Цемент в мешках

По эффективности пропаривания портландцемент

Эффективность пропаривания бетона на различных цементах

Многочисленными исследованиями установлено, что тепло-влажностная обработка по-разному влияет на интенсивность твердения и конечную прочность различных цементов. Так, например, было выявлено, что пропаривание является эффективным способом ускорения твердения для шлакопортландцементов и пуццолановых портландцементов и не может быть реко-, мендовано для глиноземистых цементов. Довольно долго существовало мнение о том, что целесообразно пропаривать низкомарочные белитовые портландцемента, в то время как высокоактивные цементы следует в основном использовать для изготовления бетонов нормального твердения. Это мнение было вполне справедливым, так как длительность тепловой обработки обычно составляла 20—30 ч.

Эффективность применения того или иного цемента при тепловой обработке следует оценивать не только по относительной прочности, выраженной в процентах от марочной, но также и по абсолютному значению прочности и времени тепловой обработки, в течение которого эта прочность может быть получена.

В настоящее время для изготовления сборных конструкций с обычным армированием применяют главным образом бетон марок 200—300, а в предварительно напряженных конструкциях— марок 300—600. Поэтому за последние годы на заводах сборного железобетона, как правило, используются цементы марки 400 и выше. Цементы низких марок (как портландские, так и смешанные) уже непригодны для изготовления бетонов высоких марок, несмотря на то, что эти цементы дают высокий относительный прирост прочности при тепловой обработке.

Прочность бетона, с которой изделие может быть отпущено потребителю с завода, должна составлять, как правило, не менее 70% проектной. Поэтому в результате пропаривания должна быть получена эта прочность в минимально короткий срок без перерасхода цемента.

Таким образом, цементы, которые обеспечивают получение максимальной абсолютной прочности в минимально короткий срок тепловлажностной обработки, следует считать наиболее эффективными при производстве сборного железобетона заводского изготовления.

Выпускаемые ранее цементной промышленностью портландцемента средних и низких марок, а также шлакопортландцементы и пуццолановые цементы не удовлетворяли этим требованиям. Необходимая прочность если и достигалась, то при довольно длительных режимах пропаривания. В связи с этим были попытки создать специальный цемент для кратковременного пропаривания. Исследования по созданию такого цемента были произведены в 1952—1954 гг. в НИИЦементе И. В. Кравченко и Ю. Ф. Соломатиной.

Положительные результаты показал четырехкомпонентный цемент, составными частями которого являлись: портландцемент (55—65%), глиноземистый цемент (3—6%), двуводный гипс (7—12%), активная минеральная добавка (25—30%).

В обшем виде процесс твердения четырехкомпонентного цемента может быть представлен как комплексное образование гидросульфоалюмината кальция (в результате взаимодействия алюминатов портландского и глиноземистого цементов с гипсом) и гидросиликатов кальция (за счет гидратации силикатов цемента и взаимодействия гидрата окиси кальция с кремнеземистой добавкой).

В табл. 24 приведены данные определения нарастания прочности при пропаривании четырехкомпонентного цемента. Опыты проводились на призмах размером 4X4X16 см, изготовленных по методике ГОСТ 310—41. Через 1 и после изготовления образцы в формах помещали в пропарочную камеру; подъем температуры до 70—80°С составлял 2 ч, выдержка при этой температуре продолжалась от 1 до 10 ч, после чего образцы вынимали и оставляли остывать в комнате в течение 1 ч и затем определяли их прочность при сжатии и при изгибе.

Опыты показали, что при пропаривании быстрый рост прочности образцов из четырехкомпонентного цемента происходит в течение первых 5—6 ч, а у образцов из портландцемента — в течение 10 ч. Однако и после 10-часового выдерживания при 70—80°С прочность образцов на портландцементе была ниже прочности образцов из четырехкомпонентных цементов, выдерживаемых при этой температуре в течение 6 ч.

Дальнейшими работами НИИЦемента была выявлена возможность еще большего повышения прочности четырехкомпонентного цемента. Это было достигнуто в результате применения в качестве активной минеральной добавки взамен трепела шлаков.

Однако вследствие многокомпонентности, а также применемия в качестве одного из компонентов глиноземистого цемента выпуск четырехкомпонентного цемента не производится в промышленном масштабе. Начиная с 1955 г. цементной промышленностью нашей страны был освоен выпуск быстротвердеющего цемента, который в основном предназначался для заводов сборного железобетона.

По ГОСТ 970—61 предел прочности при сжатии образцов-кубов должен составлять через 3 суток: для быстротвердеющего портландцемента 300 кГ/см2, а для быстротвердеющего шлакопортландцемента 250 кГ/см2; оба цемента через 28 суток должны быть не ниже марки 500.

В связи с тем, что испытание БТЦ по ГОСТ производится при твердении его в нормальных условиях, поведение бетонов на БТЦ, изготовляемых различными заводами, при пропаривании различно. Так, по данным А. Е. Шейкина, А. Я. Либмана и др. при пропаривании при 80° С бетон, изготовленный на БТЦ Белгородского завода, не имел никаких преимуществ по сравнению с бетоном на цементе Воскресенского завода марки 400; более того, при пропаривании по одинаковым режимам прочность бетона одного и того же состава на Воскресенском цементе была значительно выше, чем на БТЦ Белгородского завода. Особенно значительная разница наблюдалась при коротких режимах пропаривания.

Пропаривание при 100°С по режиму 2 + 4 + 2 ч оказалось наиболее эффективным для бетона на карагандинском цементе и наименее эффективным для бетона на Воскресенском цементе. Эти опыты проводились нами на готовых заводских цементах, вследствие этого нельзя было сделать каких-либо определенных выводов о влиянии минералогического состава клинкера и добавок, вводимых при его помоле, на интенсивность твердения цемента при этой температуре. Таким образом, марка цемента, определенная в соответствии с действующим ГОСТом, не может явиться надежной характеристикой для определения эффективности применения цемента в бетоне при пропаривании.

Пенобетонные блоки
Смотрите видео по теме

Смотрите видеоролик по теме

Для того чтобы установить оптимальный режим пропаривания для бетонов, приготовленных на различных цементах, нами были проведены опыты по пропариванию бетона состава 1:2: 3,4 при В/Ц=0,43. Расход цемента составлял 350 кг/м3, жесткость смеси 40 сек. Образцы размером 10X10X10 см пропаривали в формах без предварительного выдерживания при 60, 80 и 100°С в течение различного времени. В табл. 26 приведены результаты этих опытов, из которых видно, что бетоны на БТЦ Николаевского завода и на БТЦ Воскресенского завода после пропаривания при 60° С имели близкие значения прочности; при коротких режимах эти значения прочности значительно превышали прочность бетона, изготовленного на обычном портландцементе марки 400 Белгородского завода. При повышении температуры пропаривания, особенно при 100°С, наоборот, бетон на белгородском цементе имел лучшие показатели, чем бетон на николаевском цементе, а самую низкую прочность имели образцы на БТЦ Воскресенского завода.

Эти опыты показали, что определенному составу цемента соответствует оптимальный режим пропаривания, при котором твердение его протекает наиболее эффективно.

Раннсдорф (ГДР) исследовал влияние минералогического состава клинкера на интенсивность нарастания прочности бетонов и растворов при пропаривании. Исследованию подвергались пять клинкеров, минералогическая характеристика которых приведена в табл. Помол этих клинкеров производился до остатка на сите № 0085 от 3 до 10%. При помоле клинкера добавляли гипс в количестве от 1,5 до 3% в расчете на SO3. На основе этил цементов изготовляли растворы пластичной консистенции, из которых формовали образцы размером 4X4X16 см. Кроме того, изготовляли бетонные смеси с В/Ц=0,55 при расходе цемента 300 кг/м3, из которых формовали образцы размером 10X10X10 см.

После 5-часового предварительного выдерживания образцы пропаривали по режимам 2+4+5 и 2+8+5 ч при 70°С.

Результаты этих исследований приведены на рис. из которого видно, что для бетонов, подвергаемых пропариванию, наиболее пригодны цементы с высоким содержанием алита, в 3 раза и более превышающем количество C2S. Для получения высоких прочностей в короткие сроки пропаривания присутствие минерала C2S нежелательно, так как при тепловой обработке он малоэффективен и оказывает влияние лишь при длительном твердении

Райнсдорф указывает на положительное влияние минерала. А при получении высоких прочностей в результате кратковременной тепловой обработки и на то, что содержание C4AF практически не оказывает влияния на нарастание прочности в короткие сроки пропаривания. В то же время Райнсдорф рекомендует при помоле клинкеров с повышенным содержанием С3А вводить повышенное количество гипса, которое для цементов, содержащих С3А от 10 до 15%, должно составлять от 5 до 7,5% в расчете на SO3.

Г. И. Горчаков также указывал, что при пропаривании бетона на БТЦ с повышенным содержанием СзА дозировка гипса должна быть увеличена до 5% в расчете на S03. Повышение прочности при пропаривании при оптимальной добавке гипса, по мнению Г. И. Горчакова, может быть объяснено уплотнением цементного камня вследствие увеличения объема новообразований и количества химически связанной воды, а также «армирующим» влиянием высокосульфатного гидросульфоалюмината кальция. По мнению Райпсдорфа, гидросульфоалюминаты, образующиеся при пропаривании, вполне устойчивы. Так, в его опытах пропаренные образцы на основе высокоалюминатных цементов с содержанием 7% S03 при хранении в течение одного года в сульфатной воде полностью сохраняли свою прочность, в то время как образцы нормального твердения разрушились.

Эти данные, свидетельствующие о положительном влиянии гидросульфоалюминатов на процесс твердения цемента, находятся в противоречии с результатами исследований ряда авторов, установивших неустойчивость этих соединений.

Такое положение может быть объяснено различными условиями образования и различным составом гидросульфоалюминатов, образующихся при взаимодействии отдельных минералов с гипсом и при гидратации цемента.

Дискуссионным является вопрос о целесообразности введения тонкомолотых минеральных добавок в цементы, подвергаемые пропариванию.

По мнению А. Е. Шейкина, А. Я- Либмана и др. БТЦ, предназначенный для тепловой обработки, не должен содержать минеральных добавок, кроме гипса, т. е. должен быть чисто клинкерным. Райнсдорф также пришел к выводу, что введение в состав цемента тонкомолотого песка или доменного шлака нецелесообразно, так как прочность бетонов на цементах, содержащих такие добавки, ниже прочности бетонов, изготовленных на чистых портландцементах.

По данным И. В. Кравченко и М. Т. Власовой, наиболее высокую первоначальную прочность как при нормальном твердении, так и при кратковременном пропаривании имеют цементы из клинкеров с содержанием 52—58% C3S и 8—10% С3А. Повышение количества алюминатов в клинкере позволяет, по данным этих авторов, до известной степени снизить содержание в нем алита. При этом возможно введение активных кремнеземистых добавок в количестве до 5—10%.

Как показали исследования С. А. Миронова и В. Ф. Хворостянского, при кратковременном прогреве наиболее эффективными являются чисто клинкерные высокоалитовые малоалюминатные цементы (60—65% C3S й" 5—7% С3А).

Нами были проведены специальные опыты, в которых в качестве минеральных добавок использовались шлак и трепел. Цементы были изготовлены на основе клинкеров Невьянского. Карадагского и Воскресенского заводов.

Клинкер Карадагского завода содержал 64% трехкальциевого силиката и 6,3% трехкальциевого алюмината. Клинкер Воскресенского завода характеризовался содержанием трехкальциевого силиката в количестве 51% и трехкальциевого алюмината 11%- Невьянский клинкер содержал 51% трехкальциевого силиката и 13% трехкальциевого алюмината.

В качестве добавок применялись трепел и гранулированный шлак Ново-Тульского завода. Добавки вводились в количестве 10—25%.

Бетонные смеси состава 1. 2. 3,4 укладывались с применением вибрации при жесткости 25—30 сек. Средний расход цемента составлял 360 кг/м3 бетона. Бетонные образцы подвергались пропариванию по режимам: 2 + 3+2 и 3 + 8+2 ч при температуре 80°С и 2+2+1 ч при 100°С. Прочность образцов определялась после пропаривания через 4 ч и через 28 суток. Кроме того, изготавливались бетонные образцы нормального хранения.

Испытания показали (рис. 44), что бетон на цементах с добавкой 10% шлака сразу после пропаривания при коротких режимах имеет прочность в среднем на 15% ниже по сравнению с бетоном на чистом цементе. При нормальных режимах пропаривания общей продолжительностью 10—13 ч добавка 10% шлака не снижает прочность бетона. Прочности бетона на цементах с 10% шлака и на чистых клинкерных цементах к 28 суткам выравниваются. Следовательно, во многих случаях такая добавка заслуживает внимания.

Введение 25% шлака незначительно понижает прочность бетона сразу после пропаривания при нормальном режиме при 80° С и весьма значительно после пропаривания по более коротким режимам.

Добавка 10% трепела не дает значительного снижения прочности бетона сразу после пропаривания. Однако к 28 суткам прочность бетонов почти на всех цементах с такой добавкой получается ниже, чем на цементах без добавок. Для некоторых цементов (например, Воскресенского завода) добавка 10% трепела не показала снижения прочности бетона как сразу после пропаривания, так и в 28-суточном возрасте.

Содержание в цементе 25% трепела во всех случаях приводит к значительному снижению прочности бетона.

В принципе пуццолановые портландцемента из-за их высокой водопотребности не следует применять на заводах сборного железобетона. При изготовлении изделий из бетонов марок 150—300 по агрегатно-поточной технологии с нормальными режимами пропаривания следует шире использовать портландцемента и шлакопортландцементы марок 400—600. Применение шлакопортландцемента обеспечивает интенсивное нарастание прочности бетона при пропаривании, и, как правило, к 28 суткам последующего твердения бетон на этом виде цемента достигает марочной прочности или превышает ее.

Для того чтобы достигнуть большей или равной эффективности при пропаривании бетона на шлакопортландцементе по сравнению с бетоном на портландцементе марок 400—600, необходимо повысить качество шлакопортландцемента.

Некоторыми заводами цементной промышленности нашей страны выпускается шлаковый магнезиальный портландцемент. Целесообразность применения этого цемента при производстве сборных железобетонных изделий с применением пропаривания оставалось неясной. Исследование влияния пропаривания на шлаковый магнезиальный портландцемент было проведена С. М. Рояком, Н. Ф. Черкасовой и Е. Т. Яшиной. Опыты показали, что эти цементы по характеру твердения при пропаривании и при последующем хранении в нормальных условиях не отличаются от обычного шлакопортландцемента и могут применяться с ним наравне.

Как уже было отмечено выше, довольно часто цементы, весьма близкие по количественному содержанию основных клинкерных минералов, а также по виду и количеству добавок и тонкости помола, имеют различную прочность. Особенно большая разница в прочностных показателях наблюдается в начальные сроки нормального твердения (1—3 суток) или же при кратковременном пропаривании. Детальные исследования причин различного поведения цементов, приготовленных на основе клинкеров как весьма близкого, так и различного минералогического состава, были проведены Ю. М. Буттом и В. В. Тимашевым. Ими было исследовано более 50 клинкеров. Сходные по минералогическому составу клинкеры были объединены в различные группы.

Рассматривая влияние отдельных клинкерных минералов на интенсивность твердения и получаемую цементным камнем прочность, авторы приходят к выводу, что существует оптимальное количество каждого отдельного минерала, при котором прочностные показатели цемента имеют наибольшее значение. При твердении в нормальных условиях оптимальное содержание СзА в цементах составляет 8—12 %, a C4AF—12—14%. Увеличение или снижение содержания этих минералов в клинкере сопровождается снижением прочности цемента. Оптимальным количеством C3S в цементах является 50—55%; увеличение содержания этого минерала сверх указанного не приводит к существенному повышению прочности цементного камня и может вызвать даже ее понижение.

Как неоднократно указывалось Гжимеком, Ю. М. Буттом, А. Е. Шейкиным, В. В. Тимашевым и др. на интенсивность твердения цемента значительное влияние оказывает величина кристаллов отдельных минералов, и в основном алита.

Гжимеком_был получен путем двукратного обжига клинкера особый тип быстротвердеющего цемента, который приобретает высокую прочность за минимально короткий срок твердения. Этот цемент содержал в своем составе до 75% мелкокристаллического алита (с кристаллами размером до 15 мк) и почти не содержал минерала C2S.

А. Е. Шейкин и А. Я- Либман различие в прочностных показателях между цементами завода «Гигант» и Воскресенского, имеющих примерно одинаковое количество C3S и С3А, объясняют различным строением клинкера.

Петрографическое изучение этих клинкеров показало, что клинкер завода «Гигант» был малопористым и содержал большее, чем Воскресенский цемент, количество промежуточного вещества, а основная его масса состояла из кристаллов алита неправильной формы размером 20—100 мк, при этом преобладали кристаллы алита размером 40 мк. Клинкер же Воскресенского завода был пористый, содержал меньшее количество промежуточного вещества, а основная его масса состояла из алита в виде кристаллов неправильной формы размером 10—60 мк, чаще 25—30 мк. Отсюда ясно, что эти цементы различались главным образом строением кристаллов основного минерала клинкера — алита. Прочность бетона на цементе Воскресенского завода после пропаривания была на 15—20% выше прочности бетона, изготовленного на цементе завода «Гигант». Таким образом, был сделан вывод, что прочность бетона после пропаривания определяется не только минералогическим составом цемента, тонкостью помола и содержанием в нем гипса, но существенно зависит от петрографического строения клинкера. В частности, чем мельче кристаллы алита, тем выше активность цемента.

Однако, как показали последние исследования Ю. М. Буттг и В. В. Тимашева, при одинаковом минералогическом составе клинкера не только размер кристаллов алита влияет на активность цемента. По их данным, цементы из очень мелкокристаллических клинкеров чаще всего имеют менее высокую прочность, чем цементы из клинкеров с кристаллами алита размером 35—45 мк. В том случае, когда кристаллы алита очень малы, поверхность их покрыта пленками из алюмоферритной фазы и алит гидратируется в меньшей степени, чем в цементе, с более крупными кристаллами C3S. При наличии крупных кристаллов алита на активность цемента особенно большое влияние оказывает тонкость помола. Если крупные кристаллы сильно измельчены, то величина открытой поверхности их может оказаться достаточно большой, что обусловливает высокую активность системы. Следовательно, тонкость помола цемента необходимо связывать с размерами кристаллов алита и белита.

Одним из основных факторов, оказывающих влияние на активность цемента и величину достигаемой им прочности в ранние сроки твердения, по мнению Ю. М. Бутта и В. В. Тимашева, является структура кристаллов алита и белита.

Повышенной прочностью при твердении характеризуются цементы из плотных правильных по форме и не подверженных распаду кристаллов алита, а также плотных округлых кристаллов белита.

Следовательно, ни минералогический состав клинкера, ни размеры кристаллов отдельных минералов не могут однозначно определять интенсивность твердения и прочность цемента. Имеется еще ряд факторов, влияние которых может в существенной степени изменить характер твердения цемента. К ним относятся: структура кристаллов минералов, тонкость помола цемента, его гранулометрический состав, а также наличие малых количеств различных простых и сложных соединений, образованных такими химическими элементами, как фосфор, марганец, медь и др. которые не определяются стандартными методами химического анализа.

Так, по данным Т. В. Кузнецовой и К. Л. Соболевой, на прочностные показатели цементного камня как при нормальном твердении, так и, особенно, при пропаривании значительное влияние оказывает содержание в клинкере закиси железа. Опыты показали, что прочность цементного камня из клинкера. содержащего закиси железа больше 0,1%, после пропаривания снижается на 50—100 кГ/см2.

При многообразии факторов, влияющих на получение прочностных показателей цементного камня, наиболее надежным критерием оценки качества цемента являются его прочностные показатели. Однако существующие стандартные методы оценки активности цемента исходят из нормальных условий твердения при температуре 18—20° С, в то время как значительная часть сборного железобетона подвергается различным видам тепло-влажностной обработки в основном при температуре 60—95° С. Это приводит к несоответствию прочностных показателей цементов при оценке их марки по ГОСТ практически получаемым прочностям при твердении их в других условиях.

В связи с этим необходимо разработать специальные ГОСТ на цементы, предназначенные для сборного железобетона, подвергаемого тепловой обработке до 100° С. При этом требования строителей к этим цементам должны исходить из прочностных характеристик, получаемых после определенного режима тепло-влажностной обработки.

66
Цемент в мешках