Справочная энциклопедия дорожника (том III) Дорожно-строительные материалы. Под редакцией Быстрова Н.В
Подождите немного. Документ загружается.
направляют для хранения в силосы и далее на строительные
объекты.
Ориентировочное содержание основных четырех минералов в
портландцементном клинкере составляет (% по массе): алит
1
3CaOSiO
2
(C
3
S) — 40...65, белит 2CaOSiO
2
(C
2
S) — 15...40,
трёхкальциевый алюминат ЗСаОА1
2
О
3
(С
3
А) — 3...15,
четырёхкальциевый алюмоферрит 4СаОА1
2
О
3
Fе
2
О
3
(C
4
AF) —
10...20.
Трехкальциевый силикат (алит) — основной минерал
цементного клинкера — обладает большой активностью в реакции с
водой, особенно в начальные сроки, значительным тепловыделением
при твердении, быстро твердеет и набирает высокую прочность.
Двухкальциевый силикат (белит) значительно менее активен,
чем алит. Обладает низким тепловыделением при гидратации, мед-
ленно твердеет, но в течении длительного срока набирает
значительную прочность, в ряде случаев превосходящую прочность
алита.
Трехкальциевый алюминат отличается самым быстрым
взаимодействием с водой, наибольшим тепловыделением, однако
продукты его твердения имеет повышенную пористость, низкие
прочность, морозостойкость и коррозионную стойкость. Быстрое
твердение С
3
А при отсутствии в цементе добавки двуводного гипса
вызывает ускоренное схватывание цементного теста.
Четырехкальциевый алюмоферрит характеризуется умеренным
тепловыделением, медленно твердеет и набирает невысокую
прочность.
Нежелательными составными частями клинкера являются
свободные оксиды кальция и магния. Их вредное влияние
1
В отличие от химически чистых соединений С
3
S и C
2
S алитом и белитом
называют клинкерные минералы, представляющие собой твердые растворы этих
соединений с небольшим количеством (2... 4 %) MgO, Аl
2
О
3
и других оксидов.
351
1
2
3
проявляется в том, что они гидратируются очень медленно с
увеличением объёма в уже затвердевшем цементе. Содержание
свободных СаО и MgO в клинкере допускается соответственно не
более 1 и 5 %.
В клинкере присутствуют также щелочные оксиды Na
2
O и К
2
О,
переходящие в него из сырьевых материалов и золы твердого
топлива. Их вредное влияние может проявиться в тех случаях, когда
бетон изготовлен на реакционноспособных заполнителях, содержащих
аморфный кремнезем (диоксид кремния). Щелочи, реагируя с
диоксидом кремния, образуют в водной среде водорастворимые
силикаты калия и натрия с увеличением объема, что вызывает
растрескивание бетона. Кроме этого, щелочные оксиды снижают
морозостойкость бетона, уменьшают эффективность применения
химических добавок. В связи с этим нежелательно, чтобы содержание
щелочных оксидов в пересчёте на Na
2
O в цементе превышало 0,6 %.
Твердение портландцемента после затворения водой
(гидратация) обусловлено рядом химических и физико-химических
процессов, в результате которых образуются новые гидратные
соединения.
Процесс гидратации трехкальциевого силиката выражается
уравнением:
2 (3СаО SiO
2
) + 6Н
2
О = ЗСаО 2SiO
2
3Н
2
О + 3Са(ОН)
2
.
В результате образуется практически нерастворимый в воде
гидросиликат кальция и гидроксид кальция, который частично
растворим в воде.
Двухкальциевый силикат гидратируется медленнее C
3
S и при
его взаимодействии с водой выделяется меньше Са(ОН)
2
, что видно
из уравнения реакции:
2 (2СаО SiO
2
) + 4Н
2
О = 3СаО 2SiO
2
ЗН
2
О + Са(ОН)
2
.
352
1
2
3
Приведённые уравнения являются ориентировочными,
поскольку молярное соотношение СаО : SiО
2
в гидросиликатах,
образующихся при гидратации цемента, может изменяться в
зависимости от состава материала, условий твердения и других
обстоятельств. Для всех полукристаллических и аморфных гидратов
кальциевых силикатов применяется термин C-S-H. Гидросиликаты
кальция низкой основности, имеющие состав (0,8...1,5)CaOSiO
2
(1...2,5)Н
2
О обозначаются (по Тейлору) формулой C-S-H(I), гидроси-
ликаты высокой основности (1,5. ..2)CaOSi0
2
nH2O — формулой C-S-
H(II). Образование низкоосновных гидросиликатов кальция повышает
прочность и долговечность цементного камня; при возникновении
высокоосновных гидросиликатов его прочность и коррозионная
стойкость меньше.
Взаимодействие трехкальциевого алюмината с водой
приводит к образованию гидроалюминатов кальция, например:
3СаО Аl
2
О
3
+ 6Н
2
О = 3СаО Аl
2
О
3
6Н
2
О .
Реакция протекает с большой скоростью. Образующиеся
гидроалюминаты кальция создают непрочную рыхлую
коагуляционную структуру, что вызывает быстрое загустевание
цементного теста.
Для замедления сроков схватывания портландцемента в него
вводится при помоле небольшая добавка двуводного гипса. В
результате химического взаимодействия трехкальциевого
гидроалюмината с введенным гипсом и водой образуется
гидросульфоалюминат кальция (эттрингит) по схеме:
ЗСаО Аl
2
О
3
6Н
2
О + 3 (CaSO
4
2H
2
O) + (19...20) Н
2
О =
= 3СаО Аl
2
О
3
3CaSO
4
(31...32) Н
2
О
В цементном тесте, жидкая фаза которого представляет собой
насыщенный раствор Са(ОН)
2
, эттрингит сначала выделяется в
коллоидном тонкодисперсном состоянии, осаждаясь на поверхности
353
1
2
3
минерала С
3
А в виде полупроницаемых оболочек, что замедляет его
гидратацию и отодвигает сроки схватывания цемента.
Появление свободного гидроалюмината кальция и
преждевременное загустевание цементного теста предотвращается,
пока не израсходуется находящийся в растворе гипс (обычно 1...3 ч).
Двуводный гипс при правильной дозировке является не только
регулятором сроков схватывания портландцемента, но и улучшает
свойства цементного камня. Это связано с последующей
кристаллизацией эттрингита в виде длинных иглоподобных
кристаллов – после того, как концентрация гидроксида кальция в
жидкой фазе твердеющего цементного теста понижается за счёт
кристаллизации Са(ОН)
2
из пересыщенного раствора. Кристаллы
эттрингита вносят значительный вклад в раннюю прочность
цементного камня (до 1…2 суток) и уплотняют его структуру.
Четырехкалъциевый алюмоферрит и другие алюмоферриты
кальция взаимодействует с водой по сложным схемам с образованием
различных кристаллогидратов – гидроалюминатов, гидроферритов
кальция и их твёрдых растворов, например: 4CaOAl
2
O
3
13H
2
O;
3CaOAl
2
O
3
6H
2
O; 4CaOFe
2
O
3
13H
2
O; 3CaOFe
2
O
3
6H
2
O;
4CaOAl
2
O
3
Fe
2
O
3
13H
2
O; 4CaO(Al,
Fe)
2
O
3
19H
2
O; 3CaO(Al,
Fe)
2
O
3
6H
2
O и др.
Образующиеся гидроалюминаты и гидроферриты могут
связываться добавкой гипса, как и продукты гидратации
трёхкальциевого алюмината, в результате чего образуются
гидросульфоалюминаты и гидросульфоферриты кальция.
Стекловидная фаза цемента гидратируется с образованием
твёрдых растворов алюмоферритов кальция состава
3CaOAl
2
O
3
Fe
2
O
3
6H
2
O и гидрогранатов, имеющих общую формулу
3CaO(Al, Fe)
2
O
3
xSiO
2
(2-6)H
2
O.
354
1
2
3
При твердении цемента на воздухе также происходит
карбонизация гидроксида кальция при его взаимодействии с
углекислотой воздуха на поверхности цементного камня.
Указанные химические превращения протекают одновременно с
физико-химическими процессами микроструктурообразования, такими
как молекулярное и коллоидное растворение, коллоидация и кри-
сталлизация. Cуществует различное теоретическое толкование об их
характере и последовательности.
Часть исследователей (А. Ле Шателье, П.А. Ребиндер, В.Б.
Ратинов, Ю.М. Бутт и др.) объясняют твердение портладцемента
процессами растворения кристаллов в воде с образованием
насыщенных и перенасыщенных растворов с последующей
кристаллизацией из них. В то же время многие исследователи (А.А.
Байков, Д. Джефри, Х. Функ, О.П. Мчедлов-Петросян, В.В. Тимашев,
И.П. Выродов, Р. Кондо и др.) трактуют стадию взаимодействия
кристаллов с водой как топохимическую, т.е сопровождающуюся
присоединением поверхностью кристаллов молекул воды или ионов
Н
+
, ОН
-
с образованием на цементных зёрнах гидратированного слоя
небольшой толщины и последующим переходом частично или
полностью гидратированных ионов в водный раствор.
Процесс гидратации портладцемента может быть условно
разделён на несколько стадий.
В начальный период при соприкосновении частиц цемента с
водой на их поверхности сразу начинается растворение клинкерных
минералов и гипса, в результате чего жидкая фаза цементного теста
насыщается ионами Ca
2+
, SO
4
2-
, OH
-
, K
+
, Na
+
и др. В раствор
переходят также небольшие количества ионов алюминия, железа и
кремния. Быстрое насыщение водного раствора ионами Ca
2+
объясняется гидролизом C
3
S в выделением Са(ОН)
2
.
После достижение пересыщения из раствора кристаллизуются
Са(ОН)
2
(портландит) и эттрингит, которые образуют
355
1
2
3
малопроницаемые оболочки в первую очередь на участках C
3
A и C
4
AF
на поверхности цементных зёрен, благодаря чему затрудняется
диффузия воды к негидратированной части зёрен и замедляется
процесс гидратации.
Спустя приблизительно 1 ч после затворения в растворе
появляются микрокристаллы гидросиликатов кальция, которые также
участвуют в образовании экранирующих оболочек на зёрнах цемента.
Период заторможенных реакций (индукционный период)
продолжается 1…3 ч и более, затем в результате разрушения
экранирующих оболочек растущими из-под них кристаллами
эттрингита и портландита процессы гидратации вновь ускоряются.
Гидросиликаты кальция образуются на данной стадии
преимущественно в виде длинных волокон, одновременно образуется
значительное количество гидросиликатного гидросиликатного геля и
формируется каркас твердеющего цементного камня.
В дальнейшем происходит постепенное заполнение порового
пространства всё новыми продуктами гидратации и их срастание
между собой, что приводит к упрочнению системы.
На ранних стадиях твердения, пока не сформировался каркас
твердеющей системы (до схватывания теста), цементные зёрна
контактируют друг с другом через оболочки геля, и цементное тесто
обладает коагуляционной структурой. Характерной особенностью
коагуляционной структуры является ее тиксотропность, т. е.
способность обратимо разрушаться (разжижаться) при механических
воздействиях (перемешивание, вибрирование и т. д.).
Образовавшийся цементный камень представляет собой
микроскопически неоднородную дисперсную систему, названную В. Н.
Юнгом «микробетоном». Заполняющая часть в нем состоит из
внутренних частей цементных зерен, еще не вступившими в реакции,
а вяжущая - гелеобразными и кристаллическими
новоообразованиями. Количество, дисперсность, строение, физико-
356
1
2
3
химическая природа, характер и число контактов гелеобразных и
кристаллических фаз цементного камня наравне с поровой структурой
определяет свойства цементного камня.
Для твердеющего цементного теста характерно явление
контракции (стяжение) - уменьшения абсолютного объема системы
(цемент-вода), вызванное тем, что объём продуктов гидратации
несколько меньше суммарного объёма воды и твёрдых веществ,
вступающих в реакцию.
Количество воды, необходимое для полной гидратации
цемента, составляет теоретически около 20 % от массы
портландцемента, а для получения пластичного цементного теста
цемент затворяется значительно большим количеством воды (35...60
%). Испаряемая вода на разных этапах твердения постепенно уходит
из цементного камня, оставляя поры. Учитывая также, что цемент
гидратируется не полностью, а существенная его часть остаётся в
виде непрореагировавших ядер цементных зёрен в "микробетоне
Юнга", затвердевший цементный камень имеет значительную
пористость – до 35%, что отрицательно сказывается на прочности и
морозостойкости камня. В связи с этим для увеличения прочности и
долговечности цементного камня важную роль играет уменьшение
водоцементного отношения.
Скорость химических реакций, протекающих при твердении
цемента, а также полнота использования цемента и его прочность
увеличиваются при повышении тонкости помола.
При увеличении степени гидратации цемента при длительном
твердении цемента в благоприятных условиях возрастает объем
новообразований и уменьшается пористость цементного камня, при
этом повышаются прочность и долговечность бетона.
Для непрерывного повышения прочности цементного камня
необходима влажная теплая среда. Твердение практически
прекращается в сухой среде или при отрицательной температуре. При
357
1
2
3
замораживании твердеющего цементного камня, если оно произошло
уже после существенного формирования структуры и достижения
критической прочности, способен после оттаивания к дальнейшему
твердению, но в этом случае не может быть достигнута такая же
прочность, как при твердении в нормальных условиях.
Помимо выбора цемента надлежащего химико-
минералогического состава и тонкости помола ускорение твердения
бетона достигают тепловлажностной обработкой (пропариванием,
автоклавной обработкой), введением специальных добавок и их
сочетанием.
3.3 Требования к минеральным вяжущим материалам
3.3.1 Требования к гипсовым вяжущим и изделиям на из основе
Свойства низкообжиговых гипсовых вяжущих во многом
одинаковы. Главное различие состоит в прочности, что в основном
связано с их разной водопотребностью. Для получения теста
нормальной густоты гипс -модификации (строительный гипс) требует
50...70 % воды, а -модификации (высокопрочный гипс) — 30... 45 %, в
то время как по уравнению гидратации полугидрата в двугидрат
необходимо всего 18,6 % воды от массы вяжущего вещества.
Вследствие значительного количества химически несвязанной воды
затвердевший гипс имеет большую пористость — 30...50 %. При
использовании гипса -модификации пористость ниже.
Стандартом на гипсовые вяжущие, получаемые путем
термической обработки гипсового сырья до полугидрата сульфата
кальция (ГОСТ 125), установлено 12 марок по пределу прочности на
358
1
2
3
сжатие (МПа): Г-2, Г-3, Г-4, Г-5, Г-6, Г-7, Г-10, Г-13, Г-16, Г-19, Г-22, Г-
25.
В зависимости от предела прочности на сжатие различают
следующие марки гипсовых вяжущих: Г-2, Г-3, Г-4, Г-5, Г-6, Г-7, Г-10, Г-
13, Г-16, Г-19, Г-22, Г-25.
Минимальный предел прочности каждой марки вяжущего
должен соответствовать значениям, приведенным в табл. 3.2.
Таблица 3.2
Требования к прочности гипсовых вяжущих
Марка
вяжущего
Предел прочности образцов-балочек размерами
40х40х160 мм в возрасте 2 ч, МПа (кгс/см
2
), не
менее
при сжатии при изгибе
Г-2 2 (20) 1,2 (12)
Г-3 3 (30) 1,8 (18)
Г-4 4 (40) 2,0 (20)
Г-5 5 (50) 2,5 (25)
Г-6 6 (60) 3,0 (30)
Г-7 7 (70) 3,5 (35)
Г-10 10 (100) 4,5 (45)
Г-13 13 (130) 5,5 (55)
Г-16 16 (160) 6,0 (60)
Г-19 19 (190) 6,5 (65)
Г-22 22 (220) 7,0 (70)
Г-25 25 (250) 8,0 (80)
359
1
2
3
По тонкости помола, определяемой остатком (в %) при
просеивании пробы на сите с отверстиями размером 0,2 мм,
гипсовые вяжущие делятся на три группы (см. табл. 3.3).
Таблица 3.3
Требования к тонкости помола гипсовых вяжущих
Группа I II III
Помол Грубый Средний Тонкий
Остаток на сите
0,2 мм, %, не
более
23 14 2
В зависимости от сроков схватывания различают виды гипсовых
вяжущих, приведенные в табл. 3.4.
Таблица 3.4
Виды гипсовых вяжущих по срокам твердения
Вид гипсового
вяжущего
Индекс сроков
твердения
Сроки схватывания, мин
начало, не
ранее
конец, не позднее
Быстротвердеющий А 2 15
Нормальнотвердею
щий
Б 6 30
Медленнотвердею
щий
В 20 Не нормируется
В зависимости от назначения гипсовые изделия
классифицируют на плиты и панели для перегородок, листы для
обшивки стен, перегородок и перекрытий, плиты и фасонные изделия
для теплозвукозащитных и декоративных облицовок, наливные полы,
блоки и панели ограждающих конструкций.
Гипсовые стеновые блоки производят в виде полнотелых
прямоугольных параллелепипедов. В соответствии с ГОСТ 6133
гипсовые блоки подразделяются на марки: 25, 35, 50, 75. Физико-
360
1
2
3