Главная → Статьи

Глиноземистый цемент

Глиноземистый цемент — быстротвердеющее гидравлическое вяжущее, состоящее преимущественно из моноалюмината кальция (СаО * А1203). Свое название этот цемент получил от технического названия оксида алюминия А1203 — глинозем.

Промышленное производство глиноземистого цемента началось во Франции в 1912 г. под названием цемент фондю (в Европе этот цемент до сих пор носит такое название). Глиноземистый цемент с успехом использовался французами в ходе Первой мировой войны для срочного восстановления мостов и других инженерных сооружений. В других европейских странах его производство началось только в 20-е годы. Причина этого не только в том, что производство глиноземистого цемента было строго засекречено, но и в том, что Франция в то время была одной из немногих стран, имеющих залежи бокситов и дешевую электроэнергию ГЭС — два фактора, необходимых для производства глиноземистого цемента.

Получение. Сырьем для глиноземистого цемента служат, как уже было сказано, бокситы и чистые известняки. Бокситы — горная порода, состоящая из гидратов глинозема (А1203 * лН20) и примесей (в основном Fe203, Si02, СаО и др.). Бокситы широко используются в различных отраслях промышленности: для получения алюминия, абразивов, огнеупоров, адсорбентов и т. п., а месторождений с высоким содержанием А1203 очень немного.

Производство глиноземистого цемента более энергоемко, чем производство портландцемента. Клинкер глиноземистого цемента получают либо плавлением в электрических или доменных печах (при 1500…1600 °С), либо спеканием (при 1200…1300 °С). Размол клинкера затруднен из-за его высокой твердости. В целом из-за того, что производство глиноземистого цемента очень энергоемко, а сырье (бокситы) — дефицитно, его стоимость в 8… 10 раз выше, чем стоимость портландцемента.

Состав. Химический состав глиноземистого цемента, получаемого разными методами, находится в следующих пределах: СаО — 35…45 %; А1203 – 30…50 %; Fe203 – 0…15 %; Si02 – 5…15 %. В минеральном составе клинкера глиноземистых цементов преобладает однокальциевый алюминат СаО * А1203 (СА), определяющий основные свойства этого вяжущего. Кроме того, в нем присутствуют: алюминаты — СА2, С12А7; двухкальциевый силикат C2S, отличающийся, как известно, медленным твердением, и в качестве неизбежной балластной примеси алюмосиликат кальция — геленит — 2СаО * А1203 * 2Si02, не способный к твердению.

Твердение. Процесс твердения глиноземистого цемента и прочность образующегося цементного камня существенно зависят от температуры твердения. При нормальной температуре (до + 25 °С) основной минерал цемента СА взаимодействует с водой с образованием кристаллического гидроалюмината кальция и гидроксида алюминия в виде гелевидной массы:

2(СаО * А1203) + 11Н20 = 2СаО * А1203 * 8Н20 + 2А1(ОН)3

Суммарное тепловыделение (Q) у глиноземистого цемента немного ниже, чем у портландцемента (около 300…400 кДж/кг), но протекает оно в очень короткие сроки (в первые сутки выделяется 70…80 % от общего количества теплоты). Поэтому в случае больших объемов бетонирования возможен перегрев бетонов на глиноземистом цементе.

Если же температура твердеющего глиноземистого цемента превысит 25…30 °С, то изменяется химизм твердения, и вместо С2АН8 образуется С3АН6; при этом прочность цементного камня будет ниже в 2…2,5 раза.

Поэтому глиноземистый цемент не рекомендуется использовать для бетонирования массивных конструкций, где возможен саморазогрев бетона, а также в условиях жаркого климата. Нельзя также его пропаривать. При работах в зимних условиях, напротив, саморазогрев и быстрое твердение делают глиноземистый цемент очень перспективным.

Свойства. У глиноземистого цемента удивительное сочетание свойств.

Сроки схватывания почти такие же, как у портландцемента: начало — не ранее 30 мин, конец — не позднее 12 ч (реально 4…5 ч).

Твердение. После окончания схватывания прочность нарастает очень быстро (лавинообразно). Уже через сутки глиноземистый цемент набирает до 70 % от марочной прочности, которая у него определяется в 3-суточном возрасте. Марки у глиноземистого цемента такие же, как у портландцемента: 400; 500 и 600.

Усадка глиноземистого цемента при твердении на воздухе ниже, чем у портландцемента, в 3…5 раз. Пористость цементного камня также ниже (приблизительно в 1,5 раза). Это связано с тем, что при одинаковой с портландцементом водопотребности глиноземистый цемент при твердении химически связывает 30…45 % воды от массы цемента (портландцемент — около 20%).

Среда в процессе твердения и в затвердевшем цементном камне у глиноземистого цемента слабощелочная. Свободного Са(ОН)2 цементный камень не содержит. Это обстоятельство в сочетании с пониженной пористостью делает бетоны на глиноземистом цементе более устойчивыми к коррозии в пресной и минерализованной воде.

Области применения. Глиноземистый цемент целесообразно использовать при аварийных и срочных работах, при зимних работах и в тех случаях, когда от бетона требуется высокая водостойкость и водонепроницаемость. Кроме того, глиноземистый цемент является компонентом многих расширяющихся цементов.

Специальная область использования глиноземистых цементов — жаростойкие бетоны. Объясняется это тем, что, во-первых, в продуктах твердения этого цемента нет Са(ОН)2, и, во-вторых, при температуре 700…800 СС между продуктами твердения цемента и заполнителями бетона начинаются реакции в твердой фазе, по мере протекания которых прочность бетона не падает, а повышается, так как бетон превращается в керамический материал (опасность присутствия Са(ОН)2 заключается в том, что при нагреве он переходит в СаО, который при любом контакте с водой гасится, разрушая при этом бетон).

—

Глиноземистый цемент, называемый иногда алюминатным или высокоглиноземистым, представляет собой гидравлическое вяжущее, основными компонентами которого являются алюминаты кальция, в противоположность портландцементу, который состоит в основном из силикатов кальция. Примерами такого цемента могут служить: французский «ciment fondu», германский «Schmelzzement», американский «lumnite cement».

Спекмэн в США и Вид во Франции независимо друг от друга разработали технологию производства глиноземистого, цемента. Оба исследователя опирались на предшествующие работы Вика, Кандло и Шота. Опыты Бэйтса показали, что можно использовать вращающуюся печь для получения клинкера глиноземистого цемента.

Спекмэн пытался получить вяжущее с высокой прочностью в раннем возрасте, добавляя к извести или портландцементу алю-минатные соединения, изготовленные из боксита и высокоглинозе-мистых шлаков. Примерно в 1910 г. на рынке появились различные натуральные цементы под названием «алька», содержавшие добавку алюминатов Спекмэна. В дальнейшем было организовано производство высокоглиноземистых натуральных цементов, а затем глиноземистого цемента, подобного тому, который был получен Видом.

Вид, работавший во Франции, ставил своей задачей создать глиноземистый цемент с повышенной сульфатостойкостью, который был необходим для строительства в некоторых районах страны, изобиловавших гипсом. Он решил эту задачу путем сплавления бокситов или других глиноземистых и железистых материалов, содержащих мало кремнезема, с известью в соответствующей пропорции.

Полученный продукт обладал не только сульфатостойкоетью, но и высокой прочностью в раннем возрасте. В 1918 г. после пятилетнего опыта применения этого цемента французским правительством для военных нужд, он ‘был выпущен для общего пользования.

Производство

Сырьем для производства глиноземистого цемента служат обычно низкосортные бокситы и известняк (высокосортные бокситы идут на производство глинозема). Точно дозированная и хорошо перемешанная смесь сырьевых материалов нагревается до температуры, при которой известь вступает в реакцию с глиноземом, образуя соединения алюминатов кальция. Сырьевая смесь полностью плавится примерно при 1540° С. Расплав выпускают из печи, дают ему застыть, охлаждают и затем размалывают с добавками или без них. Во избежание рассыпания застывшего расплава необходимо держать на сравнительно низком уровне содержание кремнезема в смеси.

В США глиноземистый цемент производится по способу плавления тонкоизмельченной сырьевой смеси во вращающейся печи. Эта печь отличается от обычной вращающейся печи, применяемой для производства портландцемента спеканием, тем, что разгрузочный конец ее резко сужен; в этой конической части несколько задерживается обжйгаемый материал, что облегчает процесс полного расплавления его. Для ускорения реакции между известью и бокситом прибегают к спеканию сырьевой смеси при температуре ниже точки начала плавления.

В других странах для производства глиноземистого цемента применяют отражательные или электродуговые печи. Шахту печи загружают кусками известняка и боксита, а также бокситовыми брикетами, из которых под действием горячих газов, выделяющихся из печи, удаляются СОо и другие летучие вещества. Материал постепенно опускается и попадает в печь, где происходит плавление его. В отражательной печи выпуск расплава производится непрерывно, а в электрической — периодически.

Скорость охлаждения расплава оказывает большое влияние на сроки схватывания и скорость твердения глиноземистого цемента. Методы охлаждения, применяемые на том или ином заводе, обычно держатся в секрете. Скорость охлаждения влияет также на размалываемость клинкера или застывшего расплава. Ввиду исключительной твердости и абразивности глиноземистого клинкера его приходится молоть значительно крупнее, чем клинкер портландцемента.

Химические и физические свойства

По пределам колебаний химического состава он заметно отличается от глиноземистого цемента, производимого в некоторых странах. Следует отметить, что американский глиноземистый цемент содержит примерно одинаковое количество извести и глинозема. Значительное количество закиси железа ib глиноземистом цементе показывает, что плавление сырья происходит в восстановительной среде.

Петрографическое исследование глиноземистого цемента показывает, что он состоит из кристаллической фазы, главным образом однокальциевого алюмината, который окружен темной аморфной массой, содержащей большое количество железа и немного извести, глинозема и кремнезема, не успевших закристаллизоваться. В кристаллической фазе часто присутствуют небольшие количества устойчивой и неустойчивой модификаций пятикальциевого трехалюмината, причем устойчивая модификация, очевидно, преобладает в тех случаях, когда содержание железа в цементе очень ограничено. Отношение кристаллических компонентов к аморфным колеблется в зависимости от скорости охлаждения и режима обжига в печи.

Работы Ранкина и Райта по изучению системы СаО—А1203— Si02 показали, что в ней должен образовываться также трехкальциевый пятиалюминат, хотя он и не может быть обнаружен при микроскопическом исследовании.

В некоторых цементах кремнезем присутствует в форме кристаллического двухкальциевого алюмосиликата (галенита, C2AS). В большом количестве это соединение может понизить прочность цемента. Кроме того, кремнезем может присутствовать и в форме ортосиликата кальция (C2S). Второстепенные компоненты, иногда наблюдаемые в глиноземистом цементе (окись титана, сульфиды, скись фосфора, щелочи), как полагают, не оказывают существенного влияния на его свойства.

При гидратации глиноземистого цемента образуются большие количества геля, что объясняется реакцией между водой и СА, а также устойчивой и неустойчивой модификациями С5А3. Это геле-образное аморфное вяжущее вещество является носителем высокой прочности твердеющего цементного теста в раннем возрасте, в результате чего цемент приобретает значительную часть своей конечной прочности уже в первые сутки. Но и после этого срока гидратация продолжается, причем образуются новые количества аморфного вещества, способствующего созданию плотной непроницаемой структуры бетона.

Если глиноземистый цемент гидратируется при температуре около 27° С или выше, то образуются кубические кристаллы трехкальциевого гидроалюмината, причем прочность бетона снижается. Поэтому бетон, изготовленный из глиноземистого цемента, в период от начала схватывания до односуточного возраста поливают водой, чтобы рассеять тепло, выделяющееся при быстрой гидратации. По той же причине не применяют пропаривания глиноземистого бетона и укладывают его слоями не толще 30 см. Бетон из глиноземистого цемента, подвергавшийся сильному нагреванию во время твердения, имеет характерный шоколадно-серый оттенок. Орошение бетона водой предупреждает шелушение его поверхности вследствие карбонизации.

Для получения цемента с нормальными сроками схватывания обычно прибегают к регулированию скорости охлаждения расплава. Наряду с этим применяются и некоторые замедлители схватывания, как хлористый натрий, нитрат натрия, глицерин, сахар. Излишнее количество сахара может задержать схватывание на неопределенное время. Гипс, который служит обычно для замедления схватывания портландцемента, ускоряет схватывание глиноземистого цемента. Другие формы серного ангидрида также ускоряют схватывание. Подобным же образом действуют на глиноземистый цемент гидроокись кальция, гидроокись натрия, карбонаты кальция и натрия.

Добавка небольшого количества портландцемента ускоряет начало схватывания теста, раствора и бетона из глиноземистого цемента. В свою очередь небольшая добавка глиноземистого цемента ускоряет схватывание портландцемента. Добавка одного цемента к другому в избыточном количестве может вызвать мгновенное схватывание. Это свойство используется для получения высокопластичного, но быстросхватывающегося цементного раствора, который необходим при укладке дорожных бетонных плит и заделке отверстий в бетонных сооружениях под гидростатическим давлением. Следует иметь в виду, что при смешивании разных цементов известное влияние на сроки начала схватывания оказывают также и колебания в содержании S03 и щелочей в портландцементе.

Объемные деформации твердеющего теста глиноземистого цемента при увлажнении и высыхании в основном такие же, как и у портландцементного теста. Это относится и к усадке при высыхании свежего цементного теста. Коэффициент термического расширения и показатели проницаемости у обоих цементов также одинаковы. Модуль упругости глиноземистого цемента несколько выше и составляет около 315 000 кг/см2. Величина его колеблется в зависимости от прочности, как и у портландцемента, а прочность в свою очередь изменяется с изменением водо-цементного отношения и температуры твердения.

Применение

Глиноземистый цемент применяется для изготовления различных специальных бетонов — огнеупорного, жаростойкого, корро-зиестойкого и быетротвердеющего, а также для защиты каменных или бетонных сооружений от действия грунтовых вод. ‘

Хотя усиленное разогревание бетона из глиноземистого цемента во время твердения вредно отражается на его прочности, а в особо неблагоприятных условиях температуры и влажности может даже вызвать разрушение его, тем не менее при правильном подборе заполнителей и хорошей технологии можно изготовить прекрасный огнеупорный бетон для футеровок. Заполнители для такого бетона могут быть кислые, основные или нейтральные. Состав смеси может колебаться от 1 : 4 (цемент — заполнители по объему) для низкотемпературных печей (1090 °С) до 1 : 7 для высокотемпературных (1425 °С и выше). Такие огнеупорные бетоны отличаются хорошей прочностью в холодном состоянии и приобретают очень высокую прочность в условиях огня или высокой температуры благодаря остекловыванию, т. е. поверхностному оплавлению компонентов.

Жаростойкий бетон применяется для строительства фундаментов печей, трубопроводов для пропуска горячих газов, полов под печами и возле печей, т. е. в таких местах, где он подвергается значительному действию тепла при температуре ниже точки плавления. Так как глиноземистый цемент не выделяет извести при гидратации, он является прекрасным вяжущим для изготовления такого бетона. В качестве заполнителей могут быть применены старые огнеупоры, дорожный клинкер, облицовочный клинкерный кирпич, диабаз, наждак, измолотые до предельной крупности 3,75 см. Для улучшения изоляционных свойств бетона можно применить легкие огнеупорные заполнители. Следует избегать заполнителей, которые выделяют известь. Оптимальный состав бетона (по объему): 1 часть цемента на 2,5 части мелкого заполнителя (предельная крупность зерен 6 мм) и на 2,5 части крупного заполнителя. При применении очень плотных заполнителей следует увеличить количество мелких заполнителей по отношению к крупным.

Глиноземистый цемент отличается не только повышенной сульфатостойкостью, но и хорошей устойчивостью против действия органических кислот, различных соединений серы, серной кислоты, молочной кислоты, соляного раствора, крахмала, сахарозы, кислотных масел, тростникового сока, мелассы. Он неустойчив в отношении уксусной, соляной и азотной кислот, сильных растворов сульфатов и каустиков. Бетон состава 1:2:4с высококачественными тяжелыми заполнителями обычно обладает удовлетворительной солестойкостью. Следует избегать применения тощих смесей, которые требуют более длительного перемешивания.

Монолитный бетон из глиноземистого цемента с обыкновенными заполнителями созревает уже через сутки после укладки в нормальных атмосферных условиях. Благодаря повышенному тепловыделению этот бетон можно укладывать при низкой температуре без применения защитных мер или с минимальной защитой. Отпадает также необходимость в добавке хлористого кальция в качестве ускорителя твердения. При изготовлении бетона для большинства строительных работ достаточно, чтобы расход цемента составлял 300—330 кг/м3. при минимальном количестве воды. Выдержка бетона может не превышать 24 час. после укладки.

Смеси глиноземистого цемента и портландцемента обычно применяются для защиты бетонных, кирпичных и каменных сооружений от просачивания воды. Эти смеси наносятся обычным способом или торкретированием.

Ваш отзыв