Вяжущие материалы

Бетон на глиноземистом  цементе с заполнителем — глиноземистым  клинкером при водоцементном  отношении 0,5 — может достичь прочности 980 кгс/см2 за 24 ч и 1260 кгс/см2 за 28 суток. Такая чрезвычайно высокая прочность достигается благодаря вяжущим свойствам заполнителя, однако стоимость этого заполнителя очень высокая.

Следует подчеркнуть, что  ускоренное твердение не вызывает ускоренного схватывания. В действительности, глиноземистый цемент — это медленно схватывающееся вяжущее, хотя интервал между концом и началом схватывания у глиноземистого цемента меньше, чем у портландцемента. Например, средние значения сроков начала и конца схватывания у глиноземистых цементов соответственно составляют: у цемента А — 4 ч 40 мин и 5 ч 30 мин, у цемента В — 5 ч 20 мин и 5 ч 35 мин. BS 915: 1947 предусматривает, чтобы срок начала схватывания находился в пределах 2—6 ч, а срок конца схватывания наступал не позднее чем через два часа после начала схватывания. Из минералов клинкера глиноземистого цемента С5А3 схватывается в течение нескольких минут, в то время как СА схватывается значительно медленнее. Поэтому чем выше для цемента отношение С/А, тем быстрее происходит схватывание. С другой стороны, чем выше содержание стеклообразных фаз в цементе, тем медленнее он схватывается.

На сроки схватывания  глиноземистого цемента существенно  влияют добавки гипса, извести, портландцемента  и органических веществ, поэтому их не следует использовать в качестве добавок.

Вероятно, быстрое схватывание  С5А3 является в некоторых случаях  причиной потери удобоукладываемости  бетонными смесями на глиноземистом  цементе, которая наступает в  пределах 15—20 мин после начала перемешивания смеси. На рис. 2.7 показано изменение коэффициента уплотнения во времени для бетона состава 1:2:4 с водоцементным отношением 0,5. Измерение подвижности бетонной смеси по осадке конуса не рекомендуется, поскольку в отличие от портландцемента глиноземистый цемент не дает эффекта «жирной» смазки.

Можно отметить, что при  одинаковых составах бетона бетонные смеси на глиноземистом цементе  обладают лучшей удобоукладываемостью, чем смеси на портландцементе. Это  объясняется, по-видимому, меньшей суммарной поверхностью зерен глиноземистого цемента, который в результате полного расплавления сырьевой шихты при его производстве приобретает более гладкую (остеклованную) поверхность зерен, чем портландцемент.

Ползучесть бетона на глиноземистом цементе мало отличается от ползучести бетона на портландцементе, если ее сравнивать при одинаковой степени напряженности.

Влияние температуры

Высокая интенсивность  нарастания прочности глиноземистого цемента является следствием его  быстрой гидратации, которая в  свою очередь вызывает интенсивное тепловыделение. Оно может составить 9 кал/г на 1 ч твердения, в то время как у быстротвердеющего портландцемента тепловыделение за тот же период не превышает 3,5 кал/г. Однако общее тепловыделение находится в одних и тех же пределах у обоих типов цемента.

Высокая скорость тепловыделения бетона на глиноземистом цементе  обусловливает необходимость укладки  бетона лишь малыми объемами и не позволяет  бетонировать на этом цементе массивные  конструкции. Это требование является особенно важным, так как, во-первых, температурные деформации вызывают трещинообразование, что характерно также для бетонов на портландцементе, и, во-вторых, повышенная температура сама по себе отрицательно влияет на прочность глиноземистого цемента. Влияние температуры очевидно из данных табл. 2.3, где приведены значения прочности бетонов, твердевших в течение первых 24 ч при температуре 21,1 и 37,8° С и твердевших в дальнейшем при температуре 21,1° С. Эти данные подтверждают значительное снижение прочности при повышенных температурах.

Твердение во влажных условиях в  течение первых 24 ч может способствовать снижению роста температуры, хотя сами по себе влажные условия не являются необходимыми. Тем не менее интенсивный  рост прочности в интервале б—14 ч после приготовления смеси означает, что скорость гидратации в этот период очень велика и значительное количество воды затворения вступает в химическое взаимодействие. Удовлетворительная гидратация не может быть достигнута, если вода испаряется из бетона в течение первых 18 ч, даже если бетон в дальнейшем хранится в воде. Поэтому следует предохранять бетон от испарения воды с момента его укладки. После наступления конца схватывания влаж-ностные условия твердения должны поддерживаться до возраста бетона 18—24 ч.

На прочность бетона на глиноземистом цементе отрицательно влияет повышенная температура также и в позднем возрасте, если бетон хранится во влажных условиях. Это означает, что бетон, должным образом уложенный и твердевший и обладающий достаточно высокой прочностью, будет терять значительную часть своей прочности вследствие нахождения в условиях повышенной температуры и влажности.

Кубический гидрат содержит меньше кристаллизационной воды, чем гексагональный. Однако возможно, что образуется С4АН19-гидрат с большим количеством кристаллизационной воды.

Изменение прочности  можно проследить по кривым на рис. 2.8, которые характеризуют потерю прочности цементно-песчаного раствора состава 1: 5,6 с В/Ц=0,65 в результате длительного твердения в воде при температуре 40°С. Прочность этого  же раствора, твердевшего в воде при комнатной температуре, составила 520 KZCJCM2 В возрасте 3 суток и 577 кгс/см2 в возрасте 14 суток. Тот же рисунок показывает, что падение прочности происходит также при умеренно повышенных температурах, а именно 25 и 30°С. В этих испытаниях образцы помещали в условия повышенной температуры в возрасте 6 ч. Подобное воздействие было обнаружено и при хранении образцов над водой. Повышение температуры твердения в течение первых двух суток ускоряет химические реакции, повышая таким образом прочность, однако это не имеет практического значения, так как в дальнейшем прочность падает и скорость падения прочности тем больше, чем выше температура. Падение прочности может происходить в любом возрасте при повышении температуры (рис. 2.9), хотя, если температура повышается спустя 24 ч, после бетонирования, скорость снижения прочности уменьшается.

Вне зависимости от скорости падения  прочности бетон данного состава  достигает со временем определенной остаточной прочности, т. е. прочности  бетона, в цементном камне которого весь гексагональный гидроалюминат кальция уже превратился в устойчивый кубический С3АН6. Бетоны из тощих смесей характеризуются большей потерей прочности.

Кратковременное нахождение бетона в  условиях повышенных тем-ператур и  влажности вызывает лишь небольшую потерю прочности, но это воздействие носит кумулятивный характер — если превращения уже произошли, восстановление прочности невозможно.

Исследования, проведенные недавно, показали, что превращения происходят не только при температурах, превышающих определенные критические значения, но и при обычных характерных для Англии. Скорость превращений тем меньше, чем ниже температура. При обычных температурах эти превращения очень медленные. Поэтому снижение прочности обычно наблюдается только примерно через 5 лет. В длительные сроки потеря прочности, тем не менее, довольно значительна

Как упоминалось ранее, высохший бетон не подвергается деструкции, однако если повышенная температура воздействует на образец, еще содержащий воду затворения в свободном состоянии, то скорость испарения недостаточно велика для того, чтобы предотвратить процесс перекристаллизации (деструкции) цементного камня. Это справедливо даже для образцов малого размера, так как бетон высокого качества на глиноземистом цементе недостаточно проницаем, чтобы обеспечить быстрое испарение воды.

В Италии было обнаружено, что плиты аэродромных покрытий быстро разрушались под действием  выхлопных самолетных газов. Известно, что сбросы прочности бетона на глиноземистом цементе наблюдаются и тогда, когда радиационное или инфракрасное излучение воздействует на влажный бетон, например сразу после его укладки.

Из сказанного следует, что за исключением бетонов с повышенным расходом цемента и высокой прочностью бетоны на глиноземистом цементе, как правило, не следует применять в конструктивных элементах. Европейский комитет по бетону рекомендует, чтобы применение глиноземистого цемента было предметом специального рассмотрения.

Перекристаллизация гидроалюминатов  увеличивает пористость цементного камня, поэтому сбросы прочности  сопровождаются заметным уменьшением  стойкости бетона к сульфатной агрессии, но, по-видимому, на стойкости к кислотной  агрессии это не сказывается. Учитывая сравнительно небольшое снижение прочности бетона, приготовленного из жирных смесей, применение растворов на глиноземистом цементе для омоноличивания стыков сборных предварительно напряженных конструкций не является опасным, однако все же во многих странах использование бетона на глиноземистом цементе запрещено в целом ряде конструкций.

Интересный способ предупреждения отрицательного влияния превращений  гидроалюминатов предложен Будниковым. Гипс или ангидрит (CaSO4) добавляют  к глиноземистому цементу в количестве 25% веса цемента. Алюминаты (СА и С5А3) взаимодействуют с гипсом с образованием C3A-3CaSO4-H3i, но так как реакция происходит до окончания схватывания смеси и стабилизации объема, образование гидросульфо-алюмината кальция не вызывает разрушительных действий (см. раздел, посвященный сульфатной агрессии). Затвердевший цемент быстро набирает прочность и достигает высокой прочности, величина которой возрастает с ростом температуры. Цемент характеризуется также высокой стойкостью к химическому воздействию сульфатов и хлоридов. Добавка гипса способствует преодолению отрицательного влияния перекристаллизации, она в действительности изменяет природу цемента: получается новый вид цемента — ангидрито-глиноземистый цемент.

Жаростойкие свойства

Затвердевший бетон на глиноземистом цементе, нагретый до высокой температуры, обладает удовлетворительной прочностью. Сопротивление глиноземистого цемента нагреванию в сухих условиях в действительности настолько велико, что этот цемент является одним из отличных жаростойких материалов. Это в значительной степени обусловлено образованием керамического сцепления вместо цементного гидравлического. Во избежание перекристаллизации, вызываемой повышением температуры в раннем возрасте, необходимо, чтобы бетон твердел во влажных условиях при комнатной температуре в течение первых 24 ч после приготовления.

Бетон, приготовленный на глиноземистом цементе с огнеупорным  заполнителем, таким как щебень из огнеупорного кирпича, является стойким  к температурам до 1300° С. Для температур до 1600° С необходимо использовать специальные заполнители, например, плавленый глинозем или карборунд. Температуру порядка 1800° С выдерживают бетоны, приготовленные из специального белого кальциево-глиноземистого цемента с плавленым глиноземистым заполнителем. Этот цемент содержит примерно 72% глинозема, 26% окиси кальция, по 1% окислов железа и кремния. Его минералогический состав приближается к С3А5. Для сравнения можно отметить, что бетон на портландцементе не может длительно выдерживать воздействие температуры свыше 500° С.

Жаростойкий бетон на глиноземистом цементе характеризуется  хорошей стойкостью к кислотной  агрессии, и нагревание до 900—1000°  С заметно увеличивает кислотостойкость этого бетона.

Применение жаростойкого бетона более предпочтительно по сравнению с огнеупорной кирпичной кладкой, так как последняя расширяется при нагревании, что требует устройства температурных швов. Бетон на глиноземистом цементе может быть применен в монолитном или сборном исполнении (со стыками впритык) точно по требуемым форме и размеру. Потеря воды при первом нагревании вызывает усадку, примерно равную по значению термическому расширению. При охлаждении, вызванном, например, остановкой работ, стыки могут несколько приоткрываться в результате термического сжатия, однако при повторном нагревании они будут снова закрываться. При температурах до 950° С для теплоизоляции может быть использован легкий бетон на глиноземистом цементе и легком заполнителе. Такой бетон характеризуется плотностью 480—960 кгс/м2

Схватывание смеси из портландцемента и глиноземистого цемента

Как уже отмечалось, схватывание  смесей из портландцемента и глиноземистого цемента происходит ускоренно, а  при содержании одного из этих цементов в пределах 20—80% веса смеси может  произойти мгновенное схватывание. Общий вид кривых, подтверждающих эту закономерность, приведен на рис. 2.11, однако для конкретных цементов необходимо проводить пробные испытания. Ускоренное схватывание происходит в результате образования гидрата С4А при взаимодействии извести из портландцемента и алюмината кальция из глиноземистого цемента. Кроме того, гипс, содержащийся в портландцементе, может взаимодействовать с гидроалюминатом кальция, и в результате может произойти схватывание портландцемента.

Смеси этих цементов в  надлежащих пропорциях применяют тогда, когда необходимо быстрое схватывание, например для заделки течей, или в конструкциях, возводимых в зоне прилива-отлива, однако конечная прочность бетона из таких смесей весьма низкая.

Принимая во внимание только что описанное быстрое схватывание смесей из портландцемента и глиноземистого цемента, важно при изготовлении обычных бетонных конструкций быть уверенным, что эти цементы не будут смешаны друг с другом. Укладка портландцементного бетона на отвердевший бетон из глиноземистого цемента может быть произведена не ранее чем через 24 ч, а укладывать бетон из глиноземистого цемента на отвердевший портландцементный бетон следует не менее чем через 3—7 суток.

3.2 Ускорители и замедлители твердения

Некоторые свойства цемента можно изменить, если применить соответствующие добавки, что позволит уменьшить использование специальных цементов. Промышленность выпускает большое число таких веществ. Их влияние на свойства цемента указывается фирмами-изготовителями, однако конкретное действие каждой добавки должно быть тщательно проверено перед ее непосредственным применением. В этой книге будут рассмотрены только два основных и хорошо проверенных типа добавок: одного ускорителя и одной группы замедлителей. Ускоряющее или замедляющее воздействие относится к росту прочности, но не к схватыванию цемента.

Хлористый кальций

Введение хлористого кальция в состав бетонной смеси  повышает интенсивность нарастания прочности, и этот ускоритель применяют  при необходимости бетонирования  при пониженных температурах (в районах с температурой от —11 до —7° С) или при срочном ремонте.

Хлористый кальций повышает скорость тепловыделения смеси в  течение первых нескольких часов: по-видимому, он является катализатором реакции  гидратации C3S и C2S. Гидратация С3А при введении хлористого кальция в некоторой степени замедлена, однако нормальный процесс гидратации цемента не нарушается. Хлористый кальций может быть добавлен к быстротвердеющему и обычному портландцементу. Чем выше скорость твердения самого цемента, тем раньше проявляется действие ускорителя. Однако хлористый кальций нельзя использовать с глиноземистым цементом. Быстротвердеющий портландцемент в результате добавки СаСЬ может достичь прочности 70 кгс/см2 в возрасте 1 суток, в то время как обычный портландцемент может достичь этой прочности только на 3—7-е сутки. К 28-суточному возрасту прочность быстротвердеющего цемента с добавкой и без добавки СаС12 практически одна и та же, но обычный портландцемент с добавкой СаС1г обладает большей прочностью, чем без добавки.