Строительно-технические свойства

Глиноземистый цемент — нормально схватывающееся гидравлическое вяжущее, отличающееся от других цементов высокой прочностью, достигаемой в раннем возрасте. По внешнему виду он представляет собой тонкий порошок, цвет которого (от светло-серого до темно-коричневого) зависит от состава сырья и способа производства. Цвет нашего глиноземистого цемента доменной плавки светло-серый. Основные признаки, позволяющие распознать глиноземистый цемент,— химический состав и быстрое нарастание прочности в раннем возрасте. Реакция на фенолфталеин слабощелочная. Плотность — 3—3,1, она может достигать и 3,2; средняя плотность в рыхлом состоянии — 1000—1200 кг/м3.
Нормальная густота раствора почти не отличается от нормальной густоты раствора портландцемента и составляет 23—28%. Увеличение содержания воды в тесте на 1—2% сверх определенной по ГОСТ несколько замедляет схватывание, особенно его начало. Глиноземистый цемент характеризуется нормальными сроками схватывания, он отнюдь не быстросхватывающийся, как считали раньше. Сроки схватывания глиноземистого цемента можно значительно изменять, применяя добавки.
При этом следует учесть, что некоторые добавки неблагоприятно влияют на прочность цемента, поэтому применять их можно после соответствующих испытаний. Обращает на себя внимание сахар, который в количестве 1% и более может не только замедлить схватывание на длительное время, но и вовсе прекратить твердение.
Глиноземистый цемент равномерно изменяется в объеме, поскольку не содержит несвязанного оксида кальция. Гипса в нем мало. Объемные деформации при твердении проявляются вначале в виде некоторой усадки, затем расширения. Размер контракции составляет 10—12 см3 на 100 г против примерно 5 см3 у портландцемента. Контракция заканчивается обычно через сутки (против 7 сут у портландцемента). Объемные деформации глиноземистого цемента в процессе твердения не определялись, но они также зависят от применения добавок, рН жидкой фазы, экзотермии. Некоторое представление о размере этих деформаций можно получить по значению плотности. Так, например, сопоставление уменьшившейся плотности гпдратировапного цемента с плотностью исходного порошка цемента позволило рассчитать увеличение объема твердой фазы при гидратации, доходящее до 50%.
Тепловыделение глиноземистого цемента имеет свои характерные особенности. При твердении выделяется значительное количество тепла — 315—399 кДж/г, в отдельных случаях 504 кДж/г у цемента высоких марок и 252—294 кДж/г у цемента средних и низких марок за 28 сут твердения. Общее количество тепла находится примерно в тех же пределах, что и у высокопрочного портландцемента, но более быстрая гидратация глиноземистого цемента ускоряет тепловыделение. Экзотермические реакции начинаются не сразу после затворсния водой и даже не непосредственно после конца схватывания, а через 5—8 ч. Начавшееся тепловыделение продолжается затем столь интенсивно, что через сутки выделяется уже 70—80% общего количества тепла, тогда как у портландцемента столько же тепла выделяется обычно к семисуточному возрасту. Приращение температуры в бетоне при твердении примерно пропорционально содержанию в нем цемента. Затворяют глиноземистый цемент только на пресной воде.
Выпускается глиноземистый цемент марок 400, 500 и 600. Маркировка осуществляется по результатам испытаний стандартно изготовленных призм размером 40X40X60 мм из раствора пластичной консистенции состава 1:3 с нормальным Вольским песком, погруженных в воду через 6 ч после начала затворения и испытанных через 3 сут твердения.
По окончании схватывания цемент начинает быстро твердеть; через сутки с момента затворения прочность его составляет 80—90% прочности, получаемой в 28-суточном возрасте. После трех суток твердения прочность нарастает медленно и составляет по отношению к трехсуточной, принятой за 100%, через 7 сут — 120%, через 28 сут — 140% и через 2 мес — 160%. Нарастание прочности на изгиб не всегда идет нормально, причем возможно некоторое ее снижение к 28-ми сут. По ГОСТ цемент испытывают в возрасте 1 и 3 сут. Бетоны и растворы на глиноземистом цементе работают на сжатие лучше, чем на изгиб, что видно, в частности, из показателей прочности.
Для твердения глиноземистого цемента наиболее благоприятна температура 288—293К при нормальной влажности. Выше 293—298К независимо от причины повышения — за счет экзотермии цемента или нагрева от внешней среды, прочность цемента значительно понижается. Отрицательное влияние повышенной температуры на прочность в раннем возрасте более сильное, чем в позднем. Если после окончания схватывания твердение протекало при 303—318К, то цементный камень окажется низкопрочным. Если же начало воздействия повышенной температуры относится примерно к суточному возрасту, т. е. к уже почти отвердевшему цементу, то прочность будет понижаться, но в меньшей степени. В литературе приведены результаты натурных и лабораторных испытаний растворов и бетонов на глиноземистом цементе, длительно твердевшем в различных условиях — в воде, на воздухе, при нормальной и повышенной температуре. Они указывают на случаи снижения прочности бетона на глиноземистом цементе через 10—15 лет твердения. Было обнаружено отрицательное влияние щелочей и особенно повышенной температуры твердения, характерной для климата этих стран. В результате там применение глиноземистого цемента в строительстве существенно ограничено, хотя одновременно признается, что при правильном его использовании сооружения из него долговечны. В условиях нашего климата не зарегистрированы случаи разрушения строительных конструкций, возведенных с применением глиноземистого цемента.
Было установлено, что при твердении во влажных условиях при 318К прочность понизилась, но при последующем твердении на воздухе при комнатной температуре полностью восстановилась. Если же последующее твердение происходит не на воздухе, а в воде, то в этих условиях прочность восстанавливаться не будет.
Пропаривание не допускается, так как вызывает снижение прочности, причем при последующем твердении она восстанавливается. С. М. Рояком, Ю. Ф. Кузнецовой, В. И. Шустиной были проведены исследования, показание, что можно применять кратковременную тепловлажностную обработку глиноземистых цементов моноалюминатного и диалюминатного типов при атмосферном и повышенном давлении. При этом достигается ускорение процессов твердения, заметно не влияющее на рост их прочности в дальнейшем.
При пониженной температуре до 278—283 К твердение глиноземистого цемента будет несколько замедляться. Прочность глиноземистого цемента в процессе твердения при 278К уменьшается примерно на 10—20% по сравнению с прочностью при нормальной температуре твердения.
Глиноземистый цемент благодаря высокой экзотермии может твердеть при низкой температуре среды, однако при условии, что температура массы бетона или раствора будет положительной. При замерзании бетона твердения, конечно, не будет. Глиноземистый цемент менее чувствителен к действию пониженных, но положительных температур, чем портландцемент. Замораживание бетонов и растворов на глиноземистом цементе после первых нескольких суток твердения при положительной температуре вполне допустимо. После оттаивания в дальнейшем прочность непрерывно растет. Водонепроницаемость и морозостойкость растворов и бетонов на глиноземистом цементе весьма высокие вследствие малой пористости цементного камня при условии применения качественных заполнителей.
Химическая стойкость глиноземистого цемента по сравнению с портландцементом также весьма высока из-за особенностей химико-минералогического состава цементного камня. Отсутствие в нем растворимого, легко выщелачивающегося гидроксида кальция, наличие мало растворимого гидроксида алюминия и плотных образований низкоосновных гидроалюминатов кальция придают этому цементу весьма высокую коррозиеустойчивость против действия сульфатных, морских н ряда других распространенных минерализованных вод.
Лабораторные и натурные испытания показали, что бетоны на глиноземистом цементе стойки к действию насыщенных сульфатом кальция вод, к 5%-ным растворам сульфата магния, сульфата натрия и сульфата алюминия. Объясняют это тем, что образование гидросульфоалюмината кальция в результате взаимодействия гидроалюминатов кальция с сульфатами происходит в жидкой фазе (растворе) цементного камня, а не в твердой, вследствие повышенной растворимости алюминатов в воде с малой концентрацией извести. В этих условиях не возникают вредные напряжения, сопровождающие кристаллизацию гидросульфоалюмината кальция.
Глиноземистый цемент достаточно устойчив в кислых водах, содержащих углекислоту; он также более стоек, чем портландцемент, к действию хлористых солей и характеризуется большей, чем портландцемент коррозиеустойчивостью при воздействии ряда органических соединений. И наряду с этим он совершенно не стоек к действию щелочей, особенно высокой концентрации, а также свободных неорганических кислот.
Твердение бетона на глиноземистом цементе можно ускорить путем более длительного перемешивания бетонной смеси в бетономешалке. Так, например, при расходе глиноземистого цемента 350 кг/м3 и В/Ц=0,4 перемешивание бетонной смеси в течение 30 мин при укладке вибрированием позволяет получить: через 6 ч прочность бетона 25—30 МПа и через 8—10 ч — 40—45 МПа. В последующие сроки твердения прочность сколько-нибудь заметно не снижается. Высокий процент химически связанной воды и значительное повышение температуры бетона в связи с экзотермией цемента требуют эффективных мер, чтобы обеспечить влажностный режим твердения бетона. Необходима защита бетона от непосредственного действия солнечных лучей, ветра и др. Следует стремиться к понижению температуры бетона. Его затворяют на холодной воде, употребляют холодные или специально охлажденные каменные материалы, защищенные от нагрева солнечными лучами, ведут бетонирование слоями. Бетонные работы на глиноземистом цементе целесообразно вести в теплое время года лишь когда прохладно — ночью, ранним утром, чтобы материалы не нагревались солнцем.
Необходимо обязательно хранить бетон влажным, во всяком случае не менее одних суток. Поливка водой должна быть начата после начала его саморазогревания, но не позднее чем через 8—10 ч после укладки. При возведении массивных сооружений из железобетона на глиноземистом цементе внутри бетона развивается высокая температура, доходящая до 343К и выше. При такой температуре твердение протекает ненормально и прочность бетона внутри конструкций получается значительно ниже, чем в наружных слоях. Поэтому глиноземистый цемент следует применять только в конструкции толщиной не более 1 м. В конструкциях более 1 м он допустим только при проведении специальных мер в зависимости от его качества и особенностей сооружения. Вместе с тем высокая экзотермия глиноземистого цемента позволяет применять его для зимнего бетонирования при 266—263К без таких специальных мер, как электропрогрев, пропаривание или использование ускорителей твердения. В первые двое суток после укладки необходимо защищать бетон от замерзания. При бетонировании на морозе (263К) нужен подогрев заполнителей. При этом необходимо следить за тем, чтобы температура бетона, по крайней мере в первые сутки, не превышала 298К. Следует учитывать также способность бетонной смеси на глиноземистом цементе быстро густеть и утрачивать пластичность, в особенности с повышением температуры.
Смешивать глиноземистый цемент с портландцементом и его разновидностями, а также с известью нельзя, так как это вызывает понижение прочности обоих цементов и быстрое схватывание. В отдельных Случаях допустима добавка нескольких процентов портландцемента к глиноземистому при условии, что предварительно будет проведено соответствующее испытание и установлено, насколько сократились сроки схватывания и снизилась прочность цемента. Укладывать бетон из глиноземистого цемента на отвердевший портландцементный бетон можно не ранее чем через 7 сут, а портландцементный бетон па отвердевший бетон из глиноземистого цемента — не ранее чем через 1—2 сут. Так, например, глиноземистый цемент рекомендуется для возведения или срочного ремонта специальных сооружений, ответственных железобетонных конструкций, промышленных сооружений и мостов, если необходимо быстро получить расчетную прочность, в шахто-строении, при возведении подземных сооружений, тампонировании трещин в породах при значительном дебите воды, при скоростном тампонировании холодных нефтяных и газовых скважин. Его используют для заделок пробоин в морских судах, для быстрого сооружения фундаментов под машины, зимних бетонных работ, в виде раствора для специальной каменной кладки, во многих случаях аварийных работ и др.
Можно применять глиноземистый цемент для бетонных и железобетонных сооружений, работающих в морской, сульфатной и других минеральных водах, при этом необходимо предохранить, хотя бы на период схватывания, бетонную или растворную смесь от воздействия указанных вод. Глиноземистый цемент идет на изготовление огнеупорных бетонов. Новая и особо интересная область его применения — производство на его основе расширяющихся цементов.
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% 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.
Для производства обоих видов цемента применяют не загрязненный примесями технический глинозем и карбонат кальция. Сырьевые компоненты в установленном расчетом количестве тонко измельчают и после тщательной гомогенизации обжигают во вращающейся печи до спекания при температуре около 1773К. Полученные клинкеры сравнительно легко размалываются; при испытании по стандартным методам цементы показывают значительно большую прочность, чем обычный глиноземистый цемент.