Расширяющийся цемент – продукт, получаемый тщательным смешиванием глиноземистого цемента или цемента и расширяющиеся добавки. Отличительное свойство расширяющихся цементов – способность к расширению в процессе схватывания и твердения. Расширение цементного камня основано на росте кристаллов образующегося при их твердении гидросульфоалюмината кальция.
Расширяющиеся цементы изготовляют несколько видов: гипсоглиноземистый водонепроницаемый расширяющийся цемент – на основе глиноземистого цемента, расширяющийся цемент, напрягающий цемент – на основе цемента.
Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент (ГОСТ 11052-74) – быстротвердеющее гидравлическое вяжущее, получаемое совместным тонким измельчением высокоглиноземистых шлаков (70%) и природного двуводного гипса (30%). По прочности гипсоглиноземистый расширяющийся цемент, как и обычно глиноземистый, делится на марки 400 и 500.
Прочность гипсоглиноземистого цемента увеличивается в основном в течении первых трех суток твердения, в последующем прочность цемента повышается незначительно.
Морозостойкость растовра на гипсоглиноземистом цементе состава 1:2 (цемент: песок) составляет около 200 циклов попеременного замораживания и оттаивания в пресной воде.
Коррозионная стойкость этого цемента в растворах сульфатов очень высокая, а в растворах хлористых солей ниже, чем глиноземистого цемента.
Применяют расширяющийся гипсоглиноземистый цемент для изготовления безусадочных и расширяющихся водонепроницаемых растворов и бетонов, гидроизоляционных штукатурок, для заделки стыков сборных бетонных и железобетонных конструкций, их омоноличивания и усиления.
Расширяющимся цементом называется продукт, получаемый тщательным смешением глиноземистого цемента или цемента и расширяющейся добавки.
При твердении обычных цементов в условиях недостаточной влажности наблюдаются усадочные деформации вследствие высыхания и уплотнения коллоидальных продуктов гидратации цементов. Величина усадочных деформаций зависит от состава цемента. В ряде случаев, когда усадочные деформации недопустимы, необходимо применять безусадочный болтов, устройства торкретных и других гидроизоляционных покрытий на трубах и подземных сооружениях, для получения плотных стыков в сборных бетонных и железобетонных конструкциях, для заделки трещин, для омоноличивания и усиления конструкций и не которых других строительных нужд.
Все расширяющиеся цементы являются смешанными и состоят из основного вяжущею вещества и расширяющейся добавки, в которую в свою очередь могут входит несколько компонентов. При твердении таких цементов вследствие взаимодействия компонентов расширяющейся добавки или в результате взаимодействия их с частью основного вяжущего происходит расширение, которое на определенной стадии заканчивается или приостанавливается вследствие твердения основного вяжущее. Полученная расширенная структура при этом стабилизируется.
Известны несколько видов расширяющихся цементов: на основе глиноземистого цемента — водонепроницаемый расширяющийся цемент, гипсоглиноземистый; на основе цемента — расширяющийся цемент, напрягающий цемент и т. д.
Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ), предложенный В. В. Михайловым,- быстросхватывающееся и быстротвердеющее гидравлическое вяжущее, получаемое путем совместного помола или тщательного смешения тонкоизмельченных глиноземистого цемента и расширяющейся добавки, состоящей из высокоосновных (четырехкальциевых) гидроалюминатов кальция и полуводного гипса. Дозировка компонентов расширяющегося цемента примерно следующая: 70% глиноземистого цемента, 10% высокоосновных гидроалюминатов и 20% строительного гипса (высокопрочного или обычного).
Высокоосновные гидроалюминаты кальция получают следующим образом: глиноземистый цемент и известь-пушонку в пропорции 1: 1 по весу затворяют 30% воды по весу и после 48-часового выдерживания варят, перемешивая, при температуре 120-150°C в течение 5-6 ч. Полученный материал сушат, измельчают в шаровой мельнице, после чего в той же мельнице его смешивают — с обычным или высокопрочным строительным гипсом и глиноземистым цементом.
Расширение этого цемента основано на росте кристаллов образующегося при их твердении гидросульфоалюмината кальция. Происходит оно в начальной стадии твердения, когда масса еще может деформироваться. Протекающее при этом твердение основного компонента — глиноземистого цемента ста6илизирует (приостанавливает) через определенный период (1-2 суток) увеличение объема расширяющейся добавки.
В процессе твердения расширяющегося цемента образуется более плотный цементный камень, значительно менее водопроницаемый, чем при твердении, обычного цемента. Таким образом, расширяющиеся цементы являются одновременно и водонепроницаемыми.
Согласно СНиП водонепроницаемый расширяющийся цемент ВРЦ должен быть размолот так, чтобы остаток на сите №008 не превышал 25%, начало схватывания должно наступать не ранее 4 мин, а конец не позднее 10 мин. Для замедления схватывания расширяющегося цемента добавляют виннокаменную и уксусную кислоту, буру и сульфитно-спиртовую барду.
Предел прочности при сжатии куJ6иков размером 2х2х2 см из цементного теста 1:0 через 12 ч ,не менее 75; через 3 суток не менее 300 и через 28 суток не менее 500 кг/см2.
Величина относительного линейного расширения твердеющих образцов из цементного теста нормальной густоты в возрасте одних суток при погружении в воду через час после затворения должна находиться в пределах 0,3-1%, а при хранении на воздухе в течение одних суток должна составлять не менее 0,05%, а в течение 28 суток не менее 0,02%. Через сутки твердения образцы должны быть полностью водонепроницаемы при гидростатическом давлении до 6 атм.
По В. В. Михайлову, возможно изготовление и водонепроницаемого безусадочного цемента ВБЦ, в состав которого входят примерно 85% глиноземистого цемента; 10% гипса и 5% извести. Согласно СНиП остаток на сите №008 для этого цемента должен 6ыть не более 15%, начало схватывания должно наступать не ранее 1 мин, а конец не позднее 5 мин. Предел прочности при сжатии кубиков размером 2х2х2 см из цементного теста через 2 ч должен быть не менее 50; через 6 ч 125; через 3 суток 250 и через 28 суток 300 кг/см2. Величина относительного линейного расширения цемента ВБЦ при погружении в воду должна через 1 сутки находиться в пределах 0,01-0,1 %.
Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент, предложенный И. В. Кравченко, является быстротвердеющим гидравлическим вяжущим, получаемым совместным тонким измельчением высокоглиноземистых шлаков (70%) и природного двуводного гипса (30%). В этом случае образование гидросульфоалюмината кальция протекает в результате взаимодействия с сульфатом кальция низкоосновных гидроалюминатов кальция, образующихся при гидратации глиноземистого цемента. При твердении гипсоглиноземистого расширяющегося цемента на воздухе необходимо увлажнять изготовленные из него растворы и бетоны в течение первых трех дней после затворения водой.
Согласно СНиП начало схватывания гипсоглиноземистого цемента должно наступать не ранее 20 мин, а конец не позднее 4 ч после затворения, остаток на сите № 008 — не более 10%. Марки гипсоглиноземистого цемента: 300, 400 и 500 (предел ,прочности при сжатии через 3 суток образцов жесткой консистенции из раствора 1:3). Через сутки прочность составляет соответственно 250, 350 и 450. Величина относительного линейною расширения твердеющих образцов цементного теста из гипсоглиноземистого цемента должна составлять не менее 0,15 и 0,1 % соответственно через 1 и 28 суток комбинированного водно-воздушного твердения и не менее 0,15 % через сутки при погружении в воду (через 1 ч после конца схватывания), а также не менее 0,3% и не более 1% через 28 суток такого же водного режима твердения. Водонепроницаемый расширяющийся цемент и гипсоглиноземистый расширяющийся цемент не рекомендуется применять для производства строительных работ при температуре ниже 0 0С без обогрева, а также при эксплуатации конструкций в условиях температуры выше +80 0С.
Французский ученый Лосье предложил получать расширяющийся, а также безусадочный цемент из трех компонентов:
1) цемента, составляющего основу этого цемента;
2) сульфоалюминатного цемента, являющегося расширяющейся добавкой;
3) стабилизатора в виде шлака, вступающего в реакцию через определенный период твердения и приостанавливающего расширение цемента путем поглощения одного из компонентов расширяющейся добавки — сульфата кальция. Сульфоалюминатный цемент состоит из алюминатов кальция, сульфата кальция и небольшого количества двухкальциевого силиката и ферритов кальция. Он получается путем обжига при 1200-1300°С смеси, состоящей из 50% гипса, 25% железистого боксита и 25% мела, и последующего помола полученного клинкера. Причиной расширения цемента Лосье является образование трехсульфатной формы гидросульфоалюмината.
П. П. Будниковым, Т. Г. Скрамтаевым и И. В. Кравченко предложен гипсо-шлакоглиноземистый расширяющийся цемент, состоящий из 45% глиноземистого цемента, 25% основного гранулированного доменного шлака и 30% двуводного гипса.
Расширяющийся цемент (РЦ), предложенный И. В. Кравченко, является гидравлическим вяжущим веществом, быстро твердеющим при пропаривании. Получают его путем совместного помола портландцементного клинкера (60-65%), высокоглиноземистых Хшлаков (5-7%), двуводного гипса (7-10%) и гидравлической добавки (20-25%).
Расширение РЦ основано на образовании гидросульфоалюмината кальция. В первый период твердения обычного цемента образуется такое количество гидросульфоалюмината кальция, которое не может обеспечить его расширение. Добавка высокоглиноземистых шлаков (глиноземистого цемента) и гипса способствует увеличению количества возникающего гидросульфоалюмината. Гидравлическая добавка понижает концентрацию СаО в жидкой фазе, обеспечивая более быстрое растворение алюминатов кальция и образование гидросульфоалюмината путем кристаллизации из раствора в первый период твердения.
Гидросульфоалюминат кальция образуется с большей скоростью при 60-80 0С, поэтому пропаривание при этих температурах значительно ускоряет твердение РЦ.
Используемый в производстве РЦ цементный клинкер должен содержать не менее 7% алюминатов кальция и не менее 45% С3S. Высокоглиноземистые шлаки (глиноземистый цемент) могут быть заменен бокситом.
Начало схватывания РЦ не ранее 30 мин, а конец не позднее 12 ч. Марки — 400, 500 и 600 (при испытании на прочность при сжатии через 28 суток образцов из раствора жесткой консистенции). Величина относительного линейного расширения образцов из цементного теста должна составлять не менее 0,15 и 0,1% соответственно через 1 и 28 суток комбинированного водно-воздушного твердения и не менее 0,15% через 1 сутки водного твердения; через 28 суток хранения в воде она должна составлять 0,3-1%. Образцы из бетонной смеси, должны обнаруживать полную водонепроницаемость при рабочем давлении 1 атм.
Напрягающий цемент (НЦ), предложенный В. В. Михайловым и его сотрудниками, представляет собой быстросхватывающееся и быстротвердеющее вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельчения смеси, состоящей из 65% цемента, 20% шлака глиноземистого цемента и 15% гипса. Он предназначен для железобетонных конструкций, арматура которых должна быть напряжена в нескольких направлениях (двухосное и трехосное напряженное армирование). Такое напряжение арматуры механическим путем связано с большими затруднениями.
Расширяющиеся цементы увеличиваются в объеме лишь в начальный период твердения, когда прочность бетона еще недостаточна, чтобы «увлечь» арматуру и сообщить ей предварительное напряжение. При твердении НЦ сначала возникает низкосульфатная форма гидросульфоалюмината (3СаО*Аl2О3*CaSO4*12Н2О), которая затем переходит в высокосульфатную (3СаО*Аl2О3*3CaSO4*31Н2О). Этот переход вызывает значительное расширение цемента, достигающее 3%. При этом сильно уплотняются поры бетона, он расширяется и натягивает строительную арматуру. После образования высокосульфатного гидросульфоалюмината дальнейшего расширения не происходит и при правильной рецептуре недопустимых вредных напряжений не возникает.
Процесс расширения НЦ ускоряется при пропаривании в течение 5-6 ч. При этом расширение заканчивается в течение нескольких суток после пропаривания.
Начало схватывания НЦ 2-5 мин, а конец 4-7 мин. Замедляют схватывание добавки сульфитно-спиртовой барды и виннокаменной кислоты. Предел прочности при сжатии через 1 ,сутки 200-300 кг/см2.
Напрягающий цемент целесообразно применять для производства напорных железобетонных труб и некоторых других тонкостенных железобетонных изделий.