CC BY
9ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА БЕЗГИПСОВЫХ ЦЕМЕНТОВ
В.К. Козлова, А.В. Вольф, А.А. Лихошерстов, Е.В. Божок
Разработаны составы безгипсового композиционного портландцемента повышенной сульфатосто йкости.
Ключевые слова: безгипсовый цемент
ВВЕДЕНИЕ
Одним из актуальных вопросов строительного материаловедения является обеспечение надежности эксплуатации и высокой долговечности бетонных изделий и конструкций, в том числе через разработку различных способов повышения коррозионной стойкости бетонов.
Цементный камень бетонных сооружений подвергается постоянному действию агрессивных факторов окружающей среды и разрушается значительно быстрее, чем природные горные породы. Наиболее сложным вопросом в изучении процессов коррозии является коррозия бетона в сульфатных средах. В естественных условиях редко встречается коррозия одного вида, по существу только углекислотная коррозия может быть таким примером. Все остальные виды химической коррозии неотделимы от углекислотной, в том числе и сульфатная коррозия. Поэтому сущность процессов, протекающих при сульфатной коррозии, необходимо рассматривать с учетом совместного действия агрессивных факторов.
Коррозионная стойкость бетонных и железобетонных конструкций может быть обеспечена повышением плотности бетона, снижением его водопроницаемости, введением в бетонную смесь модифицирующих добавок, способствующих уменьшению количества образующихся экспансивных фаз (эттрингита и таумасита), а также применением сульфа-тостойких цементов.
На сегодняшний день на рынке строительных материалов России сформировался дефицит специальных видов цементов, в частности сульфатостойкого цемента, в связи с расширением строительства и реконструкции гидротехнических сооружений (ГЭС, опоры мостов и т.д.). Объем выпуска сульфатостой-ких цементов составляет незначительную долю от общего выпуска цемента и не удовлетворяет потребность строительства в цементах для сульфатостойких бетонов. На строительство объектов нефтегазового комплекса значительная часть тампонажных и сульфатостойких цементов доставляется из-за рубежа.
Технология получения сульфатостойкого портландцемента сводится к ограничению содержания в клинкере трехкальциевого алюмината (менее 5%) и трехкальциевого силиката (менее 50%), что способствует снижению образования экспансивных фаз (гипса и эттрингита) в продуктах гидратации при действии сульфатной среды. Однако, уменьшение содержания структуроактивных фаз в клинкере, а также повышение количества активных минеральных добавок в составе сульфатостойких цементов приводят к снижению ранней и 28-суточной прочности цементного камня. По этой причине отечественные сульфатостойкие цементы, как правило, не отвечают требованиям международных стандартов (EN) по скорости набора ранней (2-х суточной) прочности, что также увеличивает сроки и снижает экономическую эффективность монолитного строительства зданий и сооружений.
Необходимо отметить, что минералогический состав сульфатостойких портландце-ментов, выпускаемых в России, незначительно отличается от минералогического состава рядовых портландцементов (содержание трехкальциевого алюмината на 3-4 %, трехкальциевого силиката - на 10-15 %). Такое изменение состава клинкерной части цемента способствует некоторому повышению сульфатостойкости бетонов, однако в ряде случаев имеет место разрушение бетонов. Кроме того, установлено, что сульфатной коррозии могут подвергаться даже бетоны, изготовленные на безалюминатных цементах, что связано с образованием в качестве экспансивной фазы минерала таумасита. [1]
Поэтому, весьма актуальной задачей для строительного материаловедения является разработка составов, технологии получения и физико-химических основ твердения композиционных цементов повышенной коррозионной стойкости. В качестве добавок, модифицирующих свойства цементов, предлагается использовать недорогое местное сырье.
Выполненное нами изучение устойчивости продуктов гидратации смешанных вяжущих веществ к действию углекислого газа
В.К. КОЗЛОВА, А.В. ВОЛЬФ, А.А. ЛИХОШЕРСТОВ, Е.В. БОЖОК
показало, что более активно вступают с ним во взаимодействие продукты гидратации, образовавшиеся в присутствии добавок гипса, хлористого кальция, нитрата кальция и других. Взаимодействие этих солей с продуктами гидратации клинкерных минералов приводит к образованию гидратных фаз, состав которых способен резко изменяться в присутствии углекислоты, что ведет к перестройке сложившейся структуры цементного камня. [2] Данные исследования позволили сделать вывод о необходимости получения безгипсовых цементов, обладающих повышенной коррозионной стойкостью.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для того, чтобы получить цементный камень устойчивый к совмещенной сульфокар-бонатной коррозии, уже на первых этапах гидратации цемента должны образоваться фазы, способные возникать в результате сульфатной и карбонатной агрессии. В этом случае может быть сведена к минимуму перестройка структуры цементного камня в сульфатной и углекислотной среде.
Рядом авторов установлено, что добавка молотого карбоната кальция к портландцементу и глиноземистому цементу повышает устойчивость цементного камня к карбонатной и сульфокарбонатной агрессии [3, 4]. Проведенные нами исследования показали возможность достижения большего эффекта при использовании минеральных добавок, содержащих карбонаты, и отказаться от использования гипса в качестве замедлителя схватывания.
В качестве исходного сырья при проведении испытаний использовались портланд-цементный клинкер Искитимского цементного завода, доломит Таензинского месторождения, известняк Искитимского месторождения.
Технология получения цемента заключается в следующем.
Доломит или известняк измельчали в лабораторной щековой дробилке до фракции 10-20 мм. Далее все компоненты цемента: портландцементный клинкер, доломит (или известняк) и гипс (или суперпластификатор С-3), в заданных соотношениях, подвергались совместному помолу в лабораторной шаровой мельнице до достижения удельной поверхности цемента 300-350 м2/кг и остатка на сите № 008 - 8-12%. Удельную поверхность контролировали на приборе для измерения удельной поверхности частиц ПСХ-8А.
Для выбора оптимального состава были приготовлены цементы, отличающиеся друг от друга содержанием, мас. %: добавки доломита или известняка - 20, двуводного гипса - от 0 до 5,0 или суперпластификатора С-3
- от 0 до 0,2 и портландцементного клинкера
- остальное (таблица 1).
Сроки схватывания и нормальную густоту цементного теста (НГ) определяли по ГОСТ 310.3-76, результаты испытаний приведены в таблице 1.
Далее из цементного раствора, состоящего из 1 мас. ч. цемента и 3 мас. ч. полифракционного песка, при водоцементном отношении 0,40 и консистенции раствора, характеризуемой расплывом конуса на встряхивающем столике 106 - 115 мм, готовили образцы-балочки размером 4х4х16 см. Формование образцов проводили на виброуплот-няющей установке. Образцы-балочки в формах хранились 24 часа в ванне с гидравлическим затвором, после чего расформовыва-лись и хранились в течение 27 суток в воде. Часть образцов подвергали тепловлажност-ной обработке при температуре 80 °С по режиму 3-6-3 часа.
Испытания цементов на сульфатостой-кость проводили по ускоренной методике Б.Г. Скрамтаева.
Физико-механические свойства, а также результаты испытаний на сульфатостойкость предложенных составов цемента, приведены таблице 2.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
В результате исследований установлено, что карбонатсодержащие добавки являются замедлителями схватывания цементного теста, их применение позволяет сократить или исключить использование двуводного гипса в производстве цемента. Однако составы безгипсового цемента № 4 и 8 отличаются несколько повышенной нормальной густотой цементного теста и, как следствие, более низкой прочностью при сжатии цементного камня. Введение в состав безгипсового цемента пластифицирующей добавки С-3 (составы № 5 и 9) позволяет снизить нормальную густоту цементного теста и получить прочность при сжатии соответствующую контрольному составу № 1. Полученные составы безгипсового композиционного портландцемента отличаются повышенной сульфато-стойкостью, что связано с образованием в составе первичных продуктов гидратации меньшего количества экспансивных фаз.
Таблица 2
Физико-механические свойства и сульфатостойкость исследуемых цементов
ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА БЕЗГИПСОВЫХ ЦЕМЕНТОВ
Таблица 1
Состав цемента, сроки схватывания и нормальная густота цементного теста
№ состава Соотношение компонентов, мас. % Нормальная густота, % Сроки схватывания
Портланд-цементный клинкер Шлак Доломит Известняк Гипс С-3
начало, час - мин конец, час - мин
1 75,0 20 - - 5,0 - 25,5 0-53 4-16
2 75,0 - - 20 5,0 - 24,3 0-54 4-08
3 77,5 - - 20 2,5 - 24,5 0-42 4-22
4 80,0 - - 20 - - 30,8 1-17 6-04
5 79,5 - - 20 - 0,2 24,0 1-39 6-42
6 75,0 - 20 - 5,0 - 24,3 0-52 4-38
7 77,5 - 20 - 2,5 - 24,5 0-44 5-07
8 80,0 - 20 - - - 30,8 1-43 5-55
9 79,5 - 20 - - 0,2 24,0 1-54 6-40
№ состава Предел прочности при изгибе и сжатии, МПа Количество циклов при определении сульфато- стойкости(без признаков разрушения)
при нормальном твердении при пропаривании
при изгибе при сжатии при изгибе при сжатии
2 суток 7 суток 28 суток 2 суток 7 суток 28 суток
1 3,5 4,7 6,7 13,7 28,5 40,3 4,5 27,7 14
2 3,5 5,6 6,7 17,2 35,2 42,6 4,4 27,5 22
3 3,6 5,6 6,6 18,9 35,8 42,9 4,0 25,1 22
4 2,1 3,3 4,3 10,1 20,1 28,6 2,1 12,3 24
5 3,4 5,3 6,5 16,1 32,2 41,2 4,1 25,2 26
6 3,5 5,5 6,3 16,8 34,4 40,7 4,2 26,1 22
7 3,6 5,6 6,0 19,0 35,0 41,1 3,8 22,0 22
8 1,9 3,1 4,0 8,2 18,1 27,2 2,1 12,2 24
9 3,4 5,2 5,9 16,3 31,7 40,2 3,8 21,5 26
ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
В результате испытаний предложенных составов цемента установлено, что замена доменного шлака карбонатсодержащими добавками, такими как доломит или известняк позволит:
1) получить безгипсовый композиционный портландцемент, отвечающий требованиям ГОСТ 31108-2003 «Цементы общестроительные. Технические условия»;
2) повысить раннюю и 28-суточную прочность при сжатии;
3) повысить сульфатостойкость цементов.
1. Тейлор, Х. Химия цемента [Текст] / Х. Тейлор. - М.: Мир, 1996. - 560 с.
2. Козлова, В. К. О составе продуктов гидротермального синтеза и их устойчивости при действии углекислого газа [Текст] / В.К. Козлова, Ю.В. Карпова // Материалы Международной научно-технической конференции. Ч.1. [Текст] / АлтГТУ им. И.И. Ползунова. - Барнаул, 1997. - С. 37.
3. Суворова, А. А. Влияние карбонатной и карбонатно-сульфатной коррозии на стойкость специальных цементов [Текст]. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. - М., 2002. - 15 с.
4. Пятый Международный конгресс по химии цемента [Текст]. М.: Стройиздат, 1973. - 476 с.
