Минеральные вяжущие вещества и требования к ним

Бетоны, являясь «искусственными строительными конгломератами», состоят из значительного количества однородной смеси инертных каменных материалов разной крупности, объединенных в монолит вяжущим веществом.

Этот процесс называют твердением. Благодаря процессу твердения цементный камень, объединяющий все составляющие бетона в единое целое, обеспечивает бетону прочность, плотность и другие свойства. Прочность и эксплуатационные свойства полученного бетона или раствора зависят от их микро- и макроструктуры.

Микроструктура и ее прочность создается предпочтительно цементным камнем, а макроструктура включает все составляющие бетона: цементный камень, крупный, мелкий заполнители и вносимые при необходимости наполнители, а также поровое пространство. Следовательно, структуру и свойства бетона предопределяют все его составляющие, в том числе и пористость.

Структуру бетона как капиллярно-пористого композиционного материала можно представить в виде материала, объединенного в единое целое следующими составляющими: цементным камнем, цементно-песчаным раствором и далее бетоном, включающим цементно-песчаный раствор с крупным заполнителем и поровым пространством.

Начиная с микроскопического уровня, бетон создается объединением в монолит различных материалов, отличающихся химико-минералогическими и физико-механическими свойствами.

Мелкий заполнитель в бетоне представлен природными и искусственными песками, в качестве крупных заполнителей используют щебень из магматических, метаморфических и осадочных горных пород, гравий или шлаки, являющиеся побочным продуктами металлургических производств.

Одновременно прочность и стойкость образующихся бетонов будет в значительной степени зависеть от состава, физико-химических характеристик новообразований цементного камня, свойств заполнителей, а также от пористости цементного камня и бетона. При выборе заполнителей следует учитывать их совместимость с формирующимся цементным камнем.

Рассмотрим последовательно требования к материалам, применяющися в производстве бетонов, и влияние на их свойства.

Для производства тяжелых бетонов с повышенными требованиями к прочности и долговечности в основном применяют портландцементы и шлакопортландцементы, отвечающие требованиям ГОСТ 10178-1985 «Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия» и ГОСТ 31108-2016 «Цементы общестроительные. Технические условия».

Используют цементы ЦЕМ I класса В42,5 и В52,5 нормально- и быстротвердеющие; ЦЕМ II с содержанием суммарного количества гранулированного доменного шлака (ГДШ) от 5 до 20 % и шлакопортландцементы – ЦЕМ III типа А с содержанием ГДШ от 36 до 65 % и класса от В42,5 до В35,5 нормально- и быстротвердеющие.

От качества клинкера зависят основные свойства цемента, такие как активность, скорость гидратации и твердения, а также свойства получаемого на его основе бетона и его стойкость к воздействию агрессивных сред эксплуатации.

На сроки схватывания портландцементного теста оказывают влияние: минералогический состав, тонкость помола цемента, температура цементного теста, содержание в нем воды и другие факторы, в том числе добавки – ускорители схватывания и твердения цемента, замедлители схватывания, пластификаторы и другие.

Но после затвердевания бетона, через неопределенное время эти оксиды начинают взаимодействовать с водой и, увеличиваясь в 2–2,5 раза, приводят к появлению трещин и снижению его прочности. Определение нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема проводят согласно ГОСТ 310.3-76, переизданному в 1992 г.

Тепловыделение сопровождает гидратацию и твердение всех минеральных вяжущих веществ, что зачастую играет положительную роль в технологии бетона, так как активизирует процессы гидратации, твердения и набора прочности. При этом использование цемента с высоким тепловы-делением в строительстве массивных сооружений может привести к значительной разнице температур в центре и по краю изделия, что вызывает образование трещин и снижает эксплуатационные свойства бетона.

Получение цементно-песчаного теста, соблюдение условия твердения и испытания должны проводиться в соответствии с ГОСТ 30744-2001 «Цементы. Методы испытания с использованием полифракционного песка».

Для получения бетонов с высокими техническими характеристиками и долговечностью используют цементы классов В42,5 и более. Учитывая ранее сказанное, будем рассматривать способы формирования структуры высокофункциональных бетонов на примере использования в качестве вяжущих портландцементов и шлакопортландцементов.

Трехкальциевый силикат – алит, является основным минералом портландцемента, его содержание в цементе должно составлять 60–70 %. Кристаллическая структура алита включает тетраэдры (SiО4)–4 и ионы Са2+.Температура обжига клинкера, а также состав шихты оказывают существенное влияние на структуру алита, его активность, скорость взаимодействия с водой и твердение.

Трехкальциевый алюминат (С3А) – эта фаза является важнейшей составляющей клинкера наравне с С3S и β-С2S, так как она при обжиге шихты образует расплав и участвует в формировании основных минералов алита и белита.

Но содержание С3А в рядовых клинкерах не должно быть более 8 %, так как в больших количествах способствует снижению стойкости цементного камня к агрессивным средам, особенно к средам с большим содержанием сульфатов, хлоридов и др. Например, в сульфатостойких цементах содержание С3А ограничивают до 5 %.

Ферритная фаза, четырехкальциевый алюмоферрит (С4АF). Он имеет в некоторой степени аморфизированную структуру, и его гидратация начинается одновременно с алитом. Содержание С4АF в цементе не превышает 18 %, этот минерал вредного воздействия на свойства формирующегося цементного камня не оказывает.

Присутствие свободного СаО в цементе ограничивают до 1 % для исключения неравномерности расширения цементного камня в процессе гидратации. Содержание МgO не должно превышать 5 %, он тоже может в процессе гидратации вызвать в цементном камне напряжения и трещины, так как при взаимодействии с водой и образовании Мg(OH)2 увеличивается в объеме более чем в 2 раза.

Шлакопортландцемент (ШПЦ) в производстве бетонов рекомендуется использовать для экономии цемента. При этом решаются задачи по утилизации отходов металлургической промышленности и снижаются выбросы СО2 в атмосферу. ШПЦ необходим для производства массивных сооружений с целью снижения тепловыделения при гидратации вяжущего и, соответственно, исключения образования трещин в монолите, а также для получения бетонов высокой стойкости при эксплуатации в агрессивных средах, достигается и снижение себестоимости бетонов.

Активная минеральная добавка, вводимая в ШПЦ, – гранулированный доменный шлак – связывает выделяющийся гидроксид кальция, способствует формированию коррозионно-стойкого цементного камня, состоящего преимущественно из низкоосновных гидросиликатов кальция. Количество вводимой добавки должно быть более 20 % от массы цемента по ГОСТ 10178 и более 35 % для ЦЕМ III по ГОСТ 31108.

Для получения бетонов со специальными свойствами используются и другие вяжущие – шлаковые, глиноземистые, жидкостекольные, фосфатные и другие.