Влияние гипса на твердение цементного теста и автоклавного газосиликата в частности - Технологические особенности производства автоклавных газобетонов

Применение гипса как обязательной составляющей портландцемента и цементов на его основе объясняется наличием в них минерала трехкальциевого алюмината (С3А). Отсутствие гипса в цементе легко распознается по резкому ускорению сроков схватывания цементного теста (растворных и бетонных смесей). Следовательно, такие цементы - так называемые быстряки не удается использовать для приготовления бетонов. В ряде случаев, когда на строительство поступал такой цемент, приходилось вводить в смесь больше воды, что снижало качество бетона.

Гипс вводят в растворы не только для регулирования сроков загустевания смесей на портландцементах и бетонах на их основе, но для регулирования их технических свойств, вследствие чего заметно повышается качество бетона. Поэтому следует рассмотреть причины, повышающие прочность, морозостойкость, сульфатостойкость и другие свойства бетона. Требуется пояснить результаты реакции гидратации минерала С3А, например:

3САО * Аl2О3 + 6Н2О = 3СаО * Аl2О2 * 6Н2О.

Кроме указанных в формуле шести молекул химически связанной воды (или иных количеств в аналогичном по свойствам соединении) значительно большая масса воды физически связывается с гидратированным трехкальциевым алюминатом.

Каркасом, образующим ячейки системы, служат новообразования из зерен цемента (в данном случае из трехкальциевого алюмината) и непрореагировавшие минералы полиминерального и полидисперсного цемента, а заполняет ячейки вода.

Высокое водоудержание в коагуляционных структурах гидратированного трехкальциевого алюмината объясняется особенностями кристаллических новообразований.

Процесс загустевания теста из порошка минерала С3А и воды (водных растворов) начинается через несколько минут. Загустевание теста связано с увеличением количества таких кристаллов, а не с изменением их формы. При затворении водой образуются кристаллики в виде тонких пластинчатых шестиугольников толщиной 10-12 мкм.

Прочность цементного камня из синтетического порошка С3А изменяется при его увлажнении, что показывает на особенность связей в этом соединении, во многом схожей со свойством природных глин.

В опытах было показано, что потеря связности и прочности имеет обратимый характер. Прочность образцов увеличивается с уменьшением их влажности, что позволяет после неоднократного разрушения затвердевших образцов снова их затворять водой, превращая в тесто. Последнее вновь превращается в прочный камень в условиях воздушного твердения.

Перечисленные особенности свойства минерала С3А позволили нам назвать этот минерал не гидравлическим, а глиноподобным. Иначе говоря, портландцемент имеет в своем составе кроме минералов, для которых влажные условия являются оптимальными при твердении, и такие минералы, которые в этих условиях не упрочняются. В частности, по этой причине необходимо нормировать в цементе содержание минерала С3А.

Гипс обеспечивает разрушение глиноподобных коагуляционных структур, образующихся при гидратации минерала С3А. В этом случае при реакции образуются высокосульфатная или низкосульфатная формы гидросульфоалюмината кальция:

    3СаО * АI2О3 + 3CaSО4 * 2Н2О + 25Н2О = 3СаО * Аl2О3 * 3CaSО4 * 31Н2О 3СаО * Аl2О3 + CaSО4 * 2Н2О + 10H2О = 3СаО * Аl2О3 * CaSО4 * 12Н2О

Опыты проводились на образцах из гидросульфоалюмината размерами 1х1х1 и 1х1х3 см, изготовленных из пластичных смесей состава 1:3 на чисто кварцевом речном песке с зернами размером 0,15-0,25 мм, с разными значениями В/Ц. Высокосульфатная форма гидросульфоалюмината образуется при увеличении в два раза количества этого новообразования против исходных продуктов. Следовательно, этот процесс протекает в тот период, когда окружающие его новообразования из минералов цемента будут пластично деформироваться при воздействии на них усилий от формирующего гидросульфоалюмината 3СаО * АI2О3 * 3CaSО4 * 31Н2О. В случае изменения состояния новообразований - среды для этого соединения при переходе их в хрупкое тело, произойдет потеря сплошности и разрушение образца.

По этой причине для регулирования сроков схватывания цемента заводского помола количество вводимого в мельницу гипса строго лимитируется. Оно составляет не более 3,5% в расчете на SО3, что для химически чистого гипсового камня составит 7% от массы цемента.

Расчет содержания гипса по ангидриду серной кислоты ведут потому, что гипсовый камень - осадочная порода, в которой кроме CaSО4 и 2Н2О содержится (в зависимости от месторождения) различное количество примесей, не вступающих в реакцию с С3А. Следовательно, определение для цемента необходимого количества гипса достигается указанным приемом расчета.

В случае использования гипсового камня с содержанием в нем 50% примесей, необходимо вводить в цемент 14% последнего при помоле клинкера. Для полного связывания минерала С3А в цементе при реакции с водой в гидросульфоалюминат требуется добавлять больше гипса. Для образования высокосульфатной формы гидросульфоалюмината на весовую единицу С3А нужно примерно 2 единицы массы чистого гипса (CaSО4 * 2Н2О), что можно подсчитать из формулы этого соединения.

В сульфатостойком портландцементе содержание минерала С3А ограничивается 5%, а в сульфатостойком пуццолановом портландцементе 8%. В соответствии с указанным расчетом в этих цементах должно содержаться 10 и 16% химически чистого гипса или 5 и 8% в расчете на серный ангидрид (SО3). В случае же применения сульфатостойкого портландцемента с минимальным содержанием минерала С3А (по сравнению с другими портландцементами) не все количество минерала С3А будет связано с гипсом в гидросульфоалюминате. Это позволяет считать, что в бетонах на таких цементах он может образоваться в длительный период эксплуатации сооружений в агрессивной сульфатной среде. Несомненно, в сульфатной среде наиболее сульфатостсек тот бетон, в котором не было как исходного, так и гидратированного минерала С3А.

Наличие в цементном камне несвязанного с гипсом гидратированного трехкальциевого алюмината объясняется недостаточной тонкостью измельчения клинкера в заводских мельницах. При таком измельчении не все количество минерала С3А вскрывается для последующей реакции с водой. Опыты по тонкому измельчению клинкера с водой "мокрым помолом" показывают, что даже в цементах, содержащих значительно большее количество минерала С3А против количеств, допускаемых в сульфатостойких цементах, удается связать практически все количество минерала С3А.

Доказательством полного связывания минерала С3А гипсом служили: отсутствие разрушения образцов при длительном твердении при параллельном сравнении с образцами-эталонами, в которых использован тот же клинкер, размельченный в цементный порошок обычным сухим способом, и испытание на длительную морозостойкость.

Указанные цементы по составу исходных минералов цемента приближаются к цементам типа гипсосиликатных, технические свойства цементного камня в которых определяются группой минералов цемента - силикатов кальция С3S и C2S, минералом С3А и гипсом - CaSО4 * 2Н2О.

При разных способах измельчения клинкера с увеличением дисперсности цемента создаются условия для вовлечения в реакцию с водой и гипсом большего количества минерала С3А. В клинкере с 11% этого минерала при мокром измельчении не удалось вскрыть все количество минерала для реакции образования гидросульфоалюмината в период, когда тесто находилось в упруго-вязко-пластичном состоянии. Возникновение этой реакции, когда образуются прочные и хрупкие кристаллические связи из гидратированных силикатов кальция, а также продуктов гидратации алюмоферрита, приводит к разрушению образцов.

Следовательно, как и при сульфатной коррозии, возможно аналогичное разрушение бетона в воздушно-влажной и в воздушной среде при твердении с повышенным количеством гипса в цементе заводского помола.

При создании препятствий для увеличения объема образца из-за такого процесса образования гидросульфоалюмината удается получать бетоны с высокой водо - и бензинонепроницаемостью или (при высокой дисперсности цемента) с напряжением арматуры в железобетоне. Отметим, что при 15% гипса получается максимальный эффект упрочнения на дальние сроки твердения цемента из высокоалюминатного клинкера (кгс/см2):

R3 = 191; R7 = 274; R28 = 275; R90 = 431; R180 = 432; R360 = 405.

Неустойчивость высокосульфатной формы гидроалюмината имеет важное значение в строительном деле. Изучением стабильности высокосульфатной формы гидросульфоалюмината занимались ряд исследователей в СССР и за рубежом, но она нуждается в дальнейшем изучении.

Содержащийся в цементе трехкальциевый алюминат гидратируется очень быстро. В отсутствие сульфатных ионов он образует коллоиды с большим содержанием воды, вызывающие быстрое схватывание цементного раствора или бетона.

В присутствии гипса в отличие от этого образуются крупнокристаллические кальцийсуль-фоалюминатные фазы, препятствующие преждевременному образованию коллоидов.

Трехкальциевый алюминат цемента влияет не только на схватывание, но также и на прочность цементного камня. По данным Бога, образование гидроалюминатов кальция вызывает пористость структуры цементного раствора или бетона и снижает ее прочность.

В результате реакций с гипсом вместо гидроалюминатов кальция образуются гидросульфоалюминаты кальция, не вызывающие снижения прочности. Известно, что образование сульфоалюминатных фаз протекает с изменениями объема, понижающими прочность бетона.

При этом решающую роль играет три-сульфоалюминат, в то время как моносульфоалюминат, по-видимому, не оказывает никакого влияния.

Если эти изменения объема происходят еще в пластичном растворе или бетоне, то они не снижают его прочности. Опыты показали, однако, что при определенных условиях трисульфоалюминат может образоваться также в затвердевшем растворе или бетоне и что он при этом также может не оказывать вредного влияния на прочность и постоянство объема. А именно тогда, когда он образуется из C4AF и гипса в цементах с высоким содержанием C4AF, не содержащих С3А. При повышении температуры твердения к цементу, чтобы он мог достигнуть максимальной прочности, приходится добавлять больше гипса, но с увеличением периода твердения оптимальное содержание гипса не изменяется.

Роль гипса заключается в том, что он входит, с одной стороны, в комплексные новообразования, легко кристаллизующиеся и армирующие искусственный камень и, с другой стороны, активизирует систему. Количество гипса при этом должно быть оптимальным, так как оно тесно связано с активностью глинитного компонентна, содержанием золы и дисперсностью вяжущего. Природный гипсовый камень и обожженный гипс в виде полугидрата действуют одинаково, поэтому целесообразно применять более дешевый гипсовый камень.

Также, добавка гипса интенсифицирует взаимодействие оксида кальция и кремнезема (извести и золы), что приводит к повышению прочности газобетона. Кроме того, по данным зарубежных производителей, введение гипса способствует снижению усадки при высыхании. В технологическом плане, гипсовый камень замедляет гашение извести, что имеет особое значение при использовании извести с короткими сроками гашения.

Для большинства пород оптимальной добавкой является 3-5% двуводного гипса.

Положительная роль гипса при твердении вяжущих в условиях гидротермальной обработки отмечалась многими исследователями. Были изучены вяжущие с использованием зол и шлаков, горелых пород и речного песка с глинистыми, примесями. Имеются также данные, указывающие на некоторое снижение прочности изделий с введением в состав вяжущих гипса. Исследованы вяжущие с использованием некоторых глин и суглинков месторождений Белоруссии. Как при пропаривании, так и при автоклавной обработке при 8 атм добавка гипса вызывала значительное повышение прочности образцов.

Похожие статьи




Влияние гипса на твердение цементного теста и автоклавного газосиликата в частности - Технологические особенности производства автоклавных газобетонов

Предыдущая | Следующая