Портландцемент песчанистый
В 30-х годах итальянский инженер Морбели предложил вырабатывать асбестоцементные изделия из вяжущего, получаемого совместным помолом портландцементного клинкера, кварцевого песка и гипса с последующей обработкой этих изделий в автоклаве. В дальнейшем мы будем называть это вяжущее «песчанистым портландцементом».
Итальянская фирма «Этернит» изготовила партию асбестоцементных листовых изделий из песчанистого портландцемента. Опыты показали, что они приобретают высокую прочность сразу же после выхода их из автоклава и могут применяться в строительстве без дополнительной выдержки на складе. Однако промышленного производства изделий из этого вяжущего фирма не организовала.
Профессор Г. Кюль исследовал стойкость асбестоцементных пластинок в разбавленных азотной и соляной кислотах. Одни из них были изготовлены на песчанистом портландцементе обработкой в автоклаве, другие — на портландцементе и твердели при нормальной температуре. Исследования показали, что асбестоцемент на песчанистом цементе разрушается медленнее.
В 1941 г. Е. Н. Китаев провел полу производственные опыты по выработке асбестоцементных труб на песчанистом портландцементе.
Запаривали трубы в автоклаве при давлении пара, не превышающем 5 ат (изб.). Опыты показали, что трубы выдерживали требуемое гидравлическое давление непосредственно после обработки в автоклаве.
Е. Н. Китаев изучал также химическую стойкость асбестоцемента, изготовленного на песчанистом цементе, запаренном в лабораторных условиях. Им было установлено, что асбестоцемент на песчанистом цементе разрушается под воздействием кислот, но несколько медленнее, чем асбестоцемент на портландцементе.
Исследования влияния растворов минеральных солей показали, что асбестоцемент на песчанистом цементе, обработанный в автоклаве, стоек по отношению к их воздействию.
Известно, что при нормальной температуре гидратация и гидролиз портландцемента и связанное с этими процессами нарастание прочности бетона протекают сравнительно медленно, и для выдерживания изготовленных из него строительных деталей требуются большие утепленные помещения. Поэтому для сокращения сроков их выдерживания на заводе изделия из бетона стали пропаривать при температурах до 90° С, в специальных камерах, а также подвергать автоклавной обработке под давлением пара 8 ат (изб.). При этом температура в автоклаве была порядка 172,5° С. Пропариванием изделий называют их выдерживание в воздушно-паровой среде, имеющей нормальное давление, температуру ниже 100° С и относительную влажность, близкую к 100%. Запариванием изделий называют их выдерживание в среде насыщенного водяного пара, давление которого выше атмосферного [обычно не ниже 5 ат (изб.)]. Пропаривание сокращает сроки, но не устраняет необходимость последующей выдержки изделий из бетона в теплом складе. После обработки в автоклаве изделия после выгрузки сразу же готовы к применению.
Смотрите видеоролик по теме
Все изложенное полностью относится и к твердению асбестоцементных изделий, так как нарастание их прочности определяется процессом гидратации портландцемента, который, как всякий химический процесс, при высоких температурах резко ускоряется.
Обработка изделий на основе портландцемента в автоклаве не только устраняет необходимость их выдерживания в теплом помещении (складе твердения), но и позволяет, также не ухудшая механических свойств изделий, вводить в применяемый портландцемент определенное количество тонкоизмельченных дешевых добавок. Возможность введения этих добавок базируется на данных, полученных в 1880 г. Михаэлисом при исследовании процесса взаимодействия с известью кварцевого песка в среде водяного пара высокого давления. При нормальных температурах (около 20° С) кварцевый песок настолько медленно вступает в химическое взаимодействие с гидратом окиси кальция, что как в известковых растворах, так и в смеси с портландцементом он является практически инертным наполнителем.
Д-р Михаэлис доказал, что под действием пара с давлением 8 ат (изб.) известь вступает во взаимодействие с кварцевым песком, образуя одноосновные гидросиликаты кальция. Примерно через 8 ч такой обработки известково-песчаная смесь приобретает высокую механическую прочность. На основании этих исследований Михаэлис разработал рецептуру и технологию нового для того времени строительного материала — силикатного кирпича.
Поскольку при взаимодействии портландцемента с водой появляется в свободном виде гидрат окиси кальция (за счет гидролиза трехкальциевого силиката), взаимодействие с кварцевым песком, естественно, должно происходить и в песчанистом портландцементе.
Сейчас проводятся всесторонние исследования состава и свойств новообразований, получаемых запаркой в автоклаве при различных температурах и давлениях пара портландцемента с различными добавками, а также вяжущего на основе извести и кремнийсодержащих добавок.
Под влиянием высокой температуры и насыщенного пара кварцевый песок энергично реагирует с известью. Он поглощает выделяющуюся при гидролизе трехкальциевого силиката известь, отбирает ее у двухкальциевого гидросиликата и продуктов гидратации четырехкальциевого алюмоферрита, снижая их основность. Асбест в этих условиях также реагирует с известью, но в значительно меньшей степени, чем при отсутствии в портландцементе песка.
Асбестоцементные изделия на песчанистом цементе с правильным соотношением портландцемента и песка после запарки в автоклаве под давлением 8 ат (изб.) в течение 8 ч совершенно не содержат свободного гидрата кальция. Возникающие в этих условиях новообразования состоят из следующих гидросиликатов и гидроалюминатов кальция.
При содержании в песчанистом цементе на алитовом клинкере 30% песка вся выделившаяся при твердении Са(ОН)2 связывается песком и образуется волокнистый гидросиликат CSH(B) с основностью (C/S) — 1,25. При увеличении количества песка в таком цементе до 40% основность CSH(B) понижается до 0,8—1.
При использовании белитового клинкера оптимальное содержание песка в песчанистом цементе, которое обеспечит полное связывание выделяющейся при твердении цемента извести, снижается до 20% при образовании CSH(B) с основностью 1,25. Образование гидросиликата CSH(B) с основностью (C/S) = 0,8—1 обеспечивается при содержании в таком цементе 30% песка.
Трехкальциевый алюминат после автоклава образует трехкальциевый гидроалюминат ЗСаО · Al2 O3 · 6НаО, не изменяя своей основности. Четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО · Al2 O3 · Fe2 O3 переходит в железистый гидроалюмоферрит ЗСаO·(Al2 O3 · Fe2 O3 ) ·6H2 0 и гель СаО · Fe2 O3 nH2 O.
Наличие в твердеющем портландцементе песка, интенсивно связывающего при высокой температуре выделяющуюся известь, резко снижает коррозию волокон асбеста.
Вся выделившаяся в процессе гидратации и гидролиза клинкерных минералов известь вступает в соединение с кварцевым песком, образуя однокальциевый гидросиликат, который имеет несколько структурных разновидностей. При определенном содержании песка в песчанистом цементе и запарке асбестоцемента в течение примерно 8 ч при давлении пара 8 ат (изб.) большая часть однокальциевого гидросиликата будет состоять из волокнистой разновидности CSH(B), которая обеспечивает асбестоцементным изделиям наиболее высокую прочность при растяжении и изгибе. Оптимальным будет то содержание песка в песчанистом цементе, при котором в процессе запаривания образуется наибольшее количество этой волокнистой разновидности однокальциевого гидросиликата.
Результаты исследований дают основание предположить, что в процессе продолжительной запарки при более высоких давлениях и температурах пара волокнистый однокальциевый гидросиликат CSH(B) переходит в пластинчатую разновидность с основностью 0,8 — тоберморит, состав которого выражается формулой C4 S6H5. Тоберморит обладает очень высокой прочностью при сжатии, но предел его прочности на изгиб и растяжение несколько ниже, чем у однокальциевого силиката CSH(B). В связи с этим длительная запарка при высоких давлениях пара снижает предел прочности асбестоцементных изделий при изгибе и растяжении.
Поскольку из всех клинкерных минералов больше всего извести выделяет трехкальциевый силикат, оптимальное содержание песка в песчанистом цементе зависит от количества трехкальциевого силиката в клинкере, который был использован для изготовления песчанистого цемента. Чем больше его в клинкере, тем больше можно вводить песка. При использовании алитовых клинкеров песчанистый портландцемент может содержать до 45% песка; при применении клинкера с повышенным содержанием двухкальциевого силиката (белита) количество песка снижается до 30—35%.
При оптимальном содержании песка в песчанистом портландцементе около 25% его в процессе запарки связывается с известью, а остальное количество — центральная часть его зерен — остается неизменным.
Качество песчанистого портландцемента для асбестоцементных изделий регламентируется техническими условиями.
Применяемый для производства песчанистого цемента клинкер должен содержать не менее 50% трехкальциевого силиката и не более 8% трехкальциевого алюмината.
Содержание трехкальциевого силиката и трехкальциевого алюмината рассчитывают по формулам, приведенным в § 1. Удельная поверхность цемента при определении на поверхностемере Гипроцемента должна находиться в пределах 3200—3600 см 2 /г.
Содержание в цементе MgO, потери при прокаливании и равномерность изменения объема цемента должны находиться в тех же пределах, что и для портландцемента. Песок, применяемый для производства этого цемента, должен включать не менее 87% SiO2 и не более 3% окиси калия и натрия. Количество глинистых примесей в песке не должно превышать 10%.
Производство асбестоцементных изделий на песчанистом цементе с запаркой сформованных полуфабрикатов в автоклавах широко распространено в США, Канаде, Австралии. В СССР с 1961 г. работает по этой технологии завод асбестоцементных изделий в Латвии, вырабатывающий волнистые листы, и с 1964 г. завод, вырабатывающий асбестоцементные трубы, в Литве.
Исследования и производственный опыт показывают, что замена в производстве асбестоцементных изделий портландцемента песчанистым цементом позволяет сократить расход портландцементного клинкера. Выработанные на таком вяжущем изделия после автоклавной обработки не требуют дальнейшей выдержки и могут после выгрузки из автоклава отгружаться потребителю. Механическая прочность таких изделий примерно на 20% превышает прочность изделий, изготовленных на портландцементе и твердеющих в нормальных условиях около 14 суток. Особенно целесообразно производство на песчанистом цементе асбестоцементных труб, так как асбестоцемент на этом вяжущем очень стоек по отношению к воздействию минеральных солей, встречающихся в грунтовых водах.
