Скачать

Глиноземистый цемент и цементы на его основе

О гидравлических свойствах низкоосновных алюминатов кальция было известно еще в XIX веке. Во Франции при исследовании способов получения сульфатостойкого цемента был получен глиноземистый цемент, который наряду с повышенной сульфатостойкостью отличался исключительно быстрым твердением и весьма высокой прочностью. Химический состав и технология получения этого цемента вследствие его замечательных свойств были засекречены французами в 1912 г. Военное ведомство использовало этот цемент в— первой империалистической войне для быстрого возведения фундаментов под тяжелые орудия, строительства пулеметных точек, а также для срочного восстановления различного вида сооружений. (1,c.22)

В Советском Союзе в результате самостоятельных исследований, проведенных группой ученых, было разработано несколько способов получения глиноземистого цемента и изучены физико-химические процессы его производства и твердения. Результаты этих работ позволили организовать производство глиноземистого цемента способом доменной плавки и рационально применять его во многих областях строительной индустрии. Глиноземистый цемент используют также как важнейший компонент при производстве нескольких видов расширяющихся цементов.

Сегодня, Россия занимает пятое место в мире по объемам производства цемента, уступая Китаю, Индии, США и Японии. Актуальность работы обусловлена большим объемом производства цемента в России, необходимостью совершенствования производства и улучшению свойств цемента.

Целью работы является изучение глиноземистого цемента и цементов на его основе. Для достижения этой цели были поставлены задачи: рассмотреть основные свойства и характеристики глиноземистого цемента, а также цементов на его основе.

Характеристика и свойства глиноземистого цемента

Глиноземистый цемент — быстротвердеющее гидравлическое вяжущее, состоящее преимущественно из моноалюмината кальция (СаО•А12О3). Свое название этот цемент получил от технического названия оксида алюминия А12О3 — «глинозем».(3,c.27)

Сырьем для глиноземистого цемента служат бокситы и чистые известняки. Бокситы — горная порода, состоящая из гидратов глинозема (А12О3 • nН2О) и примесей (в основном Fe2O3, SiO2, СаО и др.). Бокситы широко используются в различных отраслях промышленности: для получения алюминия, абразивов, огнеупоров, адсорбентов и т.п., а месторождений с высоким содержанием А12О3 очень немного.(6,c.38)

Химический состав глиноземистого цемента, получаемого разными методами, находится в следующих пределах: СаО - 35...45 %; А12О3 - 30...50 %; Fe2O3 - 0...15 %; SiO2 - 5...15 %. В минеральном составе клинкера глиноземистых цементов преобладает однокальциевый алюминат СаО • А12О3 (СА), определяющий основные свойства этого вяжущего. Кроме того, в нем присутствуют алюминаты — СА2, С12А7; двухкальциевый силикат C2S, отличающийся, как известно, медленным твердением, и в качестве неизбежной балластной примеси — геленит - 2СаО • А12О3 • 2SiO2. Внешние параметры глиноземистого цемента - это тонкий порошок серо-зеленого, коричневого или черного цвета.

Тонкость помола должна быть такой, чтобы при просеивании пробы цемента через сито с сеткой № 008 (размер ячеек в свету 0,08 мм) проходило не менее 90% от массы пробы. В соответствии с ГОСТ 969—66 глиноземистый цемент в зависимости от прочности при сжатии делится на три марки: 40, 50 и 60. Марку цемента определяют в возрасте трех суток после изготовления образцов. (1,c.18)

Глиноземистый цемент должен изготовляться в соответствии с ГОСТ 969-91 по технологическому регламенту производителя. Содержание глинозема (Al2O3) в цементе должно быть не ниже 35 %.

По прочности на сжатие в возрасте 3-х суток цемент подразделяется на марки: 40, 50 и 60. Физико-механические показатели цемента должны соответствовать указанным в таблице:

Глиноземистый цемент является быстротвердеющим, но нормально схватывающимся вяжущим веществом. Начало схватывания цемента должно наступать не ранее 30 мин, а конец не позднее 12 ч от момента затворения его водой.(3,c.42)

Глиноземистый цемент характеризуется пониженной способностью к деформации в связи с крупнокристаллической структурой формирующегося цементного камня. Кроме того, из-за наличия кубического гидратированного моноалюмината при формировании цементного камня происходит потеря массы.

Существуют два способа производства глиноземистого цемента: метод плавления сырьевой шихты и обжиг до спекания.(6,c.52)

Способ производства глиноземистого цемента методом плавления включает в себя подготовку зернистой шихты из цементного сырья, плавление, охлаждение полученного шлака, дробление и тонкое измельчение.

Способ спекания характеризуется тем, что исходные компоненты цементного сырья просушивают, тонко измельчают и перемешивают до достижения полной гомогенизации, после чего порошкообразную или гранулированную цементную шихту направляют в печь и выполняют обжиг цементного клинкера в различных печах. Далее цементный клинкер охлаждают, подвергают помолу и получают глиноземистый цемент. (4,c.26)

Основные свойства:

-быстрое нарастание прочности в раннем возрасте;

-при твердении бетона на глиноземистом цементе выделяется большое количество тепла, что позволяет использовать эти бетоны при отрицательных температурах до -10 градусов без подогрева;

-глиноземистый цемент имеет повышенную плотность цементного камня, что определяет большую устойчивость бетона против всех видов агрессивных жидкостей и газов по сравнению с бетоном на портландцементе;

глиноземистый цемент по сравнению с портландцементом является более огнестойким и термически устойчивым материалом. В смеси с огнеупорными заполнителями: шамотом, хромитовой рудой, магнезитом и др. глиноземистый цемент может быть использован для получения гидравли-чески твердеющих огнеупорных растворов и бетонов.(3,c.42)

Процесс твердения глиноземистого цемента и прочность образующегося цементного камня существенно зависят от температуры твердения. При нормальной температуре (до + 25° С) основной минерал цемента — СА взаимодействует с водой с образованием кристаллического гидроалюмината кальция и гидроксида алюминия в виде гелевидной массы:

2(СаО • А12О3) + 11Н2О = 2СаО • А12О3 • 8Н2О + 2А1(ОН)3 + Q

При твердении глиноземистого цемента основное соединение — однокальциевый алюминат, подвергается гидратации, в результате чего образуется двухкальциевый гидроалюминат. При взаимодействии глиноземистого цемента с водой не образуется гидрата окиси кальция, благодаря чему цементный камень, бетоны и растворы на глиноземистом цементе значительно лучше противостоят действию минерализованных вод; отсутствие трехкальциевого гидроалюмината повышает стойкость к сульфатной коррозии. Однако бетоны па глиноземистом цементе корродируют в кислых агрессивных средах, концентрированных.растворах сернокислого магния и в щелочных средах при концентрации щелочей более 1%. С повышением температуры твердения глиноземистого цемента сверх 25—30° С прочность цементного камня понижается, вследствие перекристаллизации двухкальциевого гидроалюмината в трех-кальциевый. Поэтому пропаривание и автоклавную обработку изделий на глиноземистом цементе не производят. (5,c.57)

При пониженных положительных температурах твердение происходит менее интенсивно, но все же значительно быстрей, чем портландцемента.

При охлаждении массы цемента (бетона) ниже -2 °С твердение его с водой практически прекращается.Поэтому для твердения необходимо обеспечить оптимальные температурные условия.

Растворы и бетоны на глиноземистом цементе водонепроницаемы, химически стойки, огнестойки, огнеупорны, термически устойчивы.(8,c.17)

Устойчивость гидратных образований в виде гидроалюминатов кальция, образующихся при твердении цементного раствора, существенно зависит от температуры и концентрации глинозема и оксидов кальция в растворе. Характерной особенностью низкоосновных гидроалюминатов кальция является их способность к перекристаллизации, при которой формируются более устойчивые кристаллогидраты.В процессе гидратации глиноземистого цемента химическая реакция взаимодействия низкоосновных алюминатов кальция с водой приводит к формированию гидроалюминатов кальция и гидроксида алюминия, который характеризуется малой растворимостью в воде, большой удельной поверхностью и положительно влияет на формирование высокопрочного цементного камня.При гидратации участвующее в реакциях оксидное железо образует гидроферриты кальция и гидроалюмоферриты кальция. Гидроксид алюминия выделяется в виде геля.

Отличительной особенностью реакции гидратации однокальциевого алюмината является высокая электротермичность. При затвореиии глиноземистого цемента высоких марок водой выделяется примерно до 376 кДж/кг (90 к кал/кг) тепла; при этом энергичное выделение тепла полностью происходит в первые часы схватывания и твердения цементного теста. Это свойство глиноземистого цемента, с одной стороны, ограничивает использование его для бетонирования массивных конструкций, с другой — может оказать положительное влияние на производство бетонных работ в зимнее время. Объемная масса глиноземистого цемента в рыхлом состоянии находится в пределах 1000—1400 кг/м3. (2,c.21)

Высокоглиноземистые цементы разработаны в НИИЦементе; получены два вида — высокоглиноземистый и особочистый высокоглиноземистый, различающиеся по малому содержанию примесей. ВГЦ при наличии 60—65% глинозема содержит 2—3°/0 кремнекислоты, а особочистый ВГЦ — 73—75% глинозема, до 1% кремнекислоты и менее 0,5% оксида железа. Последний цемент по фазовому составу отличается от ВГЦ, он состоит в основном из диалюмината кальция — СА2 и небольшого количества геленита и моноалюмината. Температура плавления его достигает 2033К.(1,c.33)

Ангидрито-глиноземистый цемент — гидравлическое вяжущее, получаемое совместным помолом высокоглиноземистого шлака (клинкера) с искусственным либо природным ангидритом. Смешивают готовый глиноземистый цемент с предварительно измельченным ангидритом, получаемым обжигом природного двуводного гипса при 873—973К. Для АГ-цемента характерно меньшее выделение тепла при гидратации, чем для глиноземистого цемента. Повышающаяся при твердении раствора и бетона температура благоприятно влияет на твердение, так как ускоряет кристаллизацию гидросульфоалюмината кальция. Образовавшиеся кристаллы гидросульфоалюмината играют роль структурного элемента в цементном камне и в определенных условиях не только предотвращают усадку, но и вызывают явления расширения. Можно считать, что АГ-цемент является одним из начальных видов семейства расширяющихся цементов, получаемых на основе глиноземистого цемента.(7,c.55)

По сравнению с портландцементом глиноземистый цемент обеспечивает получение бетонов и растворов большей плотности и водонепроницаемости. Бетоны на глиноземистом цементе морозостойки и более стойки по сравнению с портландцементом против выщелачивания, а также к растворам сульфата кальция и магния, морской и болотной воде, растворам сахара, животным и растительным маслам. Однако глиноземистый цемент быстро разрушается даже слабыми растворами солей аммония и щелочей. Его нельзя применять в щелочных средах и смешивать с известью или портландцементом. Учитывая дефицитность сырья (бокситов) и значительную стоимость глиноземистого цемента, его выпускают в сравнительно небольших количествах (менее 1 % от общего выпуска цемента), а применяют при возведении бетонных конструкций, которые необходимо быстро ввести в эксплуатацию, для срочных аварийных и ремонтных работ, а также для тампонирования нефтяных и газовых скважин, футеровки шахтных колодцев и туннелей и т. п. На основе глиноземистого цемента в смеси с жаростойкими заполнителями изготовляют бетоны, которые хорошо сопротивляются действию высоких температур (1000°С и выше). Глиноземистый цемент используют также для получения расширяющихся цементов: водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ), водонепроницаемый безусадочный цемент (ВБЦ), гипсоглиноземистый расширяющийся цемент(ГГРЦ). (8,c.51)

Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ)

Цемент ВРЦ - один из первых видов расширяющихся цементов - представляет собой быстросхватывающееся и быстротвердеющее вяжущее вещество. Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) получают смешиванием или совместным помолом глиноземистого цемента (70%), полуводного гипса (20%) и молотого специально изготовленного высокоосновного гидроалюмината кальция 4СаО-А12О3-13Н2О (10%).

Глиноземистый цемент в составе ВРЦ обеспечивает твердение и неизменность объема цементного камня. Наиболее интенсивное расширение ВРЦ происходит в течение первых суток и продолжается до 2-3 суток. (7,c.36)

ВРЦ имеет марку 500 через 28 суток, хотя уже через 6 ч твердения набирает прочность не менее 7,5 МПа. Отличается пониженной морозостойкостью и может применяться только при положительных температурах.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) применяется для гидроизоляции различных, сооружений (резервуары, шлюзы, доки, бассейны, трубопроводы, туннели, фундаменты промышленных и гражданских зданий), в которых на время производства работ фильтрующая вода может быть отведена от торкретируемых поверхностей на период в 1-2 часа. Применение этого цемента допускается для сооружений, эксплоатируемых в условиях любого влажностного режима.

Водонепроницаемый безусадочный цемент (ВБЦ)

Водонепроницаемый безусадочный цемент (ВБЦ) - быстросхватывающееся и быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тщательного смешивания глиноземистого цемента, полуводного гипса и гашеной извести. Сырьевая смесь содержит не менее 85% глиноземистого цемента. Соотношение между известью и гипсом может изменяться в пределах от 2,0 до 1,0. (6,c.36)

Водонепроницаемый безусадочный цемент (ВБЦ) состоит из тех же компонентов, что и ВРЦ, но взятых в других соотношениях. Эти цементы быстро схватываются (начало схватывания — несколько минут, конец—• не позднее 5... 10 мин) и быстро твердеют, достигая к 3 сут 60...80 %-ной марочной прочности. Они образуют цементный камень высокой водонепроницаемости (выдерживает давление воды до 0,7 МПа), за что и получили второе название водонепроницаемых цементов.

Водонепроницаемый безусадочный цемент (ВБЦ) применяется для гидроизоляции подземных сооружений (туннели различного назначения), которые в течение всего периода строительства и эксплоатации находятся в условиях повышенной влажности воздуха (75% при t=20°). Ввиду того что этот цемент является безусадочным или слабо расширяющимся лишь во влажной среде, а в сухих условиях обнаруживает усадку, нужно избегать его применения для тех сооружений, где, хотя бы временно, может создаться сухой режим.

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент (ГГРЦ)

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент производят путем помола смеси высокоглиноземистого шлака и двухводного сернокислого кальция. ГГРЦ содержит не более 30% гипса и характеризуется началом схватывания не ранее 10 минут и концом схватывания не позднее 4 часов с момента начала затворения. Для замедления схватывания используют буру, уксусную кислоту, СДБ. (5, c.36)

Сырьем гипсоглиноземистого цемента служат высокоглиноземистые шлаки моноалюминатного типа. При погружении в воду гипсоглиноземистого цемента происходит линейное расширение цемента, составляющее не менее 0,1% через 1 час после затворения и не более 0,6% через 3 суток твердения.

На начальном этапе твердения цемента ГГРЦ скорость роста прочности выше, чем у глиноземистого цемента, однако на следующих этапах рост прочности такой же, как у глиноземистого цемента. Деформационная способность ГГР-цемента незначительно больше такой деформационной способности глиноземистого цемента.(3,c.87)

Первые 3-7 суток ГГРЦ должен расширяться в водной или сильно увлажненной среде. При твердении на воздухе цемент не только не расширяется, но даже дает усадку. Иногда используется комбинированный режим твердения, при котором первые 3 суток твердение поддерживается в водной среде, а в последующем твердение продолжается в воздушной среде. При такой процедуре сначала происходит расширение, а затем усадка с незначительным остаточным расширением около 0,15%.

Степень расширения цементного раствора зависит от относительного содержания цемента и воды в растворе. если вяжущего становится меньше. Тепловлажностная обработка изделий на основе ГГРЦ существенно ускоряет процесс твердения и уменьшает степень расширения. Растворы и бетоны на основе цемента ГГР обладают высокой атмосфероустойчивостью и морозостойкостью. По экзотермии ГГР-цемент ближе к портландцементу высокого сорта, чем к глиноземистому цементу.(7,c.45)

Стойкость цемента ГГР при солевой агрессии прямо зависит от стойкости глиноземистого цемента, на основе которого изготовлен ГГРЦ. Он устойчив в морской воде, пластовых сульфатных водах и растворах сульфата магния и натрия.

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент предназначается для изготовления безусадочных и расширяющихся водонепроницаемых растворов, бетонов и гидроизоляционных штукатурок; для заделки стыков сборных бетонных и железобетонных конструкций; для омоноличивания и усиления конструкций, подливки фундаментов и заделки фундаментных болтов; для зачеканки швов и раструбов водопроводных линий при рабочем давлении до 10 атм, создаваемом не ранее 24 ч с момента окончания зачеканки.

Заключение

Цемент — это важнейший строительный материал. В строительной практике он применяется уже около 160 лет. Крупные научные открытия, послужившие основой создания новых видов цемента и улучшения качества существующих, относятся к последним четырем десятилетиям, причем большинство из них принадлежит советским ученым.

В России цемент начали производить в прошлом столетии. В начале 20 века, в России работало 60 цементных заводов общей производительностью около 1,6 млн. тонн цемента. Однако после Первой мировой войны большинство цементных заводов было разрушено. С приходом советской власти цементную промышленность России пришлось создавать практически с нуля.

Уже в 1962 году, СССР занял первое место в мире по выпуску цемента. В 1971 году выпуск цемента в стране превысил 100 млн. тонн. Цементная промышленность СССР отличалась высокой концентрацией производства. Средняя мощность цементного завода в СССР была почти в 2 раза выше, чем в США, и на 30% выше, чем в Японии.(1,c.16)

Российская цементная промышленность находится в числе самых быстрорастущих мировых индустрий с темпами около 9%, при этом в ближайшие годы можно прогнозировать увеличение темпов роста.

Сегодня главным недостатком российских цементных заводов является то, что они используют мокрый способ производства цемента, который гораздо более энергоемкий, чем используемый в развитых странах мира сухой способ. Поэтому для компаний важно постепенно переходить на более прогрессивные энергосберегающие технологии.

Список используемой литературы

1. Домокеев А.Г. Строительные материалы.- М.: Высшая школа, 1988

2. Строительные материалы: Учебно-справочное пособие./ Под ред. П.Г. Комохова, Е.М. Черньпиева.- М.: Феникс, 2005

3. Строительное материаловедение: Учебное пособие для строит. спец. вузов - 3-е изд.,стер. (ГРИФ) /Рыбьев И.А.-М.: Высшая школа, 2008

4. Горчаков Г.И., Баженов Ю.М.Строительные материалы. – М.: Высш. шк., 1986

5. Барташевич А.А. Материаловедение: Учеб. пособие / А.А. Барташевич, Л.М. Бахар. - Ростов-на-Дону: Феникс, 2005

6. Строительные материалы (материаловедение и технология): Учебное пособие / В.Г. Микульский, Г.И. Горчаков, В.В. Козлов, В.Н. Куприянов. - М.: Изд-во АСВ, 2002

7. Современные строительные материалы и товары: Справочник / Авт. сост. И. Михайлова, И. Васильев, К. Миронов. - М.: Эксмо, 2007

8. Попов К.Н. Строительные материалы и изделия: Учебник / К.Н. Попов, М.Б. Каддо. - М.: Высш. школа, 2006