Получение, состав и свойства железоуглеродистых сплавов 4 страница

Третий вид - солевая коррозия. Она имеет место при действии со­лей на цементный камень. Накапливая в порах кристаллы самой агрессив­ной среды, при условии наличия испаряющей поверхности и отсутствия взаимодействия с цементным камнем (хлорид и карбонат натрия), или кри­сталлические продукты реакции цементного камня с сульфатосодержащи- ми средами вызывают начальное уплотнение и упрочнение структуры. В дальнейшем при заполнении порового пространства этот процесс сопро­вождается ростом остаточных деформаций, приводящих к разрушению ма­териала. Повысить стойкость можно в первом случае, увеличив плотность цементного камня, во втором - подобрав специальный сульфатостойкий состав портландцемента.

Все газообразные продукты, находясь в атмосфере, представляют собой кислые окислы, которые проявляют свою активность только при по­вышенной влажности воздуха, растворяясь в тончайшей пленке воды, по­крывающей поверхность материалов, и образуя концентрированные рас­творы кислот, которые разрушают цементный камень по механизму второ­го вида коррозии. Что касается органических веществ, то можно отметить интенсивное разрушение цементного камня под действием органических кислот, среднеагрессивна сырая нефть и слабоагрессивны продукты ее пе­регонки: масла, бензин и т.д.

К понятию долговечности можно отнести также такие свойства це­ментного камня, как огнестойкость и огнеупорность. Цементный камень относится к несгораемым материалам, он не плавится при температуре до 1100 ^оС. Однако заметное температурное воздействие, проявляющееся в разложении образовавшихся в процессе гидратации кристаллогидратов, сопровождаемое снижением прочности, начинает проявляться уже при 150 - 200 ^оС и резко возрастает при 500 - 700 ^оС. В связи с этим обычный портландцемент не рекомендуется применять при температурах выше 250 - 300 ^оС, т.к. при длительном нахождении в условиях этих температур падение прочности составляет более 10 %. Повысить огнеупорность можно или путем изменения состава цемента, или введением термостойких мине­ральных добавок.

4.3.3. Разновидности портландцемента

С целью придания бездобавочному портландцементу специальных свойств, расширяя тем самым его применение в строительстве, изменяют степень измельчения, корректируют используемое сырье, вводят специ­альные добавки. Наибольший объем производства приходится на порт- ландцементы с активными минеральными добавками. К ним относят­ся: рядовой портландцемент, шлакопортландцемент (ШПЦ) и пуццо- лановый портландцемент (ППЦ). Все эти цементы получены тонким из­мельчением портландцементного клинкера, состоящего из высокооснов­ных силикатов, алюминатов и алюмоферритов кальция, гипса и гидравли­ческих минеральных добавок. Последние представляют собой тонкоиз- мельченные природные или искусственные материалы, участвующие в ре­акциях гидратации портландцемента с образованием продуктов взаимо­действия, придающих определенные свойства цементному камню. К при­родным добавкам относятся такие осадочные породы, как опока, диатомит, трепел, содержащие от 70 до 90 % кремнезема (SiO₂), а также вулканиче­ские пеплы, туфы и пемзы, состоящие на 90 % из кремнезема (SiO₂) и гли­нозема (Al₂O₃). Эти добавки называются пуццолановыми.

Топливные шлаки, образующиеся при сгорании твердых видов топ­лива, и доменные металлургические и электротермофосфорные шлаки представляют собой слабо закристаллизованные стекловидные отходы.

Они составляют основной объем искусственных минеральных добавок. Шлаки обладают значительно большей химической активностью, особенно при повышенных температурах, вследствие наличия в них кремнезема, глинозема и свободного оксида кальция. Чем выше содержание этих со­единений, тем большей гидравлической активностью обладает шлак.

При введении гидравлических добавок в количестве от 5 до 20 % по­лучают рядовой портландцемент с активными минеральными добавками (ПЦ). Наличие добавок в цементе несколько снижает его стоимость, по­вышает водостойкость при фильтрации воды. Этот вид цемента, который имеет марки 400, 500, 550 и 600 является самым распространенным для из­готовления сборных железобетонных изделий и конструкций на заводе, монолитных сооружений, возводимых на строительной площадке, а также при штукатурных и кладочных работах.

При увеличении процентного ввода пуццолановых добавок вулкани­ческого происхождения (пепел, туф) или топливных зол с 25 до 40 % и до­бавок осадочного происхождения (диатомит, трепел, опока) от 20 до 30 % портландцемент получает название пуццолановый (ППЦ). Вследствие частичной замены активного составляющего - клинкера на гидравличе­скую добавку, химическая активность которой значительно ниже, пуццо- лановый портландцемент обладает меньшей интенсивностью твердения, особенно в первые сутки, пониженными тепловыделением, морозостойко­стью и воздухостойкостью. Наряду с отрицательными особенностями, этот вид портландцемента имеет и свои положительные свойства, главными из которых являются повышенная водостойкость при фильтрации воды (1-й вид коррозии) и солестойкость при действии сульфатосодержащих агрес­сивных сред (3-й вид коррозии). Это можно объяснить тем, что интенсив­ность разрушения при 1-м и 3-м видах коррозии в основном определяется наличием в цементном камне свободного гидроксида кальция, образован­ного в результате гидратации трехкальциевого силиката.

Связывание этого химически активного составляющего вводимой минеральной добавкой, перевод его в прочное гидратное соединение и обеспечивает повышенную стойкость цементного камня. Основные рабо­чие марки этого вида цемента 300 и 400. Анализ свойств гидравлического вяжущего показывает, что рациональной областью его применения являет­ся подводное и подземное бетонирование с относительно постоянным тем- пературно-влажностным режимом эксплуатации.

Введением при помоле клинкера добавки гранулированного доменно­го шлака в количестве свыше 20 % получают шлакопортландцемент (ШПЦ) ГОСТ 10178-85, с изм. Этот вид цемента, как и пуццолановый, об­ладает повышенной водо- и сульфатостойкостью вследствие аналогичного действия добавки, пониженной интенсивностью твердения в первые сутки, уменьшенным тепловыделением, но специфика состава шлака предопреде­ляет и отличительные свойства. Так, шлакопортландцемент вследствие по­вышенной химической активности шлака при увеличении температуры предпочтительнее применять в производстве сборного железобетона, под­вергаемого термовлажностной обработке для ускорения набора прочности. Высокая термостойкость шлака позволила использовать этот вид мине­рального вяжущего при производстве жаростойких бетонов, эксплуати­руемых при температуре до 700 °С. Выпускаемые марки 300, 400, 500. Об­ласть применения шлакопортландцемента: бетонные, железобетонные со­оружения и конструкции, к которым не предъявляют повышенных требо­ваний по морозостойкости. Предпочтительное использование - подводная зона гидротехнических сооружений (дамбы, мосты, молы, плотины), сбор­ные бетонные и железобетонные конструкции, жаростойкие бетоны.

Условное обозначение цемента состоит из наименования вида цемен­та, его марки и количества вводимой добавки. Например, ПЦ400-Д20 - ГОСТ 10178-85.

С целью экономии дорогостоящего энергоемкого клинкера при про­изводстве строительных растворов, низкомарочных бетонов (марок М 150 и ниже), к которым не предъявляют требований по морозостойкости, ис­пользуют так называемые кладочные или наполненные цементы. Этот вид гидравлических вяжущих получают совместным помолом клинкера (не менее 20 %), гипса, активных минеральных добавок и наполнителей: кварцевого песка, известняка, доломита в количестве до 30 %. Активность цементов в 2 - 3 раза меньше, чем у рядового портландцемента (не ниже 200 кгс/см),

однако эти цементы не дают усадочных деформаций при твердении, что очень важно при оштукатуривании поверхности.

Следующую группу составляют портландцементы с поверхностно- активными органическими добавками. Основной принцип действия до­бавок этого класса заключается в их адсорбции на поверхности цементных зерен и продуктах гидратации цемента. По своему составу и эффекту дей­ствия добавки подразделяют на гидрофильные, улучшающие смачивае­мость водой цементных зерен, и гидрофобные, придающие поверхности цемента свойство водоотталкивания. Применение добавок первого типа (СДБ, СПС) в количестве 0,15 - 0,3 % от массы цемента приводит к разъе­динению (диспергированию) цементных частиц, покрытых тонкой водной оболочкой, что обеспечивает повышенную пластичность цементного теста без увеличения расхода воды. Такой портландцемент называют пласти­фицированным (ПЛ). Пластифицированный портландцемент применяют или для повышения пластичности смеси и облегчения формовки изделий, или (при снижении расхода воды и сохранении заданной пластичности) повышения плотности, прочности и морозостойкости цементного камня. К поверхностно-активным органическим добавкам относятся также полу­чившие широкое мировое признание суперпластификаторы. Это чаще все­го искусственно полученные вещества (С-3), хотя в ряде случаев они могут быть изготовлены и путем химической переработки промышленных отхо­дов химических производств. Например, путем сульфирования отходов нефтепереработки - тяжелых смол пиролиза (СНПИ). Вследствие вещест­венной и структурной особенностей этих органических соединений пла­стифицирующий эффект их по отношению к минеральным вяжущим, в ча­стности цементу, проявляется в значительно большей степени. Путем вве­дения суперпластификаторов в мельницы при помоле клинкера получают вяжущее низкой водопотребности (ВНВ), обеспечивающее формуемость смеси при сокращении расхода воды до 20 %. По вещественному составу ВНВ подразделяют на бездобавочные чистоклинкерные, с вводом при по­моле гипса, и с минеральными добавками. Ввод суперпластификаторов в шаровые мельницы сокращает время помола смеси в два раза, значительно снижая энергозатраты. Полученный цемент обладает повышенной актив­ностью, позволяющей в первые сутки твердения набрать прочность, в три раза превышающую прочность аналогичного цемента без добавок. В зави­симости от содержания клинкера выпускают ВНВ-100 - чистоклинкерный, ВНВ-50 и ВНВ-30 с 50 и 30 % клинкера соответственно. Применение ВНВ-100 позволяет отказаться от ТВО, т.к. требуемая отпускная норма­тивная прочность, составляющая для сборного железобетона 22,6 МПа, достигается за 8 часов твердения в естественных условиях. Его использу­ют также для получения высокомарочного бетона класса В45 и выше.

Значительное сокращение воды затворения при сохранении заданной пластичности цементного теста (бетона) обеспечивает формирование мел­копористой структуры с преобладанием пор размером 0,1 - 0,01 мкм, в ко­торых вода замерзает при температуре минус 20 - 40 ^оС, что создает усло­вия для твердения цемента на морозе. ВНВ-50 эффективен для снижения температуры и времени ТВО при получении сборного железобетона класса до В45 и зимнего бетонирования с температурой наружного воздуха до минус 10 ^оС.

Применение добавок второго типа - гидрофобных (0,1 - 0,2 %), на­оборот, способствует объединению (флокуляции) цементных зерен в крупные агрегаты, а образованная водоотталкивающая пленка обеспечива­ет повышенное воздухововлечение при перемешивании смеси. Таким об­разом получают гидрофобный портландцемент (ГФ). Добавки (мыло­нафт, асидол), которые вводят при помоле клинкера, не только придают специальные свойства цементу, но и облегчают процесс помола, снижая тем самым энергозатраты. Гидрофобный портландцемент сохраняет свою активность при длительных перевозках и хранении, его применение по­вышает водостойкость и морозостойкость изделий. Определить этот вид цемента можно нанесением на поверхность капли воды, которая не должна впитываться в течение 5 мин. Условное обозначение цементов дополни­тельно включает в зависимости от класса добавки буквы ПЛ - пластифи­цированный или ГФ - гидрофобный. Например, ПЦ400-Д15-ПЛ(ГФ) ГОСТ 10178-85.

С целью ускорения набора прочности при строительстве в естествен­ных условиях, особенно при низких положительных температурах, когда процесс взаимодействия цемента с водой резко затормаживается, а также для снижения энергозатрат и ускорения оборачиваемости форм при полу­чении сборных железобетонных изделий применяют бездобавочный (клинкерный) и быстротвердеющие (Б) портландцементы. Из рассмот­ренного ранее известно, что одним из способов ускорения твердения ми­неральных вяжущих является увеличение тонкости его помола и целена­правленный подбор минералогического состава. Именно это и использо­вано при получении высокоактивных минеральных вяжущих.

Минералогический состав быстротвердеющих цементов отличается повышенным содержанием минералов QS и С₃А, обеспечивающих на­чальный рост прочности в системе портландцемент - вода. Так как реак­ция гидратации этих минералов происходит с большим выделением тепла, то следовательно и цементы обладают повышенной экзотермией. Наблю­даемый эффект используют при зимнем бетонировании, но в то же самое время он ограничивает применение этих цементов при возведении массив­ных бетонных конструкций, т.к. неравномерный разогрев бетона с поверх­ности и в объеме дает резкий перепад температур, приводящий к перена­пряжению и, как следствие, к появлению трещин. Повышенное содержа­ние СзS и СзА наряду с положительным эффектом ускорения набора прочности (60 - 70 % от марочной в трехсуточном возрасте) несет на себе и такой отрицательный, как снижение сульфатостойкости цементного камня, т.к. продукты гидратации именно этих минералов участвуют во взаимодействии с сульфатными растворами, образуя крупнокристалличе­ские соединения, вызывающие разрушение искусственного камня. Рас­сматриваемые цементы нашли применение при получении сборных высо­копрочных преднапряженных и монолитных тонкостенных железобетон­ных конструкций.

Наличие в грунтовых водах, морской воде, технологических растворах и промышленных стоках большого содержания сульфатов предопределило создание специального вида портландцемента - сульфатостойкого. Так как основными инициаторами сульфатного разрушения цементного камня являются продукты гидратации трехкальциевого силиката - гидроксид кальция и трехкальциевого алюмината - гидроалюминаты кальция, то, следовательно, за счет снижения содержания этих минералов можно полу­чить сульфатостойкий портландцемент. Минералогический состав сульфа- тостойкого бездобавочного портландцемента отличается ограниченным содержанием С₃А до 5 %, C₃S до 50 % и С₃А + C₄AF до 20 %. К сульфато- стойким цементам согласно ГОСТ 22266-94 относятся также сульфато- стойкий портландцемент с минеральными добавками (до 20 % шлака или до 10 % горных пород осадочного происхождения), сульфатостойкий шла- копортландцемент с содержанием С3А в клинкере не более 5 % и пуццо- лановый портландцемент. Основное применение этих вяжущих - изготов­ление монолитных и сборных изделий и конструкций, условия эксплуата­ции которых связаны с действием сульфатосодержащих сред (фундамен­ты, гидротехнические сооружения и др.).

Последняя группа цементов относится к декоративным минераль­ным вяжущим и включает белые и цветные портландцементы. Всем привычный темно-серый цвет обусловлен наличием в портландцементе соединений железа, марганца и хрома, которые содержатся в исходном сырье, следовательно, чтобы получить белый портландцемент, необходи­мо предъявить жесткие требования к чистоте используемого сырья - из­вестняку и глине. Сырьем для производства белого портландцемента слу­жат светлоокрашенные карбонатные породы: доломит, мел и чистые белые каолиновые глины. При помоле полученного клинкера вводят гипс и ак­тивные минеральные добавки осадочного происхождения светлых тонов. По вещественному составу цементы подразделяют на бездобавочный бе­лый портландцемент (БПЦ) и с добавками (активными минеральными на­полнителями не более 20 %). В зависимости от степени белизны, оцени­ваемой коэффициентом отражения света в процентах, выпускают цементы первого (80 %), второго (75 %) и третьего (70 %) сорта.

Пример условного обозначения: портландцемент белый 2-400-Д20 - ГОСТ 965-89. Цифра 2 показывает, что цемент по степени белизны относится ко второму сорту.

Для получения цветных цементов (ГОСТ 15825-80) в исходную сырь­евую массу или в мельницу при помоле белого клинкера вводят неоргани­ческие щелоче- и светостойкие добавки, например, оксид хрома - зеленый цвет, оксиды железа - красный, желтый и коричневый, соединения ко­бальта - голубой. Декоративные цементы выпускают следующих марок: 400, 500. Они несколько медленнее твердеют, имеют меньшую коррозион­ную стойкость и морозостойкость, а также большую усадку при тверде­нии. Применяют декоративные виды портландцементов для отделки сте­новых панелей, при изготовлении лестничных ступеней и мозаичных бе­тонных полов, плит, имитирующих горные породы.

К разновидностям портландцемента относятся также безусадочный (ПЦ-400-БУС СТБ 942-93), полученный помолом портландцементного клинкера, гипса и добавок, регулирующих объемные деформации (глино­земистые шлаки). Цемент используют для гидроизоляционных работ, из­готовления воднепроницаемых бетонов и растворов.

Тампонажные портландцементы применяют для цементирования холодных (до 22 ^оС) и горячих (до 75 ^оС) нефтяных и газовых скважин. Для придания специфических свойств (замедленное схватывание, соле- стойкость, повышенная плотность) в их состав вводят минеральные добав­ки (шлак, кварцевый песок, известняк) в количестве от 10 до 70 %.