Минеральные вяжущие вещества

Раздел 1

БИЛЕТ №1.1. Вяжущие вещества – это материалы, которые на определенной стадии переработки обладают вязко-пластичными свойствами, при этом способны связывать рыхлые сыпучие массы (минеральные порошки, песок, щебень, гравий) и постепенно переходить в камневидное состояние.

Роль вяжущих в создание тонких прослоек между частицами, образуя непрерывную матрицу в объеме материала.

Вяжущие:

-минеральные (строительный гипс, известь, портландцемент (ПЦ) и др.)

-органические (битум, деготь, полимеры)

Неорганические вяжущие - это минеральные порошки, которые при смешивание с водой или водными растворами солей образую пластичное тесто, способное со временем отвердевать, превращаясь в камнеподобное тело.

Классификация минеральных вяжущих

По условиям твердения:

-Вяжущие воздушного твердения - способные твердеть и сохранять прочность только в воздушно-сухих условиях (гипсовые вяжущие, воздушная известь, жидкое стекло, каустический магнезит и доломит)

-Вяжущие гидравлического твердения - способны после начального твердения в воздушно-влажных условиях твердеть набирать прочность и сохраняться не только на воздухе но и в воде (гидравлическая известь, цементы на основе ПЦ клинкера, цементы на основе глиноземистого клинкера)

-Вяжущие автоклавного твердения - способны эффективно твердеть только при повышении давления и температуре в среде водяного пара Р=0,8-1,2 МПа, t=175-210ºС (известково-кремнеземистые вяжущие)

БИЛЕТ №1.2. Особенности неорганических вяжущих

Они являются продуктом обжига минерального сырья с последующим помолом в тонкий порошок

Мин. Сырье -> обжиг -> помол = минеральное вяжущее

При обжиге меняется химический и фазовый состав сырья и образуется новые минералы, способные к химическому взаимодействию с водой:

Обжиг известняка t=1000-1200ºC

Обжиг гипсового камня

Все продукты обжига способны взаимодействовать с водой.

Помол обожженного сырья – многократно увеличивает поверхность материала и взаимодействие с водой

Количество воды в смеси (водовяжущее отношение В/В) определяет реалогические свойства вяжущего теста, растворной и бетонной смеси (подвижность, жесткость, вязкость и т.д.).

С течением времени тесто загустевает, схватывается, но прочность еще низкая.

Химические процессы приводят к образованию новых фаз, содержащих химически-связанную воду. Поэтому процесс твердения минеральных вяжущих называется гидратным твердением, а возникающие новообразования называются гидратными.

Мин. Вяжущее +H₂O =гидратные новообразования

Обычно чем выше растворимость минеральных вяжущих в воде, тем выше скорость химической реакции.

Растворимость гидратных новообразований обычно меньше чем исходных веществ, поэтому они выделяются из жидкой фазы в виде частиц коллоидных растворов.

По мере увеличения количества частиц новообразований тесто вяжущего постепенно загустевает и переходит в камневидное состояние, т.е. схватывается.

С течением времени частицы новообразований укрупняются и кристаллизуются. Кристаллы растут образуя кристаллические сростки.

Пространство между кристаллами заполняется вновь образующимися новыми частицами. Так постепенно уплотняется структура и растет прочность искусственного камня.

Способность мин. вяжущих «склеивать» зерна заполнителей и порошков связана на стадии вязкопластичного состояния с действием сил поверхностного натяжения на границе раздела: твердое тело, жидкость и газ.

По мере твердения вяжущего адгезия связана со способность гидратных новообразований сцепляться с поверхностью заполнителей

Чем выше химическое сродство новообразований и поверхности заполнителей, тем выше прочность сцепления меду ними.

Поэтому прочность сцепления мин. вяжущих с минеральными наполнителями и заполнителями выше чем с органическими.

Итак особенности мин. вяжущих зависят от их состава, а вяжущие свойства связаны химическими и физико-химическими процессами взаимодействия с водой.

БИЛЕТ №1.3. Воздушные вяжущие вещества

1) Гипсовые вяжущие:

А) Низкообжиговые:

-строительный гипс

В возрасте 2 часа определяют марку, при этом оценивают В/Г нормальное 0,55-0,75

R_сж =2-25 МПа

R_изг =1,2-8 МПа

-высокопрочный гипс:

Получают из чистого гипсового камня, при герметически закрытых сосудах р=0,2-0,3 МПа. При этом образуются крупные кристаллы:

α -

В/Г нормальное=0,4-0,45

R_сж =40-50 МПа

Твердение заключается в том, что взаимодействие с водой:

Применение:

Для получения штукатурных растворов, архитектурных деталей, СГШ (сухая гипсовая штукатурка), перегородочные плиты.

Б) Высокообжиговые

-ангидритовый цемент

Самостоятельно твердеет очень медленно, в качестве активизатора твердения добавляют 3-5% извести

-высокообжиговый гипс(эстрих гипс)

Реакция та же, только t=900-1000ºС, при этом часть разлагается

Твердеет вяжущее без введения активизатора

Твердение

Вяжущее медленно схватываются и медленно твердеют. Марки определяются через 28 суток из смеси 1:3 с песком.

Марки М100, 150, 200 [КгС/см²]

Применение:

Для получения низкомарочных бетонных, кладочных и штукатурных растворов, искутсвенного мрамора

2) Воздушная известь

Это продукт, получаемый обжигом недоспекаемых карбонатных пород, содержащих не более 6% глинистых примесей.

Карбонатные породы обычно содержат:

CaO - комовая негашеная известь

В результате реакции уменьшение массы на 44%. П объему уменьшение на 10-14%.

Полученный продукт пористый

Перевод СаО в рабочее состояние:

А) Гашение извести:

На реакцию расход воды 32%, но из-за пара расход воды фактически больше

Б) Помол:

Молотая негашеная известь СаО

Преимущества:

-Нет отходов гашения

-Тепло от гашения не пропадает, и идет на испарение влаги из раствора

-Твердение происходит быстрее, чем гашеной извести

Недостатки:

-Необходимо хранить в закрытой таре

-Пыление при помоле

Твердение :

-Процессы физические: кристаллизация из насыщенного раствора – процесс медленный

-Химические процессы: – идет в начале на поверхности, а затем вглубь

Твердение :

, затем по указанной схеме

Свойства воздушной извести:

По госту известь делят на 3 сорта в зависимости от содержания активных и

Схватывание медленное:

-для - 5-7 суток

-для - 15-60 минут

Прочность в 28 суточном возрасте:

Растворы на R_сж =0,5-1,5 МПа

Растворы на R_сж=до 5 МПа

Применение:

1) Для штукатурных и кладочных растворов, часто в сочетании с ПЦ

2) Для изготовления силикатных изделий

3) Для получения смешанных вяжущих

4) Для известковых красочных составов

БИЛЕТ №1.3. Гидравлические вяжущие вещества

Цементы на основе ПЦ клинкера.

Вяжущие воздушного твердения получают при обжиге одного вида сырья, происходит термическое разложение с образованием простых соединений.

Отличительной особенностью клинкерных цементов:

1) Клинкер получают обжигом искусственной смеси, состоящей из нескольких компонентов

2) В процессе обжига происходит не только термическое разложение исходного сырья, но и химическое взаимодействие между продуктами разложения (оксидами) с образованием нескольких новых минералов сложного состава. Поэтому для получения клинкера требуется более высокие температуры, чем для получения воздушных вяжущих

3) В процессе обжига смесь частично расплавляется и получается продукт в виде плотных спекшихся гранул, называемых клинкером

ПЦ – это гидравлическое вяжущее вещество, полученное обжигом до спекания сырьевой смеси состоящей из известняка и глинистой породы при температуре 1450-1500ºС с последующим помолом в тонкий порошок

ПЦ клинкер – это продукт обжига

Сырьевая смесь для получения ПЦ:

Состоит из CaCO₃ – 75-78% и каменистая порода (глина, глинистый сланец)

1) Al₂O₃m·SiO₂·nH₂O

2) CaO 64-67%

3) MgO <5%

4) Al₂O₃ 4-8%

5) SiO₂ 21-25%

6) Fe₂O₃ 2-4%

Добавки 1-2% →тонкий помол (в сухом или мокром виде)→обжиг до спекания t=1450ºC→ПЦ клинкер

ВОПРОС №1.5. Обжиг портландцементного клинкера.

При обжиге происходит химические реакции в результате которых образуется клинкерные минералы

3CaO·SiO₂ C₃S – алит 40-65%

2CaO·SiO₂ C₂S – белит 15-40%

3CaO·Al₂O₃ C₃A – 3-15%

4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃ C₄AF – 10-20%

Чтобы из ПЦ клинкера получить цемент необходимо его тонко помолоть с добавкой природного гипса, иногда с другими добавками в результате этого получим ПЦ

ПЦ клинкер + гипс + добавки→помол=ПЦ

Гипс добавляют для регулирования сроков схватывания. Без него молотый клинкер схватится очень быстро. Содержание гипса в расчете на SO₃ не менее одного и неболее 4% от массы цемента. В расчете на гипс 5-7%. В зависимости от вида и количества добавок может изменяться название цемента на основе ПЦ клинкера.

ВОПРОС №1.6. Твердение портландцемента.

Эттрингит – это превая реакция которая протекает при затворении цемента водой.

Эттрингит кристаллизуется на поверхности C₃A и затрудняет взаимодействие его с водой, этим объясняется регулирование сроков схватывания за счет добавки гипса

4-х кальцевый аллюмофирит взаимодействует с водой:

Количество химически связанной воды при полной гидратации всех клинкерных минералов составляет 25% от массы цемента.

Однако, фактически к 1 году твердения количество химических связей воды составляет 12-14%. Это говорит о неполноте гидратации клинкерных минералов при твердении цемента.

Новообразования цементного камня различаются по составу, строению и крупности. Кроме этого в цементном камне в виде крупных зерен остаются остатки клинкерных минералов.

Еще одним элемент структуры цементного камня являются поры. Самые мелкие между частицами гидросиликатов Ca. Более крупные усадочные поры.

Клинкерные поры – самые крупные, образуются при испарении свободной воды.

ВОПРОС 1.7. Виды коррозии цементного камня.

Гидратные новообразования обладают низкой растворимостью в воде, что обеспечивает водостойкость кроме .

содержится к 6 месяцам твердения цемента до 15-20% от массы.

Образование является причиной коррозии под действием различных факторов.

1) Под действием пресных вод происходит растворение и его вымывание, образуются пустоты. Такая коррозия называется коррозия выщелачивания. Чем мягче вода, тем она агрессивней.

Коррозия выщелачивания несколько ниже при взаимодействии на поверхностном слое за счет взаимодействия с CO₂ воздуха.

2)

Такая коррозия называется углекислотной.

3) При содержании в воде сульфатов (морская, соленые озера) развивается гипсовая коррозия, вызывающая образование в порах гипса, что сопровождается внутренними напряжениями.

Особенно вредно содержание MgSO₄.

4) Присутствие сульфатов в воде может вызывать сульфоаллюминатную коррозию, которая выражается в образовании в порах цементного камня кристаллов эттрингита.

5) Цементная бацилла.

Образование ее связано с образованием

6) Под действием раствор кислот (общекислотная коррозия) протекает химическая реакция между:

При взаимодействии гидросиликатов, гидроаллюминатов с кислотами образуется растворимые соли Ca и рыхлые осадки, что вызывает коррозию.

Меры борьбы с общекислотной коррозией:

1) Защитные полимерные покрытия

2) Замена цементного бетона пластмассами

3) Использование кислотоупорных цементов

Опасность остальных видов коррозии цементного камня можно улучшить:

1) Используя сульфатостойкий ПЦ и ШПЦ

2) Используя цементы с АМД это ШПЦ и пуццолановый ПЦ

3) Используя цементы: пластифицированные и гидрофобные

ВОПРОС №1.8. Цементы с Активными Минеральными Добавками.

АМД – это природные и искусственные вещества, которые в тонкомолотом виде самостоятельно не твердеют, при смешивании с воздушной известью придают ей способность гидравлического твердения, при смешивании с ПЦ повышают стойкость цементного камня в пресных и минерализованных водах.

Активные минеральные добавки:

1) Природные

-вулканические горные породы

-вулканический пепел

-вулканический песок

-вулканический туф.

-осадочные горные породы(диатомит, трепел, опока)

2) Искусственные

-обожженные глины

-кислые золы

-доменный гранулированный шлак

АМД содержит в составе химически активные компоненты:

SiO₂ и Al₂O₃, которые взаимодействуют с :

(слаборастворим в воде)

Виды вяжущих:

ПЦ с АМД: ПЦД5 и ПЦД20

ШПЦ добавка шлаков Д21-Д80

Пуццолановый ПЦ(ШПЦ) содержит от 21 до 40%

ВОПРОС №1.9. Цементы с поверхностно-активными добавками(ПАВ)

ПАВ вводят в очень малых количествах до 0,3% от массы цемента, поэтому их не считают компонентом вещественного состава.

ПАВ – это органические вещества с поверхностно-активными свойствами.

При помоле они адсорбируются на поверхности частиц цемента и изменяют поверхностное натяжение на поверхности твердое-водздух-жидкость.

По механическому действию ПАВ делят:

-гидрофилизующие

-гидрофобизующие

1) ПАВ гидрофилизующего действия улучшают смачиваемость поверхности цемента водой.

Снижают водопотребность цемента, либо повышают подвижность теста.

По основному действию эти добавки называются пластифицирующими. Сюда относятся ЛСТ(лигно-сульфанаты технические), ССБ(сульфидно-спиртовая барда), СДБ(сулфидно-дрожжевая бражка)

С этими добавками получают ПЦПЛ(пластифицированный) и ВНВ(вяжущие низкой водопотребности)

Нормальная густота теста 16% (у обычного ПЦ 24-30%).

В качестве добавки здесть используют супер пластификатор С-3. Добавки гипса не вводят.

2) ПАВ гидрофобизующего действия снижат смачиваемост поверхности цемента водой.

Цемент не должен впитывать воду в течении 5 минут.

В результате снижается гигроскопичность (впитываемость воды), повышается срок хранения без потерь активности, снижается водопотребность цемента, увеличивается морозостойкость цементного камня.

Виды таких добавок: Асидол, Аляиновая кислота, кремний органические соединения, Мылонафт.

ВОПРОС №1.10. Цементы нормированного минералогического состава.

В этом случае используются особенности свойств минералов Алита C₃S и трехкальцевого алюмината С₃А

C₃S – придает прочность

С₃А – быстро схватывается, твердеет

Обычный ПЦ содержит 40-65% C₃S и 3-15% С₃А

1) ПЦБ (быстротвердеющий) в нем C₃S больше 50%, С₃А 8-10%

ПЦОБ (особобыстро твердеющий) C₃S больше 55-65%, С₃А больше 10%

Тонкость помола этих вяжущих выше, чем у обычных цементов

У обычного цемента S=2800-3200 см²/г

У этих цементов S=3500-4000 см²/г

Для ПЦБ прочность определяют в возрасте 3 и 28 суток.

Для ПЦОБ твердение цемента в возрасте 1 и 28 суток.

2) ПЦВП (высокопрочные)

В нем: C₃S больше 60%

С₃А 8-10%

С₃А+С₄АF – должно быть <= 22%

АМД >=5%, тонкость помола еще больше чем у быстротвердеющих.

ВОПРОС №1.11. Требования к портландцементу.

1) По способу твердения цементы делятся на:

А) Нормально твердеющие с нормированием прочности в возрасте 24-28 суток. Сюда отосятся большинство ПЦ на ПЦ клинкере

Б) Быстротвердеющие с нормированием прочности в возрасте 2 суток повышенной по сравнению с нормально твердеющими и в возрасте 28 суток. (Глиноземистый цемент и быстротвердеющий ПЦ и ШПЦ)

2) По срокам схватывания:

А) Медленно схватывающиеся – со сроком начала схватывания более 2ч и нормально схватывающиеся со сроком схватывания от 45мин до 2ч.

Для ПЦ начало схватывания не ранее 45мин конец не позднее 10ч

Б) Быстро схватывающиеся – срок начала схватывания менее 45мин

Относят: водонепроницаемый расширяющийся цемент и НЦ(напрягающий)

3) Тонкость помола:

Для ПЦ и ШПЦ через сито №008 должно проходить не менее 85% по массе.

Остаток на сите №008 не более 15%.

4) Равномерность изменения объема – это свойство цемента нерастрескиваться при твердении – обязательное свойство для всех цементов кроме томпонажных.

5) Новый обязательные показатель качества всех цементов – это удельная эффективная активность естественных радио-нуклеидов

Для специальных цементов, не предназначенныч для жилых и общественных зданий должно быть не более 740

ВОПРОС №1.12. Цементы на основе глиноземистого клинкера.

Глиноземистый клинкер отличается от ПЦ клинкера тем, что в нем преобладают низкообжиговые алюминаты кальция CaO·Al₂O₃.

Для получения глиноземистого клинкера используют другую по составу сырьевую смесь.

CaO·Al₂O_3:

1) Из известняка CaCO₃

2) Из бокситов

t=1300ºC – глиноземистый клинкер

t=1400-1600ºC – глиноземистый шлак

Виды цементов.

Глиноземистый цемент на основе глиноземистого клинкера и на основе шлака.

Помол ведут без гипса и АМД.

Твердение вяжущих очень интенсивное, с быстрым набором прочности в ранние сроки, поэтому марку определяют через 3 суток.

При повышении температуры выше 25ºC резко падает прочность, поэтому тепловлажностная обработка не производится.

Характерно очень высокое тепловыделение при твердении в 1,5 раза выше чем у ПЦ.

Вяжущее обладает сульфато-, водо-, воздухо- и морозостойкостью. Некислотостоек и нещелочестоек. Используют при срочных аварийных работах. Не пригоднее для бетонирования массивных конструкций.