала для раствора (бетона) всех составов существует прямая зависимость (показатель прочности глиноземистого цемента состава 1 : 3 через 3 сут. равен 490, через 7 сут.— 501 и 28 сут. — 500 кг/см2 (10-1 МПа), а для глиноземистого с песком все цифры соответственно количеству введенной минеральной добавки будут меньше). Рост В/Ц с 0,38 и 0,36 до 0,46 и 0,44 у любого цемента сказывается на показателе механической прочности (ее уменьшении), как и на значении модуля упругости. Материал стал более пористым из-за увеличения в цементном камне количества свободно испаряющейся воды и как бы более упругим. В жирных составах раствора с соотношением цемента к песку 1 : 1 модули упругости образцов при близких значениях В/Ц (0,38 и 0,36; 0,46 и 0,44) в пределах точности опыта можно считать весьма близкими. Следовательно, состав цемента не выявляется из-за большого количества цемента в образцах на обоих видах цемента, обеспечивающего для каждого из них заполнение всех пустот в уплотненном песке. Уменьшение количества цемента до 1 : 2 сразу сказывается на изменении показателя модуля упругости. Увеличение содержания песка в образцах на глиноземистом цементе делает их менее деформативными, более жесткими, изменяя модуль.

Страницы:

Сфера использования

Цемент глиноземистый применяется при выполнении работ, связанных с промышленным строительством, а также в других отраслях. Материал характеризуется способностью выдерживать повышенные до 1300 градусов Цельсия температуры, сохраняя прочностные свойства, устойчивость к воздействию агрессивных факторов.

Цемент глиноземистый является вяжущим прочным веществом, используемым для жаростойких и строительных растворов, отличающийся быстрым затвердеванием на воздухе и в воде

Состав применяется для выполнения следующих задач:

строительства транспортных магистралей, мостов при ограничении времени выполнения строительных работ, когда прочностные характеристики бетона должны быть достигнуты через 2-3 суток;
аварийно-восстановительных работ, связанных с устранением последствий аварий, восстановлением строительных объектов, сооружений;
возведения оборонительных конструкций, транспортных сооружений стратегического характера;
выполнения мероприятий, связанных с возведением и ремонтом гидротехнических объектов (плотин, дамб, набережных, портов), регулярно подвергающихся воздействию агрессивной водной среды;
осуществления зимой работ, связанных с возведением бетонных, железобетонных конструкций, что обусловлено повышенным выделением тепла, ускоренным твердением при отрицательной температуре;
ускоренного строительства площадок для оборудования, фундаментов;
оперативного выполнения монтажных и ремонтных мероприятий;
ускоренной фиксации элементов анкерных креплений;
герметизации скважин, полостей, связанных с повышенным давлением жидкой среды;
изготовления жаростойкого бетона, температурные характеристики которого позволяют обеспечивать эксплуатацию при температуре до 1, 7 тысяч градусов Цельсия.;
заделки пробоин в морских судах.

Широкая область использования глиноземистого цемента делает его незаменимым в промышленном строительстве, горнодобывающей отрасли, шахтостроении, строительной химии, мостостроении, а также оборонной отрасли.

Активные минеральные добавки для пуццолановых цементов

Активными минеральными добавками называют тонко молотые вещества, которые, будучи смешаны с известью, придают ей способность после предварительного твердения во влажном воздухе твердеть затем в воде. Эти же добавки, введенные в состав обыкновенного портландцемента, связывают свободную гидроокись кальция, выделяющуюся при твердении цемента, переводят ее в нерастворимый силикат кальция и таким образом повышают стойкость цемента по отношению к действию пресных и минерализованных вод. Размолотые и смешанные с водой активные добавки (главным образом кремнеземистые) сами по себе не твердеют и этим отличаются от другой добавки доменного основного шлака. В древности на территории нашей страны применялась простейшая активная добавка к извести молотый кирпич.

В древнеримском строительстве для морских сооружений применяли вулканическую рыхлую породу пуццолану, добавляя ее к извести. Отсюда и возникло название для активных добавок пуццоланические, а для цементов с этими добавками — «пуццолановые».

В Риме применяли и толченый кирпич. Значительно позднее в Западной Европе начали применять другую природную добавку трасс. В дореволюционной России добавки толченый кирпич, доменный шлак и привозные добавки (пуццоланы) применялись в ограниченном количестве.

Активные минеральные добавки широко применяются. Большинство добавок дешевы и не требуют обжига, они улучшают стойкость цемента в агрессивных водах. По химическому составу и свойствам эти добавки относятся к кислым, так как в них преобладают соединения SiO2 и Аl2О3. Состав их (в%) удовлетворяет следующему условию: CaO+MgO : SiO2+Al2O3 меньше 1

Часть кремнезема и глинозема, содержащихся в добавках, растворяется в щелочах и поглощает известь, увеличиваясь в объеме; эту часть кремнезема (глинозема) называют растворимым или активным кремнеземом (глиноземом).

Добавки делятся на природные (естественные) и искусственные.

Природные (естественные) добавки для пуццолановых цементов

Природные добавки бывают осадочного и вулканического происхождения. Добавки осадочного происхождения состоят главным образом из аморфного кремнезема. К ним относятся горные породы диатомит и трепел.

Твердую разновидность трепела называют опокой. Имеется много месторождений диатомита и трепела, используемых цементной промышленностью (в Брянской, Московской, Саратовской и других областях).

Добавки вулканического происхождения получают путем помола трассов, туфа, пемзы и пеплов. Вулканические добавки содержат растворимого кремнезема меньше, чем осадочные. Трассы плотные, камневидные породы, богатые кремнеземом. Наиболее известен Карадагский трасс в Крыму.

Искусственные добавки для пуццолановых цементов

К искусственным активным добавкам относятся:

1. Глинистые материалы, измельченные в тонкий порошок:

а) цемянки, т. е. кирпичный бой или бой глиняных изделий; эти материалы обладают низкой активностью и в настоящее время мало применяются;
б) глинит глина, обожженная при температуре, обусловливающей наиболее сильное проявление ее активны свойств, и размолотая; обычно оптимальная температура обжига составляет 650—800°.

Цемянки и глинит не придают портландцементу стойкости по отношению к действию минерализованных вод. Поэтому их можно применять только в составе цемента, предназначенного для бетонных сооружений в пресной воде.

2. Кислые доменные шлаки

3. Кремнеземистые отходы (устаревшее название — сиштоф), богатые активным кремнеземом, получают при извлечении глинозема из глины в производстве сернокислого алюминия. Это одна из наиболее активных добавок в том случае, если она не загрязнена примесями

4. Кислые золы золы некоторых видов топлива, в составе которых преобладают кремнезем и глинозем: зола бурых углей; торфяная зола, зола горючих сланцев

5. Горелые породы получившиеся в результате подземного выгорания угольных пластов (так называемый глиеж ) или горелые шахтные породы в отвалах угольных шахт.