взято с

http://www.hydrobeton.ru/?id=5&select=3&tid=4

Электронная библиотека

Выбор по тематике Выбор по изданию

Дважды лауреат Сталинской премии,
проф., д-р техн. наук В. В. Михайлов

ВОДОНЕПРОНИЦАЕМЫЕ РАСШИРЯЮЩИЕСЯ ЦЕМЕНТЫ

1. Усадка цемента и ее влияние на строительные свойства бетона

2. Химические свойства тройных и четверных систем СаО-Аl2О3-Н2О; CaO-Аl2О3-CaSO4-H2O

3. Технические свойства водонепроницаемого расширяющегося цемента (ВРЦ) и водонепроницаемого безусадочного цемента (ВБЦ)

4. Технические свойства нормального слабо расширяющегося цемента (РЦ)

5. Технология изготовления водонепроницаемых расширяющегося и безусадочного цементов

6. Применение водонепроницаемых расширяющихся цементов в строительстве

1. Усадка цемента и ее влияние на строительные свойства бетона

При схватывании и твердении большинства известных нам цементов происходит уменьшение объема тела гидратируемого вяжущего.

Для того чтобы уяснить причины и условия проявления усадки цементного камня, рассмотрим процесс твердения цемента, затворенного на оптимальном количестве воды.

Рис. 1. Структура твердеющего цементного камня

На рис. 1 приведена схема структуры цемента в процессе твердения (Ц — частицы клинкера, еще не до конца гидратированные, в момент, когда объем этих частиц значительно уменьшился по отношению к начальному объему, показанному пунктиром). Частицы Ц окружены диффузным слоем чистой воды (свободным от растворимых солей). Через этот слой в процессе растворения непрерывно выбрасываются гидрагированные ионы и молекулы клинкерных солей, которые переходят в область твердеющего цементного камня и оседают на ближайшем из растущих кристаллических новообразований последнего.

Те кристаллы новообразований, которые расположены дальше от частицы Ц клинкера, вскоре перестают расти вследствие недостаточного притока новых ионов. Эти кристаллы образуют как бы поверхностный слой цементного камня, играющий роль защитной корки вокруг продолжающих гидратироваться зерен клинкера; корка прорезана весьма тонкими капиллярными каналами (рис. 2).

Рис. 2. Капиллярные каналы А в зонах между коллоидными частицами новообразования гидратированного цемента

Кристаллы новообразований связаны между собой водой кольцевых контактов, которая осуществляет весьма интенсивное капиллярное сжатие частиц. Вследствие малых размеров отдельных кристаллов это сжатие очень велико. Оно еще больше увеличивается постоянно действующим отсасывающим осмотическим давлением диффузной зоны вокруг гидратируемых зерен клинкера.

Нужно иметь в виду, что в процессе схватывания и твердения цемента общий объем реагирующих веществ уменьшается, так как молекулы воды, входящие в состав гидросиликатов и гидроалюминатов кальция, расположены значительно плотнее, чем в свободном состоянии. Поэтому начальный объем цементного теста, равный

Ц + В + в,

в процессе гидратации уменьшается до

Ц-Цг + (Цг + Вг)К + В-Вг+в =
= Ц + В + в - (1-К)(Цг + Вг),

где Цг - объем цемента, гидратировамного к рассматриваемому моменту;
Вг - вода гидратации этого цемента;
в - воздух;
К - коэфициент, меньший единицы, характеризующий увеличение удельного веса новообразований по отношению к среднему удельному весу образовавших их материалов.

Таким образом, процесс схватывания, а затем твердения цемента сопровождается непрекращающимся сжатием зерен новообразований, создающим общее уменьшение объема цементного камня. Это уменьшение объема называется усадкой бетона и может происходить по двум совершенно различным причинам:
1) из-за уменьшения действительного объема новообразований по сравнению с исходными материалами (химическая усадка);
2) из-за уменьшения объема цементного камня вследствие потери влаги в атмосферу и капиллярного сжатия частиц новообразований в результате отсоса (физическая усадка).

Первая причина проявляется особенно сильно в первые дни, вторая - в течение нескольких месяцев.

Итак, усадка бетона является непосредственным следствием самого процесса схватывания и твердения бетона. Однако размеры физической усадки существенно зависят от влажтностных условий среды, в которой протекает твердение бетона. Среда не меняет процесса нормальной усадки, если ее влажность находится в постоянном равновесии с жидкостью, имеющейся в цементном камне; это равновесие регулируется формой свободной поверхности жидкости, т. е. ее кривизной в порах новообразований (рис. 3).

Рис. 3. Схема взаимодействия в капиллярном контакте двух коллоидных частиц цементного камня

Из предыдущего видно, что изменение размеров кольцевого контакта вследствие отсоса воды в диффузный слой и сжатия зерен цементного камня капиллярными силами происходит непрерывно; следовательно, так же непрерывно меняется в сторону увеличения среднее значение кривизны поверхности жидкости в порах системы.

Если в какой-то начальный момент влажность среды и содержание воды в цементном камне определялись состоянием равновесия, то в следующие моменты равновесие нарушается и должна происходить конденсация влаги, что задерживает увеличение капиллярного сжатия частиц и тем самым уменьшает размеры усадки. Если приток влаги из воздуха среды обеспечен, то может иметь место непрерывная и при этом полная компенсация усадочного сжатия.

При хранении образцов твердеющего бетона в воде неограниченный приток воды может компенсировать усадку и даже вызвать разбухание бетона, но при этом неминуемо увеличатся размеры пор и каналов системы (которые заполнятся водой). Если такую систему поместить в среду с малой влажностью, то бетон быстро отдаст свою воду (вследствие наличия широких каналов) и получит усадку, большую, чем это могло бы быть при нормальных условиях твердения.

Наоборот, если сразу с момента начала схватывания и твердения нет равновесия между влагой среды и влагой бетона (причем влажность среды мала), то бетон будет отдавать влагу в среду тем энергичнее, чем крупнее поры новообразований. В этом случае будет происходить интенсивная усадка, связанная с уменьшением содержания влаги у контактов. Если среда очень сухая, а поры широкие, то обезвоживание бетона произойдет настолько быстро, что воды окажется недостаточно для снабжения диффузного слоя гидратируемых частиц клинкера, и схватывание бетона вовсе прекратится.

При этом будет иметь место очень большая усадка бетона, происходящая преимущественно вследствие капиллярного сжатия, а не вследствие интенсивного образования цементного камня. Отсюда видно, насколько важно удержать в бетоне оптимальное количество воды, особенно в начальные сроки схватывания и твердения.

Бетон даст большую усадку при его хранении в обычных условиях после длительного водного хранения по сравнению с таким же бетоном, с самого начала твердевшим в обычных условиях. Это подтверждается данными рис. 4.

Рис. 4. Усадка цемента при различных режимах выдерживания образцов в процессе твердения

На рис. 4 кривая в характеризует изменение полной деформации бетона (R = 250 кг/см2, содержание цемента в 1 м3 бетона 300 кг) при хранении в течение 960 дней в воде, кривая г - деформации бетона при хранении в течение 60 дней на воздухе, 900 дней в воде, а кривая д - деформации бетона при хранении в течение 60 дней в воде и 900 дней на воздухе. Кривые а и б характеризуют изменения деформации при обычных условиях твердения бетона в сухом и влажном воздухе; для этих двух случаев усадка меньше, чем для случая кривой д.

Уменьшение объема исходных материалов клинкера вследствие образования гидросиликатов и гидроалюминатов кальция может быть оценено по данным Лешателье (подтвержденным многочисленными последующими исследованиями) в 4-5 см3 на 100 г цементного клинкера в продолжение месячного твердения. Если, учитывая водное хранение, предположить, что в течение этого времени цемент гидратировалея на 50%, то полная возможная усадка бетона в результате химической реакции может составить 2-3% от общего объема клинкерных материалов.

Такое чрезвычайно большое изменение действительного объема цементного камня может быть обнаружено, если образец насыщенного водой теста (из которого удален воздух) поместить в герметическую форму. Под влиянием уменьшения действительного объема и сцепления со стенками формы возникают столь большие силы растяжения, что они могут разрушить форму.

Наблюдения за объемными изменениями цементного теста в течение первых часов твердения, проведенные НИС Главтуннельметростроя, показывают, что уменьшение линейных размеров образца из цементного теста достигает в суточном возрасте для силикатного цемента (портландцемента) 1%, а для глиноземистого (алюминатного) цемента - 0,7%.

Это подтверждает высказанные выше соображения, что химическая усадка во много раз превышает размеры возможной физической усадки в результате капиллярного стягивания частиц.

Ввиду того что цементы обычно применяются в растворах или бетонах, внешнее проявление усадки этих систем существенно меньше усадки самого цемента в связи с тормозящим действием заполнителей. Однако размер усадки цемента, содержащегося в бетоне, остается на прежнем уровне, в силу чего в каждой пазухе между заполнителями возникают большие растягивающие напряжения в цементном камне, приводящие к появлению в нем мнкротрещин.

Существование таких внутренних разрывов ведет к тому, что вода при низком давлении и даже под влиянием собственного веса легко проходит сквозь бетон.

Последствия усадки цемента наглядно можно наблюдать при заделке цементным тестом фонтанирующих щелей и трещин. Вследствие усадки либо тело цементного камня заделки пересекает новая трещина, либо такая трещина возникает в месте примыкания заделки. Невидимая на глаз щель легко обнаруживается при подаче к наделке воды, которая тотчас же просачивается в виде капель или струек.

Вследствие неустранимости усадки принято считать все растворы и бетоны водопроницаемыми.

Усадка силикатного цемента (портландцемента) и других существующих цементов не позволяла до сих пор с их помощью надежно осуществлять зачеканку швов в обделке туннелей, заделку стыков труб и гидроизоляцию.

Усадка бетона является отрицательным фактором для таких железобетонных сооружений (особенно гидротехнических, мостовых, дорожных), в которых требуется водонепроницаемость и долговечность, а также для сооружений, работающих под динамической нагрузкой.

В железобетонных конструкциях усадка вызывает появление в растянутой зоне бетона больших напряжений и преждевременных трещин, которые в гидротехнических сооружениях приводят к фильтрации воды, а в резервуарах - к утечке сохраняемой в ней жидкости. В мостах из-за усадки вследствие вибрации происходит раскрытие трещин, увеличение прогибов и быстрое разрушение арматуры от коррозии. Явления усадки затрудняют замонолкчиваиие сборных железобетонных конструкций в единую жесткую систему. Усадка бетона вместе с деформациями от температурных воздействий приводит к растрескиванию дорожных бетонных покрытий и к быстрому изнашиванию дорог.

Усадка бетона лишает возможности полноценно закрепить машины на фундаментах; даже при тщательной подливке бетона под плиту машины и вокруг фундаментных болтов в результате усадки связь нарушается и машина может быстро выйти из строя вследствие свободной вибрации.

Возникают большие затруднения в уплотнении и придании водонепроницаемости швам бетона и возникшим трещинам в бетонных сооружениях, так как после заделки их обычным цементом не достигается плотность из-за неминуемой усадки и отделения раствора от одной из примыкающих поверхностей. Заделка всяких каверн, трещин и щелей в подземных сооружениях или в сооружениях, предназначенных для экоплоатации под давлением воды, обычным цементом, особенно при интенсивном притоке воды, в большинстве случаев из-за усадки не является полноценной. В связи с этим большие трудности возникают при гидроизоляции мокнущих (фильтрующих) поверхностей, поскольку наклейка на такие поверхности рулонных изоляционных материалов в мокром состоянии невозможна, а высушивание поверхностей затруднено.

В течение многих десятков лет, с тех пор как была изучена усадка цемента и оценены вредные ее последствия, научная мысль упорно работала над способами устранения усадки или смягчения ее последствий. Однако и до сего времени эта задача оставалась не вполне решенной.

Признавая неустранимость явления усадки бетона, строители искали пути, позволяющие ослабить ее последствия конструктивными мероприятиями, а для придания сооружению водонепроницаемости обращались к специальным материалам.

Многие заграничные фирмы рекламировали различные патентованные порошки, прибавление которых, по их утверждению, существенно снижало величину усадки; однако практика не подтвердила пригодность таких добавок.

Можно указать на один из таких порошков под названием «Эмбако», который представляет собой содержащий металл порошок, добавляемый к цементному раствору в количестве до 30 %. Такая смесь быстро схватывается и твердеет, обнаруживает высокую прочность и не дает при увлажнении усадки. Раствор на порошке «Эмбако» удовлетворительно сращивается со старым бетоном. Названный порошок не получил широкого распространения из-за сравнительно высокой цены.

Более правильные решения задачи мы имеем в работах французских ученых Лоссье и Гендрие. Не удовлетворяясь достижением безусадочности, эти ученые поставили перед собой задачу получить цементы, дающие при твердении вместо усадки расширение. Первые опыты в этом направлении были сделаны в 30-х годах текущего столетия, однако расширяющиеся цементы, приготовленные Лоссье и Гендрие, по их собственному признанию, оказались неудовлетворительными и быстро разрушились. Таким образом, система цемента, предложеннаяэтими авторами, по своему химическому существу не может быть признана хорошей.

Критика цемента Лоссье приводится ниже, она основывается на крупных достижениях советских ученых, открывших, разработавших и применивших в широком масштабе водонепроницаемый расширяющийся цемент.

2. Химические свойства тройных и четверных систем СаО-Аl2О3-Н2О; CaO-Аl2О3-CaSO4-H2O

Известно, что алюминаты кальция при затворении гидратируются в 2СаОАl2О38Н2О, 4СаОАl2О313Н2О (с гексагональной формой кристаллов) и 3СаОАl2О36Н2О (с кубической формой кристаллов), приобретая ту или иную структуру в зависимости от температуры и содержания в воде извести.

Тройная система СаО-Аl2О3-Н2О подвергалась за последние 15 лет основательному изучению. Результаты этих исследований можно представить в виде диаграммы (рис. 5).

Рис. 5. Диаграмма растворимости основных веществ тройной системы СаО-Аl2О3-Н2О

На рис. 5 нанесена кривая ABC, дающая среднюю суммарную растворимость гексагональных гидроалюминатов кальция и являющаяся суммой кривых приближенной растворимости гексагональных 2СаОАl2О38Н2О - кривая QRS и 4СаОАl2О313Н2О - кривая TRV. Инвариантная точка R, лежащая между значениями 0,5 и 0,6 г СаО и 0,10 и 0,15 г Аl2О3, является пересечением кривых QRS и TRV и соответствует со: ставам 2СаОАl2О38Н2О и 4СаОАl2О313Н2О, взятых в равномолярном отношении.

Долгое время точка R принималась за точку гексагонального трехкальциевого гидроалюмината, существование которого в настоящее время отрицается.

При концентрации извести менее, чем это указано точкой R, смесь плотных фаз состоит преимущественно из двухкальциевого алюмината, в то время как при высокой концентрации четырехкальциеный алюминат составляет большую часть плотной фазы.

Это очень хорошо подтверждается микроскопическими и рентгеновскими исследованиями.

Определяя показатели преломления выпадающей твердой фазы в области между кривыми QRS и TRV в порядке возрастающего молярного отношения СаО : Аl2О3 в этой фазе от 2 до 4, получаем соответствующий рост показателя преломления от Ng = 1,530 до N'g= 1,550.

Постепенное нарастание показателя преломления отнюдь не указывает на существование соединений, кристаллизующихся в произвольном молярном отношении. Тут дело лишь в очень тесном и дисперсном соединении двух- и четырехкальциевых гидроалюминатов.

Если представить структуру гексагональных гидроалюминатов кальция в виде слоев гидроокисей составляющих их веществ, то
2СаОАl2О38Н2О будет иметь вид 2Са(ОН)22Аl(ОН)33Н20
4СаОАl2О313Н2О     "          "         " 2Са(ОН)2Аl(ОН)33Н2О.

Исследование дифракционного отображения системы х-лучами показывает, что двух- и четырехкальциевые гидроалюминаты, имеющие почти одинаковую структуру, могут внутренне кристаллизоваться и давать массу из чередующихся слоев обеих составляющих, так хорошо смешанную, что в итоге получаются средние коэфициенты преломления, обнаруживаемые микроскопическими исследованиями и принимаемые за одну составляющую.

В литературе неоднократно отмечалось, что гексагональные гидроалюминаты кальция имеют «фамильное сходство» с точки зрения их дифракции. Дифракция х-лучами дает для обоих гидроалюминатов одинаковое значение толщины суммы слоев, равное 8,8 &#x212B, что лишь подтверждает общность структуры. Двухкальциевый гидроалюминат со временем имеет тенденцию к разложению на четырехкальциевый гидроалюминат и гидроокись алюминия:
2Са(ОН)22Аl(ОН)33Н20 &#x2192 2Са(ОН)2Аl(ОН)33Н2О + Al(OH)3, однако и после такого разложения отображение х-лучей дает дифракцию одних гексагональных гидроалюминатов кальция. Это заставляет думать, что структура вещества при таком разложении не претерпевает изменений, только слои Аl(ОН)3 переходят в аморфное состояние. Это подтверждается высказанными соображениями о толщине молекулярных слоев.

Растворимость Са(ОН)2 представляется очень короткой линией VV. Инвариантная точка V характеризует растворимость 4СаОАl2О313Н2О-Са(ОН)2. На рис. 5 даны также кривые растворимости 3СаОАl2О36Н2О в виде кривой EFG и Al2O33H2 - гндраргелита в виде кривой HFY.

Точка F является постоянной инвариантной точкой для этих двух плотных фаз при 0,33 г СаО и 0,02 г Аl2О3.

Соответственно предполагаемые инвариантные точки W и X являются точками для 4CaOAl2O313H2O - Аl2О33Н2О и 2СаОАl2О38Н2О - Аl2О33Н2О.

Из рис. 5 вытекает, что при увеличении концентрации извести больше 0,33 г СаО гидраргелит как плотная фаза, очевидно, должен исчезнуть и в плотную фазу должен перейти изотермический 3СаОАl2O36Н2О.

Действие температуры на соотношений растворимостей при различных фазах в системе СаО - Аl2О3 - Н2О могло бы быть представлено объемной моделью. Однако ввиду того, что при высоких температурах отрицается возможность существования метастабильного гексагонального гидроалюмината кальция, возможно простое использование проекций, изображенных на рис. 5 кривых растворимости 3СаОАl2О36Н2О, Al2O33H2O и Са(ОН)2 при температуре 90°. Проекции этих кривых представлены линиями для 3СаО &#x00B7 Аl2О36Н2О - KLM; для Аl2О33Н2О - NL и для Са(ОН)2 - PM.

Для температуры от 21° до 90° имеется семейство кривых 3СаОАl2О36Н2О и Al2O33H2O (не показанных на рис. 5) с пересечением каждой пары в своей инвариантной точке постоянной концентрации извести (0,33 г СаО на 1 л) и увеличивающейся концентрации алюминия (от 0,02 до 0,11 г Аl2О3 на 1 л) - от точки F до точки L.

Верхний предел устойчивости 3СаОАl2О36Н2О зависит от растворимости Са(ОН)2, которая меняется с повышением температуры от точки Y (1,15 г СаО и 0,0005 г Аl2О3 на 1 л) до точки М (0,63 г СаО и 0,015 г Аl2О3 на 1л).

Гексагональные гидооалюминаты кальция теряют устойчивость при повышении температуры и сразу гидратируются в изотермическую форму.

Изложенное показывает, что при гидратации чистых алюминатов кальция в воде при нормальной температуре сначала должны образоваться гексагональные формы гидроалюминатов кальция преимущественно 2СаОАl2О38Н2О и гидроокись алюминия Аl2О3Н2О в виде геля с весьма дисперсной структурой. Первый из них с течением времени постепенно переходит в изотермическую форму 3СаОАl2О36Н2О с выделением гидроокиси алюминия, а второй - из аморфной форимы Аl2О3Н2О переходит в кристаллическую, т. е. в гидраргелит.

В водной среде и в среде, насыщенной Аl2О3Н2О, гексагональные формы существуют как промежуточные фазы в период приближения к действительному равновесию. Переход гексагонального гидроалюмината в 3СаОАl2О36Н2О и Аl2О33Н2О при нормальной, а тем более при низкой температуре и особенно при недостатке жидкой фазы происходит очень медленно и может продолжаться много лет, никогда не заканчиваясь в этих условиях совершенно. Поэтому в продуктах гидратации алюминатов кальция при нормальной температуре должны существовать как гексагональные, так и изотермические формы гидроалюминатов кальция.

Однако гексагональные формы исчезают при повышении температуры. Гидротермическая обработка алюминатов кальция и всевозможных их гидратов при температурах до 350° в насыщенном паре показала появление новых фаз с низким содержанием извести.

При нагреве до 150° гексагональных гидроалюминатов кальция с 8-13 молекулами воды уже через сутки все гидроалюминаты переходят в гексагидраты, т. е. в 3СаОАl2О36Н2О.

Гидротермическая обработка при 200° уменьшает содержание воды в гидроалюминатах до 5 молекул. Дальнейшая обработка при 250° уменьшает число молекул воды до 4,5, при 300° - до 3,6, а при 350° - до 3,5 молекул.

Все сказанное относится к случаю гидратной обработки алюминатов или гидроалюминатов кальция в чистом виде.

В присутствии посторонних веществ процессы образования и превращения гидроалюминатов осложняются; они замедляются или ускоряются, либо идут в сторону образования новых, более сложных соединений.

Так, в присутствии силикатов или гидросиликатов кальция при гидратации в условиях высокой температуры (от 150 до 350°) могут образоваться соединения типа гидрогарнетов 3СаОАl2О33SiO2 &#x00B7 aq или 3СаОАl2О3SiO2 &#x00B7 aq, показатель преломления которых доходит до 1,630-1,635.

Однако при нормальной температуре образование этих веществ не наблюдается. Это подтверждено исследованиями глиноземистых цементов.

Известно, что глиноземистый цемент является продуктом обжига до спекания или плавления бокситов совместно с известью или известняком. В результате получается клинкер, содержающий в большом количестве соли CaOAl2O35CaO3Al2O3 и некоторое количество 2CaOSiO2; 2CaOAl2O3SiO2 (геленит) и 2CaOFe2O3, а также соли Mg, Mn и Ti.

Отношение в готовом продукте весового процентного содержания окиои кальция к содержанию кремнезема и глинозема должно быть меньше единицы, т. е.

Содержание кремнекислоты в глиноземистом цементе не должно превышать 10%.

Кроме указанного выше способа получения глиноземистого цемента методом спекания или плавки, в СССР организовано комплексное производство чугуна и глиноземистого цемента посредством плавки в доменной печи уральской бокситовой руды, известняка и железного лома. Полученный при этом шлак является клинкером глиноземистого цемента, из которого путем размола получается так называемый доменный глиноземистый цемент.

Известно, что глиноземистый цемент является быстро твердеющим вяжущим, приобретающим уже через 24 часа после затвореяия 85-90% своей прочности. Многие из применяемых в строительстве глиноземистых цементов показывают в трехдневном возрасте предельную прочность, после чего к 28 дням, особенно при сухом хранении и высокой температуре, прочность их не изменяется, изредка наблюдается даже снижение этой прочности на 10-15%.

Такое, падение прочности объясняется видоизменением структуры твердеющего глиноземистого цемента.

Выше было уже показано, что первым продуктом гидратации цемента при нормальной температуре являются гидроалюминаты кальция и гидроокись алюминия. Гидроалюминаты кальция - соединения метастабильные, с тенденцией к переходу путем перекристаллизации из гексагональной в кубическую форму. Переход этот ускоряется при повышенной температуре твердеющего цемента, вследствие чего прочность цемента снижается.

Избежать резкого повышения температуры схватывания глиноземистого цемента очень трудно, так как глиноземистый цемент по своей природе сильно экзотермичен и в короткий срок выделяет большое количество тепла, которое значительно его разогревает. Этим объясняется невозможность использования глиноземистого цемента в массивных сооружениях без неминуемой большой потери прочности бетона. Большую пользу в сохранении прочности твердеющего глиноземистого цемента должны играть всякие мероприятия, обеспечивающие отвод тепла из твердеющего бетона и растягивающие период схватывания цемента. Поддержание низкой температуры среды в этом случае является одним из важнейших мероприятий, известных и применяемых в строительстве, гарантирующих твердеющему бетону на глиноземистом цементе сохранение дисперсной гексагональной структуры, высокой прочности и придание этой структуре последующей наибольшей неизменяемости.

Выше высказывалось уже предположение, подтвержденное исследованиями тройной системы СаО - Аl2O3- Н2О дифракционным отображением х-лучами, что структура гексагональных гидроялюминагов кальция представляется в виде слоев гидроокисей кальция и алюминия, закрепленных в сложной молекуле кристаллизационной водой (3Н2О). В прежних наших исследованиях1 высказывалось утверждение, что в процессе гидратации цемента происходит сперва полное разложение клинкерных солей на простейшие окислы путем гидролиза, а затем последующее слияние полученных простейших гидратов в результате обменных и сорбционных (полярных) взаимодействий в более сложные группы и соединения. Это утверждение полностью подтверждается термохимическим анализом процесса гидратации цементов (проведенным в ТНИИСГЭИ в 1938-1940 гг.).

Термохимический анализ экзотермии клинкерных материалов (при их гидратации) показывает, что эти материалы при твердении в воде уже на третий месяц полностью гидратируются. Это же подтверждает подсчет количества теплоты, выделенной за тот же промежуток времени. Если к этому количеству теплоты прибавим теплоту образования клинкерных материалов, которая выделяется при обжиге, то получим полный баланс тепла, соответствующий теплосодержанию исходных материалов. Аналогичные результаты получаются при анализе тепловыделения. Так, теплота гидратации цемента завода «Октябрь» при коэфициенте насыщения, равном 0,87, составляет:

Теплота образования этого цемента равна 111,21 ккал. Следовательно, максимальная теплота, которая может выделиться при затворении цемента, равна 213,61-111,21 = 102,40 ккал.

Экспериментальные измерения тепловыделения цементного камня показывают, что этот запас тепла весьма близок к подсчитанному значению.

Таким образом, экспериментальные данные термохимии указывают также и на то, что в процессе схватывания и твердения бетона в воде происходит полное разложение клинкера на простейшие гидраты, объединенные в гидросиликаты и гидроалюминаты кальция адсорбционными силами.

Устойчивость гексагональных гидроалюминатов во времени зависит исключительно от способности удержать гидратную воду, соединяющую слои первичных гидратов, т. е. 3Н2О. Потеря этой воды происходит исключительно вследствие повышения температуры, когда подвижность отдельных диполей воды становится столь большой, что они не в состоянии уже удерживаться полярными силами на комплексе и отрываются от него, разрушают этим установившуюся гексагональную структуру сложной молекулы гидроалюмината и соединяются со свободной водой системы.

Разрушение установившихся связей дает возможность элементарным гидратам сгруппироваться в новые формы, наиболее отвечающие условиям действующей температуры: до температуры 150° это будет форма 3Са(ОН)22Аl(ОН)3, соответствующая изотермическому гидроалюминату кальция 3СаОАl2О36Н2О; для температуры от 200 до 350° это будет форма 3Са(ОН)2Аl(ОН)3 и свободного Са(ОН)2.

Присутствие гипса существенно изменяет ход процессов гидратации алюминатов кальция и вызывает образование сложной молекулы сульфоалюмината кальция состава 3СаОАl2О33CaSO432H2O с коэфициентом преломления N= 1,487.

Кристаллы гипса стабилизируют гексагональную форму гидроалюмината кальция и даже при высоких температурах обеспечивают сохранение их стабильной формы.

Возникает новая четверная система СаО-Аl2О3-CaSO4-Н2О, свойства и поведение которой существенно отличны от тройной системы СаО-Al2О3-Н2О и представляют особый интерес.

В четверной системе значительную роль начинает играть сложная молекула сульфоалюмината кальция.

На рис. 6 представлена проекция пространственного изображения четверной системы СаО-Аl2О3-CaSO4-Н2О на основание пирамиды, в вершине которой располагается водная точка.

Исходными соединениями построения являются растворы гипса, извести, сернокислого алюминия и окиси алюминия в виде геля и твердые кристаллические CaSO42H2O; Ca(OH)2; 3СаОАl2О36Н2О; 2СаОАl2О38Н2О.

Рис. 6. Проекция пространственного изображения четверной системы СаО-Аl2О3-CaSO4-Н2О

На проекции пространственной фигуры нанесены граничные кривые:
EY - CaSO42H2O-AlO3H2O;
EH - Al2O3H2O-3CaOAl2O33CaSO432H2O;
EF - CaSO42H2O-3CaOAl2O33CaSO432H2O;
BF - Ca(OH)2-3CaOAl2O33CaSO432H2O;
gH - 3CaOAl2O36H2O-3CaOAl2O33CaSO432H2O;
HD - 3CaOAl2O36H2O-Al2O3H2O;
MN - 2CaOAl2O38H2O-3CaOAl2O33CaSO432H2O;
HD - 2CaOAl2O38H2O-Al2O3H2O;

Там же получены инвариантные точки:
E - CaSO42H2O-Al2O3H2O-3CaOAl2O33CaSO432H2O;
F - CaSO42H2O-Ca(OH)2-3CaOAl2O33CaSO432H2O;
g - Ca(OH)2-3CaOAl2O36H2O-3CaOAl2O3CaSO432H2O;
H - 3CaOAl2O36H2O-3CaOAl2O3CaSO432H2O-Al2O3H2O;
M - Ca(OH)2-2CaOAl2O38H2O-3CaOAl2O33CaSO432H2O;
N - 3CaOAl2O33CaSO432H2O-2CaOAl2O38H2O-Al2O3H2O;

Опыты удаления из раствора сернокислого кальция с помощью 2СаОАl2О38Н2О показали, что сульфоалюминат образуется достаточно быстро и уже через несколько дней нельзя обнаружить признаков гипса. В процессе исследований выяснилось очень важное обстоятельство, что 2СаОАl2О38Н2О в присутствии сернокислых солей становится стабильным и не обнаруживает признаков превращения в изотермическую форму.

Исследования показали, что 3CaOAl2O33CaSO432H2O неудовлетворительно растворяется в воде и в разбавленных растворах как извести, так и гипса. Только в растворах сернокислого кальция (больше 0,45 г CaSO4 на 1 л) наблюдалось повышение растворимости указанного соединения. Во всех случаях образовывалась высокая форма сульфоалюмината кальция вида 3CaOAl2O33CaSO432H2O. Это подтверждает, что низкая форма сульфоалюминатюв в применяемых нами цементах образовываться не может.

Все без исключения ученые, исследовавшие систему СаО-Аl2О3-Н2О, признали, что при высоких температурах гексагональные гидроалюминаты кальция являются настолько неустойчивыми, что их существование, если оно имеет место, возможно лишь на самый короткий срок.

Работая над упомянутыми выше специальными глиноземистыми цементами, мы пришли к выводу, что это столь категорическое утверждение справедливо лишь для тройной системы.

Специальные исследования2 названной четверной системы позволили рассматривать гексагональные гидроалюминаты кальция вполне стабильными в широком диапазоне температур.

Характеристика примененных в этих исследованиях материалов приводится ниже.

Доменный глиноземистый цемент Пашийского цементного завода был следующего химического состава:

SiO2-10,39; Al2O3+(TiO2+Fe2O3)-46,14; СаО-37,45;
MnО-0,02; MgO-1,51; SO3-0,86;
Н2О-1,00; п.п.п. - 3,02.

Цемент этот в основном состоял из моноалюмината кальция СаОАl2О3; имелось некоторое количество &#x03B2 2CaOSiO2, геленит 2СаОАl2О3SiO2, небольшое количество кальцита и портландита - Са(ОН)2.

Если перечислить три главные окиси SiO2, R2O3 и СаО, составляющие в глиноземистом цементе 93,28% на 100%, то получим такие цифры:

SiO-11,05; Аl2О3-49,10; CаО-39,85.

Фигуративная точка состава такого цемента на диаграмме Раикина и Райта для системы СаО-Аl2О3-SiO2 ложится в поле геленита, недалеко от разграничительной линии между полями СаОАl2О3 и 2CaOAl2O3SiO2 и прямой линии, соединяющей СаОАl2О3 и 2CaOAl2O3SiO2. Отсюда следует, что при вполне равновесных условиях в нашем цементе должен кристаллизироваться вначале геленит, затем геленит и моноалюминат, а в конечных продуктах кристаллизации к этим двум минералам присоединяется еще двухкальциевый силикат. Именно все эти три фазы фактически определены микроскопическим анализом, проведенным сотрудником Геологического института Академии наук СССР В. В. Лапиным.

Известь-пушонка имела следующий химический состав:

СаО-62,11; MgO-2,43; Н2О-1,84, п.п.п.-33,12.

Известь состояла из весьма мелких кристаллов портландита Са(ОН)2 с N0=1,574 и небольшого количества кальцита с N0=1,658 и магнезита с N0>1,658.

Гипс полуводный был следующего химического состава: СаО-38,20; SO3-54,10; Н2О-4,70; MgO-0,50; п.п.п.-2,24.

Микроскопические исследования показали, что гипс состоял из ярко поляризующихся кристаллов полуводного сернокислого кальция, в которых находились тончайшие вростки с более низким светопреломлением, относящимся к безводному гипсу. В очень небольших количествах присутствовал кальцит с N0=1,658 и магнезит.

Перерасчет дал следующий минералогический состав гипса:

CaSO4 &#x00BD H2O - 82,16;          СаСО3 - 4,11;
CaSO4 - 9,93 ;         MgCO3 - 1,03.

Избыток SO3 по анализу - 2,70.

Глиноземистый цемент гидратировался совместно с известью с целью получения устойчивых гексагональных высокоосновных гидроалюминатов кальция. Были приняты добавки извести в 25; 50 и 75%, считая на активную часть (CaO+MgO). Гидратация производилась добавкой воды в 50; 75 и 100% к весу смеси. Загидратированные образцы хранились 1 сутки в воде и затем на воздухе, а также непосредственно на воздухе. Кроме того, часть образцов после затворения подвергалась пропарке в течение 8 час. в паровой бане при температуре 90°, а затем высушивалась на воздухе. Результаты исследований приведены в табл. 1.

Таблица 1

Минералогический состав продуктов гидратации глиноземистого цемента совместно с известью (не подвергнутых высушиванию и помолу)

Во всех образцах обнаружены только гексагональные формы гидроалюминатов кальция, при этом преимущественно

4 СаО Аl2О3 13 Н2О с N'g=1,555.

Никаких признаков присутствия изотермических гидроалюминатов кальция 3CaOAl2O36Н2О обнаружено не было ни в первые дни после изготовления образцов, ни через 4 месяца. Даже высокая температура гидратации смесей в паровой бане не создала условий для перехода гексагональных форм в изотермические. Гидратация алюминатов происходила достаточно полно, так как из исходных минералов цемента был обнаружен лишь геленит.

Чтобы убедиться в стабильности полученного гексагонального гидроалюмината кальция, полученная в результате первичной гидратации смесь цемента извести после высушивания и размола подвергалась вторичной гидратации, сушке и микроскопическому исследованию. Результаты этой серии исследований приведены в табл. 2.

Таблица 2

Минералогический состав продуктов гидратации глиноземистого цемента совместно с известью (подвергнутых высушиванию, помолу и вторичной гидратации)

Никаких новых фаз, кроме гексагональных, обнаружено не было ни в короткие сроки, ни через 90 дней, что окончательно убеждает в устойчивости гексагональных гидроалюминатов кальция в среде, насыщенной гидроокисью кальция при любых температурах в пределах до 90°.

В течение многих лет во всем мире велась работа в направлении изыскания вяжущего, которое обладало бы свойствами водонепроницаемости и эффективного расширения при твердении. Над получением водонепроницаемого расширяющегося цемента в СССР работал ряд ученых, в том числе проф. В. В. Михайлов, проф. Д. X. Завриев, акад. П. П. Будников и др.

В результате упорных исследований, проведенных под руководством автора, были достигнуты большие успехи и открыт новый вид вяжущего, обнаруживающий после затворения интенсивное самоуплотнение и расширение, вследствие чего цементный камень в бетоне приобретает свойства водонепроницаемости.

К новому водонепроницаемому расширяющемуся цементу предъявлено было требование, чтобы он содержал два компонента, соединенных друг с другом в виде механической смеси порошков. Один из компонентов должен обладать свойством схватываться, твердеть и значительно расширяться. Другой компонент своим твердением должен закреплять расширенную структуру.

Тщательные поиски материалов, отвечающих выдвинутым требованиям, показали, что наиболее подходящим веществом, обещающим дать при известных условиях в процессе своего образования полезное и эффективное расширение, является сульфоалюминат кальция 3СаОАl2О33СаSО432Н2О.

В настоящее время считают установленным, что сульфоалюминат кальция образуется в затвердевшем цементном камне бетона при воздействии на бетон сульфатных вод и что именно его образование является причиной растрескивания и разрушения бетона.

Казалось вполне естественным, что в затвердевшем камне силикатного цемента (портландцемента), где существует среда, насыщенная Са(ОН)2, могут образоваться высокоосновные гидроалюминаты кальция и главным образом 4СаОАl2О313Н2О.

Появление вод, содержащих CaSO42H2O, должно вызвать реакцию образования сульфатоалюмината по уравнению:

4СаО Аl2О3 13H2O + 3CaSO4 2Н2О + aq = 3CaO Al2O3 3CaSO4 32Н2О + Ca(OH)2 + aq.

Реакция эта сопровождается весьма значительным увеличением объема смеси и может привести к разрыву даже очень прочных связей частиц затвердевшего цемента, так как в этом случае реакция образования сульфоалюмината протекает при твердом состоянии составляющих и работа расширения происходит в результате перекристаллизации, проявляясь в виде направленного роста большого количества новых чрезвычайно мелких кристаллов.

Имевшие место разрушения вполне надежных бетонных сооружений при воздействии сульфатных вод приписывались образованию сульфоалюмината, который получил поэтому название «цементной бациллы». Возник инстинктивный страх перед сульфоалюминатом. Различными исследователями были выработаны условия и меры защиты бетонных сооружений от возможности образования в бетоне «цементной бациллы», и надо думать, что эти меры действительно устраняли возможность образования еульфоалюмината кальция в бетоне.

Способность сульфоалюмината эффективно расширяться при своем образовании возбудила в нас живейший интерес и заставила подойти к этому веществу с новой точки зрения.

Оказалось вполне возможным создать такие условия, при которых расширение, связанное с образованием сульфоалюмината, может быть полезно использовано и не вызовет никаких вредных последствий в виде ослабления цементного камня или даже его разрушения.

После целого ряда попыток нами был выбран и отрегулирован следующий состав расширяющегося цемента:
I компонент (расширяющийся) - механическая смесь порошков полуводного гипса и четырехкальциевого гидроалюмината;
II компонент - нормальный цемент.

Механизм расширения этого цемента представляется в следующем виде.

Составная часть «расширяющегося компонента» нового цемента - полуводный гипс - после затворения дает быстрое схватывание и ускоренное твердение; при этом образуется редкая пространственная сетка из кристаллов CaSO42H2O, большие свободные пространства которой наполнены второй частью «расширяющегоея компонента» - высокоосновными гидроалюминатами кальция и вторым компонентом - твердеющим цементом. Гипс и гидроалюминаты кальция, находясь в среде, насыщенной Са(ОН)2, реагируют друг с другом и образуют сульфоалюминат кальция. Реакция протекает в твердой фазе, и в закрепленных центрах расположения зерен гипса происходит образование и рост кристаллов сульфоалюмината. Процесс образования сульфоалюмината идет быстро и в известных условиях может закончиться в продолжение нескольких дней. Расширение гипсового камня при трансформациях в сульфоалюминат увлекает за собой окружающие продукты гидратации, и цементный камень на расширяющемся цементе в целом при гидратации сильно увеличивается в объеме. Поскольку цементный камень в полученной системе находится пока еще в форме геля, он в силу своих пластических свойств легко и без разрывов подчиняется расширению и следует за ним, сохраняя основные свои прочностные свойства.

Вторым компонентом для приготовления расширяющегося цемента может быть силикатный цемент или глиноземистый (алюминатный) цемент. Однако предпочтение надо отдать глиноземистому цементу, поскольку он обладает рядом свойств, обеспечивающих получение действительно высококачественного водонепроницаемого расширяющегося цемента.

Гидроалюминат кальция высокой основности может быть получен путем гидратации обычного глиноземистого цемента с известью.

При гидратации глиноземистого цемента в присутствия СаО продуктами гидратации являются: 1) смесь гексагональных гидроалюминатов кальция 2СаОАl2О38Н2О и 4СаОАl2О313Н2О, прокристаллизовавшихся в равномолекулярных пропорциях; 2) гидроокись кальция - Са(ОН)2 и 3) 2CaOSiO22&#x00BDH2O.

При гидратации глиноземистого цемента происходит энергичное поглощение воды, поэтому для полноты образования высокоосновных гидроалюминатов необходимо обеспечение влажностного режима твердения. Твердение ускоряется также при повышенной температуре затворяемого цемента.

Добавка извести во много раз ускоряет процесс гидратации глиноземистого цемента.

Количество поглощенной и удержанной воды для наших глиноземистых цементов может быть принято (после прогрева в автоклаве в продолжение 8 час.) в размере 30% от суммарного веса затворенного цемента и извести.

В результате получается смесь высокоосновных гидроалюминатов кальция и свободная гидроокись кальция.

Теоретические расчеты показывают, что для получения высокоосновного гидроалюмината кальция из глиноземистого цемента и извести следует принять добавку к цементу более 40% извести (считая на активную СаО).

Действительно, если считать на основе химического анализа глиноземистого цемента и расположения его на тройной системе, что вся кремнекислота связана в геленит, то получаем

Остается для связывания в алюминаты кальция

Аl2О3 = 45,0 - 17,7 = 27,8%
СаО = 37,45 - 19,4 = 18%.

Полагая, что в 4СаОАl2О313Н2О связываются все 27,8% Аl2О3, получаем необходимое количество СаО

следовательно,

За вычетом извести, содержащейся в цементе (18%), получим окончательно СаО = 61 - 18 = 43%.

Фактически следует извести брать несколько больше, чтобы обеспечить полноценное образование 13-водного алюмината кальция. Так как содержание извести в глиноземистом цементе может быть различным, оптимальной надо считать добавку 50 % извести.

После сушки и размола и последующего смешивания с полуводным гипсом образуется высококачественный «расширяющийся компонент». Прибавлением этого компонента в размере 40-45% к глиноземистому цементу получаем смесь полноценного расширяющегося цемента.

Оптимальный состав расширяющегося цемента определяется в результате следующих расчетов.

Для образования сульфоалюмината кальция из четырехкальциевого гидроалюмината по реакции:

3 (4СаОАl2О313Н2О) + Аl2О33H2О + 12 (CaSO40,5H2O) + aq = 4 (3СаОАl2О33CaSO432H2O) + aq,

необходимо на 3(224+102) части гидроалюмината кальция израсходовать 12 &#x00B7 145 частей гипса или 1,78 частей гипса на 1 часть гидроалюмината.

При активности извести в 62% на гашеную известь потребуется брать

и воды

что даст 0,92 г гашеной извести.

Четырехкальциевый гидроалюминат содержит

27,8 + 61 = 90 частей (Аl2О3+CaO).

Для его получения требуется

326 - 13 &#x00B7 18
90 - Н2О

Следовательно, высокоосновный гидроалюминат составится из

Процентное содержание чистого четырехкальциевого гидроалюмината составит

Следовательно, если на 1 г высокоосновного гидроалюмината требуется 1,78 гипса, то на 0,65 г потребуется 1,78:0,65=1,16 г. В случае применения гипса содержащего 80% CaSO40,5H2O, потребуется полуводного гипса.

Практически гипса надо брать несколько больше, во-первых, для обеспечения полноты реакции образования сульфоалюмината из состава высокоосновного гидроалюмината кальция, во-вторых, ввиду того, что часть гипса при затворении глиноземистого цемента, содержащегося в большом количестве в расширяющемся цементе, войдет в реакцию с 2СаОАl2O38Н2О с образованием сульфоалюмината кальция мелкой кристаллической формации, не вызывающей расширения. Однако не следует увлекаться большой добавкой гипса во избежание проявления непостоянства объема системы.

Многочисленные подборы определили оптимальное соотношение высокоосновного гидроалюмината к гипсу в размере 1:2; это соотношение и нашло практическое применение.

При затворении водой эта смесь очень быстро схватывается вследствие быстрой гидратации полуводного гипса. Гидроалюминаты кальция сейчас же начинают взаимодействовать с гипсом, образуя еульфоалюминат кальция и вызывая при своем образовании расширение системы.

Это увеличение объема, как отмечалось раньше, вызывает расширение твердеющего геля цемента, причем этому расширению не сопутствуют какие бы то ни было разрывы, так как возникшие напряжения очень быстро пропадают в результате пластических деформаций.

Очень важно, чтобы в составе глиноземистого цемента не было слишком много окиси железа и кремнезема. Оба эти вещества затрудняют образование сульфоалюмината кальция, так как они сами входят во взаимодействие с гидроалюминатами, образуя сложные двойные соли.

Расширение в основном заканчивается либо израсходованием всего количества расширяющегося компонента для образования сульфоалюмината, либо заменой в воде Ca(OH)2 на Al(OH)3, так как в среде гидроокиси алюминия реакция образования сульфоалюмината кальция происходит не в твердой фазе, а путем выпадения кристаллов из раствора по закону:

3(2CaOAl2O38H2O) + 6CaSO42Н2О + aq = 2(3CaOAl2O33CaSO4 aq) + Аl2О3aq.

В дальнейшем в полном объеме продолжаются процессы твердения материалов глиноземистого цемента, которые действовали и в период расширения основной решетки расширяющегося компонента, но не могли ей препятствовать вследствие своей повышенной пластичности.

Твердеющий камень глиноземистого цемента в определенные сроки закрепляет и стабилизирует увеличенный объем расширяющегося цемента и придает ему дальнейшую высокую прочность.

При использовании в качестве вяжущего силикатного цемента обстановка менее благоприятна, чем при глиноземистом цементе.

Дело в том, что силикатный цемент гидратируется значительно медленнее глиноземистого цемента. В то время как нормальная частица глиноземистого цемента может полностью прореагировать с водой за 2-3 дня, частица силикатного цемента гидратируется за год менее чем наполовину.

Поскольку силикатный цемент при схватывании отдает наряду с 2CaOSiO2 и 3СаОАl2О3, он на весь период гидратации становится поставщиком алюминатов кальция, которые в среде гидроокиси кальция (основной среды всех реакций в силикатном цементе) превращаются в 4СаОАl2О313Н2О и входят во взаимодействие с гипсом, образуя 3СаОАl2О33CaSO432H2O в твердой фазе и вызывая расширение цементного камня.

Выше уже отмечалось, что безопасное расширение цементного камня в молодом возрасте становится в его зрелом возрасте опасным и катастрофическим.

На этом основании при использовании силикатного цемента в качестве основного вяжущего следует строго ограничивать дозировку гипса в расширяющемся компоненте количеством, которое может быть полностью израсходовано и может перейти в гидроалюминат в первые же 3-5 дней твердения.

Необходимо подчеркнуть, что расширяющиеся цементы на основе силикатного цемента в обычных условиях твердеют очень медленно. Исследования показали, что в этом случае оптимальной добавкой расширяющегося компонента является 10%.

Несколько иначе построен цемент, разработанный и предложеный Лоссье к применению во Франции.

В 1944 г. Лоссье опубликовал состав своего цемента. Расширяющийся цемент Лоссье состоит из тесной механической смеси трех компонентов:
1) силикатного цемента, составляющего основу расширяющегося цемента;
2) сульфоалюминатного цемента, являющегося расширяющимся фактором и изготовляющегося «мокрым способом»;
3) стабилизатора, вступающего в действие через определенное время после затворения цемента и останавливающего расширение путем адсорбции главного реагента расширения, т. е. гипса; в качестве стабилизатора рекомендуется применять шлак.

По утверждению Лоссье, правильная дозировка этих трех компонентов позволяет регулировать интенсивность и продолжительность действия процесса расширения с большей точностью. Механизм расширения цемента Лоссье описывает следующим образом.

Силикатный цемент состоит в основном из силикатов кальция, алюминатов кальция и браунмиллерита. Он содержит и гипс. Сульфоалюминатный цемент состоит из алюминатов кальция, гипса и в малом количестве из силикатов кальция.

В смеси этих двух цементов в присутствии воды выделяется четырехкальциевый гидроалюминат, который под действием гипса в растворе приводит к образованию сульфоалюмината кальция; последний разбухает тонким порошком в соответствии с принципом Лешателье (поскольку происходит реакция растворенного тела с твердым телом). Силикаты кальция постепенно гидратируются с выделением освобождающейся извести, которая образует новые количества четырехкальциевого гидроалюмината, производя новое расширение. Процесс расширения идет до полного исчерпания свободного гипса в растворе.

Одновременно алюминаты сульфоалюминатного цемента, переходя в раствор, реагируют с гипсом (в данном случае без расширения) и образуют сульфоалюминат кальция в виде иглообразных кристаллов. Таким образом, конечными продуктами гидратации, как это изображено на рис. 7, являются: гидросиликаты кальция, кристаллический сульфоалюминат кальция, сульфоалюминат в виде очень тонкого порошка и избыток четырехкальциевого гидроалюмината и гидрата извести.

Рис. 7а. Последовательность химических процессов и конечные продукты гидратации водонепроницаемого расширяющегося цемента проф. В. В. Михайлова

Рис. 7б. Последовательность химических процессов и конечные продукты гидратации цемента Лоссье

Лоссье утверждает, что хороший расширяющийся цемент может быть получен только из силикатного цемента с добавкой отрегулированного количества сульфоалюминатного цемента. Если исходить из сульфоалюминатного цемента и стараться выделить четырехкальциевый гидроалюминат посредством гашеной извести или силикатного цемента, получение равномерного расширения невозможно. В этом случае даже при незначительных добавках извести при расширении образуются большие трещины.

Лоссье объясняет это явление различием упругих свойств твердеющего силикатного цемента и сульфоалюминатного це­мента. Первый благодаря своей коллоидной природе может да­вать большие пластические деформации без каких-либо разру­шений и выдерживать большие напряжения, которые разрушают второй цемент, обладающий кристаллическим строением.

В своем резюме Лоссье указывает, что расширяющийся це­мент состоит из хорошо изученных компонентов постоянных свойств, его применение на строительстве аналогично примене­нию нормальных цементов с обязательным добавлением необхо­димого увлажнения в течение первых 10—15 дней, т. е. в период процесса расширения цемента. Одиннадцатилетние исследования показали, что после затвердения бетона описанные выше хи­мические реакции между компонентами бетона совершенно за­канчиваются и никаких молекулярных преобразований во вре­мени, могущих снизить прочность бетона, не наблюдается.

Расширяющийся цемент Лоссье обладает следующими свойствами.

Сроки схватывания — немного более длительные, чем у обычного цемента; конец схватывания наступает приблизительно через 10 час.

Твердение — несколько более медленное, чем у соответст­венного силикатного цемента.

Период расширения — от 10 до 15 дней с момента затворения.

Интенсивность расширения при водном хранении —

для безусадочного цемента — 0,2—0,8%
» слабо расширяющегося цемента — 0,5—0,6%
» средне расширяющегося цемента — 0,8—1,0%
» сильно расширяющегося цемента — 1,2—1,5%

Прочность — в начале расширения она несколько меньше прочности нормального силикатного цемента; в последующий период значительно превосходит прочность последнего.

Свойства разработанного нами водонепроницаемого расши­ряющегося цемента на глиноземистом цементе существенно от­личны от свойств цемента Лоссье. Это высокопрочное вяжущее со следующими показателями:

Сроки схватывания — без применения замедлителей 4—8 мин.; с добавкой замедлителей 15—30 мин.

Период расширения — от 1 до 3 дней с момента затворения; основное расширение происходит в первые сутки.

Интенсивность расширения - для водонепроницаемого без­усадочного цемента - до 0,2%. При водном хранении - для водовепроницаемого расширяющегося цемента - до 1,0%.

Прочность - аналогична прочности нормального глиноземистого цемента.

Рис. 8. Рост прочности водонепроницаемого расширяющегося цемента на глиноземистой основе (при водном хранении)

Рис. 9а. Расширение водонепроницаемого расширяющегося цемента на глиноземистой основе (при водном хранении) в первые часы твердения

Рис. 9б. Расширение водонепроницаемого расширяющегося цемента на глиноземистой основе (при водном хранении)

Рис. 8, 9а и 9б иллюстрируют механические и деформационные свойства водонепроницаемого расширяющегося цемента (ВРЦ).

Свойства нашего расширяющегося цемента на основе сили­катного цемента близки к свойствам цемента Лоссье. Однако источником расширения в нашем цементе является расширяю­щийся компонент, и потому необходимое расширение происхо­дит в первые же дни твердения. В цементе Лоссье материалы расширения поставляются самим цементом, и потому для необ­ходимого расширения требуется ие менее 10—15 дней; при этом обязательно использование шлака как стабилизатора во избежа­ние полного разрушения системы от чрезмерного расширения.

Утверждение Лоссье о невозможности создания расширяю­щегося вяжущего на базе глиноземистого цемента неправильно. Такое утверждение являлось следствием того факта, что источ­ником возникновения сульфоалюмината кальция в твердеющем вяжущем Лоссье является сам гидратирующийся силикатный цемент, в то время как в наших водонепроницаемых расширяю­щихся цементах рассчитанное количество расширяющегося ком­понента, состоящего из смеси четырехкальциевого гидроалюми­ната и гипса, добавляется к глиноземистому цементу перед затворением в виде дисперсного порошка, который реагирует с во­дой затворения в короткие сроки, т. е. в первые же дни тверде­ния. Подобный механизм расширения гарантирует твердеющий цемент от какого бы то ни было разрушения, так как в нем при свободном расширении не возникает больших внутренних напря­жений, стремящихся разорвать тело цементного камня, представ­ляющего собой в ранние сроки твердения весьма податливый гель.

Наглядно отличие механизмов расширения у водонепроницае­мого расширяющегося цемента, разработанного в Советском Со­юзе, и цемента Лоссье, предложенного во Франции, представ­лено на рис. 10 а, б. Естественно, что длительность протекания реакции образования сульфоалюмината кальция в цементе Лоссье вызывает ослабление структуры и внутренние разрывы, которые очень часто обнаруживаются простым глазом. Восста­новление прочности происходит уже в зрелом возрасте после стабилизации в процессе самовалечивания разрывов цементно­го камня, чем и объясняется последующее накопление прочности.

Правильность структурных построений при созданий водо­непроницаемого расширяющегося цемента подтверждает анализ минералогического состава этого цемента.

Исходными материалами при изготовлении расширяющегося цемента были глиноземистый цемент приведенного выше со­става и расширяющийся компонент, составленный из 1 вес. ч. гидратированной смеси (глиноземистый цемент — 0,66 ч.; из­весть — 0,34 ч.; вода — 0,50 ч.) и 0,75 вес. ч. полуводного гип­са. Расширяющийся компонент и расширяющийся цемент затво­рялись 35% воды и хранились первые 5—7 дней во влажных опилках, а затем на открытом воздухе за исключением образцов серии 22-РК, которые сразу были выставлены на воздух. Ре­зультаты исследований приведены в табл. 3.

Рис.10. Механизм твердения расширяющихся цементов Михайлова и Лоссье

Таблица 3

Минералогический состав продуктов гидратации расширяющегося компонента и расширяющегося цемента (состав гидратированной смеси - глиноземистый цемент - 0,66 ч.; известь - 0,34 ч.; вода - 0,50 ч.)

* Поры образца заполнены белым порошком, представляющим собой скопление призмочек из сульфоалюмината кальция.

Во всех образцах влажного хранения как 7-дневного, так и 2-месячного возраста обнаружен сульфоалюминат кальция (3CaOAl2O33CaSO432H2O), кристаллы гипса, зерна кальцита и остатки негидратированного цемента в виде геленита. В об­разцах сухого хранения сульфоалюминат не обнаружен.

В образцах гидратированного расширяющегося цемента как в 8-дневном, так и в 2,5-месячном возрасте обнаружен сульфо­алюминат, гидроалюминат кальция, гипс, кальцит и геленит. Обращает на себя внимание чрезвычайно мелкая структура гидратированного цемента.

В образцах годичного возраста гидроалюминаты все еще обнаруживались в виде геля, и вся структура цементного камня была более мелкой. Особо надо подчеркнуть результаты иссле­дования образцов гидратированного расширяющегося цемента годичного возраста. В этих образцах имелись мелкие и крупные поры, которые, повидимому, образовались при затворении и бы­ли в свое время заполнены воздухом и водой. Эти поры в го­дичном возрасте оказались заполненными порошком сульфоалюмината кальция, подтверждая тот факт, что образование сульфоалюмината вызывает расширение, по своему характеру ничего общего не имеющее с тепловым расширением. Это об­стоятельство играет решающую роль для качества расширяю­щегося цемента, так как расширение системы происходит вслед­ствие раздвижения зерен гидратов и зарастания всех щелей и промежутков, в результате чего система не только расширяется, но и уплотняется.

Воодонепроницаемость растворов и бетонов на существую­щих вяжущих является следствием усадки цемента, которая увеличивает пористость системы и в результате общего умень­шения объема создает в нем разрывы и трещины.

Исходя из требований удобоукладываемоети растворов и бетонов, в них вводится значительное количество воды. Для хи­мического процесса гидратации цементов обычно требуется меньшее количество воды. Так, для полной гидратации силиката кальция до 2CaOSiO22&#x00BDH2O требуется всего 2,5 молекулы во­ды или не более 10—12% от общего веса клинкера. В то же время даже при укладке жирных растворов расход воды со­ставляет 35—40%. Лишняя вода определяет пористость системы.

Несколько иначе обстоит дело с алюминатными цементами. Здесь для гидратации цемента до двухкальциевого силиката требуется 8 молекул воды и для гидратации до четырехкальциевого силиката 13 молекул воды. Воды затворения в этом слу­чае может не хватить, особенно для жестких смесей, почему и требуется для полной гидратации дополнительное внешнее увлажнение. Следовательно, после того как структура цементного камня установилась и этим определилась начальная пористость системы, дополнительная вода, входящая в нее сквозь имею­щиеся поры, вступает в химическую реакцию гидратации и превращается в кристаллизационную воду гидроалюминатов кальция. Естественно, что при этом пористость уменьшается, каналы суживаются и система приобретает известную водонепроницаемость.

Примером может служить смесь глиноземистого цемента с известью (в количестве 2—5%), которая при гидратации очены быстро схватывается, твердеет и в результате образования 4CaOAl2O313H2O самоуплотняется и приобретает водонепроницаемость. К сожалению, нестабильность чистого 4CaOAl2O313H2O приводит систему к перекристаллизации в кубическую форму и к значительному ослаблению и разрушению. Добавка гипса к данной смеси создает стабилизацию структуры 4CaOAl2O313H2O и спасает систему от разрушения. К тому же здесь в присутствии воды образуется сульфоалюминат кальция, включающий в себя 32 молекулы кристаллизационной воды и требующий для своего образования большого количества воды, что обеспечивает еще большее уплотнение системы. Происходит очень быстрое твердение и почти мгновенное приобретение системой свойств водонепроницаемости. Конечная прочность такого цемента по отношению к исходному глиноземистому получается сниженной на 40—50%. Объясняется это тем, что образование сульфоалюмината кальция здесь затягивается на весь период гидратации глиноземистого цемента, вызывая внутренние разрывы и ослабляя структуру цементного камня. Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ), описанный выше и составляемый из глиноземистого цемента и расширяющегося компонента, не страдает этим недостатком. Процесс расширения происходит в нем очень быстро и заканчивается через 1 сутки, раньше окончания полной гидратации глиноземистого цемента. По этой причине ослабление структу­ры системы и разрывы в ней не наблюдаются, хотя рост проч­ности у этого цемента в первые часы происходит медленнее, чем у так называемого водонепроницаемого безусадочного цемента (ВБЦ), составленного из смеси глиноземистого цемента, извести и гипса (рис. 11).

Рис. 11. Рост прочности при водном хранении водонепро­ницаемого расширяющегося цемента (ВРЦ) и водонепро­ницаемого безусадочного цемента (ВБЦ)

3. Технические свойства водонепроницаемого расширяющегося цемента (ВРЦ) и водонепроницаемого безусадочного цемента (ВБЦ)

Водонепроницаемый расширяющийся це­мент (ВРЦ) является быстро схватывающимся и быстро твердеющим гидравлическим вяжущим веществом, получаемым путем тщательного смешения в определенной дозировке глино­земистого цемента (ГОСТ 969-41), высокопрочного гипса (ТУ-33-44, Наркометрой и НКПСМ СССР) либо строительного гипса 1 или 2 сорта (ГОСТ 125-41) и молотого высокоосновного гидроалюмината кальция.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент предназна­чается для омоиоличивания сборных и поврежденных железо­бетонных конструкций, устройства торкретной гидроизоляции (при отсутствии в процессе возведения сооружения гидростати­ческого давления воды), создания гидроизоляционного слоя на напорных железобетонных трубах в процессе их производства, заделки трещин и их гидроизоляции, заделки анкерных болтов, заполнения пространства между станинами машин и фундамен­тами, гидроизоляции швов между тюбингами, применяемыми для обделки туннелей, стволов шахт и др.

Водонепроницаемый безусадочный цемент (ВБЦ) является быстро схватывающимся и быстро твердею­щим гидравлическим вяжущим веществом, получаемым путем тщательного смешения глиноземистого цемента марки не ниже 400 (ГОСТ 964-41), строительного гипса 1 или 2 сорта (ГОСТ 125-41) и кальциевой извести-пушонки (ГОСТ 1174-41), взятых в определенных соотношениях; допускается добавка асбеста 7 сорта (ГОСТ 7-40) в количестве не более 5% от веса цемента.

Водонепроницаемый безусадочный цемент предназначается для устройства гидроизолирующей торкретной оболочки бетон­ных и железобетонных подземных сооружений, фильтрующих воду, строящихся и эксплоатируемых в условиях повышенной влажности (туннели, фундаменты и т. п.), заложенных в устой­чивых (непросадочных) грунтах.

Применение водонепроницаемого безусадочного цемента в сооружениях, хотя бы временно находящихся в условиях не­достаточной влажности, запрещается.

Технические условия на эти два вида водонепроницаемых цементов приведены в табл. 4 и 5.

Таблица 4

Технические условия на водонепроницаемые расширяющийся и безусадочный цементы (по ТУ-66-50 и ТУ-69-50)

Таблица 5

Характеристика водонепроницаемости расширяющегося и безусадочного цементов

Поскольку свойства водонепроницаемых цементов кардинально отличаются от свойств всех известных цементов, ниже приводятся сведения о методах физических и механических испытаний этих цементов.

Методы физических и механических испытаний водонепроницаемого расширяющегося цемента (ВРЦ)

Определение нормальной густоты цементного теста производится в соответствии с пп. 7-16 ГОСТ 310-41, при следующих изменениях п. 12:

а) величина навески вместо 400 г принимается равной 300 г;

б) перемешивание цемента с водой начинают немедленно после затворения цемента, не соблюдая интервала в 30 сек.;

в) перемешивание цемента с водой должно продолжаться вместо 5 мин. не более 1 мин. с момента затворения.

Определение сроков схватывания цементное теста нормальной густоты производится в соответствии с пп. 17-19 ГОСТ 310-41 при изменении установленного в п. 17 врёмени погружения иглы; иглу погружают в тесто через кажды 15 сек.

Определение тонкости помола цемента производится в соответствии с пп. 24-26 ГОСТ 310-41.

Определение предела прочности при сжатии образцов из цементного теста производится на имеющих форму кубиков образцах размером 20X20X20 мм.

Для приготовления шести образцов (одного срока испытания) берут навеску в 150 г цемента и замешивают его с водой в количестве, необходимом для получения теста нормально густоты. Перемешивание цемента с водой производится вручную в чашечке при помощи стальной лопаточки в течение 1 мин.

Приготовленное цементное тесто укладывают с некоторым избытком в форму, дно и стенки которой смазаны машинным маслом. Форму с уложенным тестом встряхивают вручную 20 раз, после чего поверхность образцов сглаживают ножом.

Процесс изготовления образцов должен быть закончен до начала схватывания цемента.

Образцы вынимают из форм через 30 мин от начала за творения, а через 1 час от начала затворения помещают в воду с температурой 20±3° и выдерживают в ней до испытания.

Испытание кубиков производят на гидравлическом прессе, причем за предел прочности при сжатии (в кг/см2) принимается средняя из наибольших четырех величин, полученных при испытании шести кубиков. Кубики помещают на нижнюю давящую поверхность пресса так, чтобы основанием служили грани, соприкасающиеся со стенками формы.

Определение предела прочности при сжатии образцов из цементно-песчаного раствора производится на образцах, имеющих форму призм размером 31,5X31,5X100 мм, изготовляемых из цементно-песчаного раствора состава 1:2 (по весу) нормальной густоты.

Нормальная густота цементно-песчаного раствора устанавливается по расплыву его на встряхивающем столике в соответствии с ГОСТ 310-41. Для этой целя 200 г цемента и 400 г нормального Вольского песка тщательно смешивают в металлической чашке, сначала всухую, в течение 1 мин., а затем полученную сухую смесь затворяют водой и снова перемешивают в продолжение 1 мин. Полученный раствор немедленно укладывают в конус и устанавливают нормальную густоту его в соответствии с п. 73 ГОСТ 310-41.

Для изготовления трех образцов-призм, предназначаемых для испытания на сжатие, тщательно смешивают в металлической чашке 250 г цемента и 500 г нормального Вольского песка, сначала всухую, затем в полученную смесь вливают сразу всю воду в количестве, необходимом для получения раствора нормальной густоты, и тщательно перемешивают в течение 1 мин. до получения однообразно увлажненной пластичной массы.

Готовый раствор укладывают в формы, штыкуя его ножом и слегка постукивая по стенкам форм молоточком (весом 300 г). Внутренние стенки форм предварительно смазывают машинным маслом. По окончании укладки раствора в формы, но не позднее чем через 2 мин. от начала затворения смеси, избыток раствора срезают ножом и заглаживают свободную поверхность призм вровень с краями форм.

Через 30 мин. от начала затворения раствора образцы освобождают от боковых стенок форм, а через 1 час от начала затворения образцы погружают в воду и выдерживают в ней до испытания. Вода, в которой хранятся образцы, должна иметь температуру 20±3° и каждые 14 дней должна заменяться свежей; расстояние между отдельными образцами должно быть не менее 1 см; уровень воды должен перекрывать верх призм на 2 см.

При испытании призм на сжатие их устанавливают на пресс так, чтобы сжимающие усилия прикладывались к граням 31,5Х31,5 мм. Эти грани перед испытанием должны быть тщательно очищены. Перед испытанием образцы должны быть насухо вытерты. Испытание образцов должно быть закончено не позднее чем через 10 мин. после извлечения их из воды.

Предел прочности при сжатии определяется как частное от деления величины разрушающей нагрузки (в кг) на площадь грани (в см2) (3,15·3,15=10 см2). За предел прочности при сжатии (в кг/см2) принимается среднее арифметическое из двух наибольших величин.

Определение равномерности изменения объема производится в соответствии с пп. 20-23 ГОСТ 310-41. Кроме того, изготовляются дополнительно две лепешки, которые погружаются в воду через 1 час от начала затворения. При этом испытании лепешки не должны размокать, а на лицевой стороне их через 6 час. не должно быть мелких трещин, видимых невооруженным глазом или при помощи лупы.

Аппаратура для определения линейного расширения и изготовления образцов. Определение линейного расширения производится путем измерения призм при помощи прибора (рис. 12), состоящего из стойки и индикатора часового типа, позволяющего устанавливать линейные измерения образцов длиной 100 мм в пределах 0-10 мм; индикатор имеет две шкалы: одну с малой стрелкой, регистрирующей показания в миллиметрах, и другую шкалу с большой стрелкой, регистрирующей сотые доли миллиметров.

Рис. 12. Аппарат для измерения линейного расширения образцов расширяющегося цемента

1 - индикатор; 2 - зажим для закрепления индикатора; 3 - опорная плита; 4 - стойка; 5 - подвижной стержень индикатора; 6 - неподвижный стержень на опорной плите

Для контроля показаний прибора применяется специальный латунный цилиндрический эталон диаметром 10-12 мм с высверленными в его торцах на глубину 1 мм (по оси эталона) коническими лунками с углом при вершине 60°. Длина эталона между вершинами лунок равна 100 мм.

Измерительный стержень индикатора имеет конический наконечник с углом при вершине 50°. На подставке стойки на одной оси с измерительным стержнем расположено неподвижное коническое острие также с углом при вершине 50°.

При помощи эталона индикатор закрепляют на стойке в таком положении, чтобы стрелка на малой шкале установилась на отметке 5, а стрелка на большой шкале поворотом последней установилась на отметке 0.

Все измерения образцов производят по отношению к длине эталона, оценивая при помощи индикатора абсолютную величину разницы длины эталона и образца. При длине образца больше или меньше длины эталона (что устанавливается по показанию малой стрелки) отсчет сотых делений индикатора берется соответственно по черным или красным делениям большой шкалы.

Образцы для измерения линейного расширения изготовляются из цементного теста нормальной густоты в виде призм размером 31,5X31,5X100 мм.

При изготовлении образцов в формочку закладываются вертикально с каждой торцевой стороны пластинки, изготовленные из латуни или нержавеющей стали размером 31,5X31,5 мм и толщиной 1,5 мм. К поверхности пластинки, обращенной внутрь образца, припаивается или приваривается ушко. В центре другой стороны пластинки делается коническое углубление с углом при вершине 60°.

Для каждого вида хранения готовятся три призмы, для изготовления которых берется навеска в 550 г цемента. Цемент замешивается с водой в количестве, необходимом для получения теста нормальной густоты. Приготовленное тесто в течение 1 мин. с момента его затворения укладывается в гнезда формы, внутренние стенки которых предварительно смазаны машинным маслом. Тесто в каждой ячейке штыкуют 5 раз ножом, которым затем аккуратно срезают избыток теста и сглаживают поверхности образцов, передвигая нож от середины к краям призм.

Образцы нумеруют (метят) и освобождают от стенок форм не ранее чем через 20 мин. от начала затворения цементного теста. Фиксация начальных размеров образцов при помощи прибора производится не позднее 30 мин. от начала затворения.

Определение линейного расширения. Линейные измерения образцов производят следующим образом:
а)   перед каждым измерением необходимо при помощи эталона убедиться в правильности показаний индикатора;
б)   правой рукой поднимается измерительный стержень индикатора настолько, чтобы образец свободно проходил между острием стержня индикатора и острием, находящимся на подставке стойки;
в)   левой рукой берут образец меткой кверху и ставят его углублением в торце на острие подставки;
г)   правой рукой опускают измерительный стержень таким образом, чтобы острие его вошло в углубление пластинки образца;
д)   образец вращают до тех пор, пока острия прибора примут постоянное положение в углублениях пластинок на образцах и стрелка большой шкалы не будет давать отклонения, после чего делается отсчет показания индикатора и образец снимается (такое измерение каждого образца должно повторяться дважды); при обнаружении расхождений в отсчетах делаются повторные измерения.

Результат измерений выражается в процентах и по дочитывается по формуле:

где λ - линейное расширение в процентах;
n1 - первоначальный отсчет, произведенный при измерении свежеприготовленного образца;
n2 - отсчет при последующих измерениях образца;
l - первоначальная длина призмы.

За результат линейного расширения принимается среднее арифметическое замеров трех образцов, причем отклонение в показаниях не должно превышать 15% от средней величины.

В помещении, где производятся измерения линейного расширения образцов, должна поддерживаться постоянная температура 20±3°.

Образцы, предназначенные для определения линейного расширения при водном хранении, после первого измерения должны быть погружены в воду с температурой 20±3° не позднее чем через 1 чае после их изготовления и выдерживаться в ней до последующих измерений.

Определение водонепроницаемости образцов из цементного теста производится путем испытания гидростатическим давлением воды на приборе с вертикальным расположением зажимных фланцев (рис. 13). Испытание образцов производится в специальных чугунных дисках с коническим отверстием или с прорезями (рис. 14а, 14б), которые заполняются цементным тестом нормальной густоты.

Рис. 13. Установка для определения водонепроницаемости цементов

Рис. 14а. Чугунный диск для определения водонепроницаемости теста и раствора

Рис. 14б. Чугунный диск с прорезями для определения водонепроницаемости теста и раствора в швах тюбингов

Для изготовления образцов замешивают 200 г цемента с водой в количестве, необходимом для получения теста нормальной густоты. Приготовленное тесто через 1 мин. от начала затворения укладывают в отверстие диска, слегка штыкуя его ножом. Этим же ножом срезают избыток теста и сглаживают поверхность образцов, направляя нож от середины к краям образца.

Диски со схватившимся и отвердевшим в них цементным тестом устанавливают большим основанием конического отверстия в сторону гидростатического давления и зажимают между фланцами прибора. Между диском и фланцем, через который подается вода под давлением, помешается мягкая резиновая прокладка, предотвращающая в этом месте просачивание воды.

Образцы цементного теста начинают испытывать на водонепроницаемость через 1 час от начала затворения цемента водой при хранении образца до испытания на воздухе при температуре 20±3°. Образцы испытывают сначала (в течение первых суток) гидростатическим давлением, равным одной атмосфере. При этом давлении должны регистрироваться поверхностные изменения цемента (размывание, размокание), время появления на поверхности образца капель воды и время окончания фильтрации. При дальнейшем испытании этих же образцов гидростатическое давление через 1 сутки повышается до 5 атм и поддерживается на этом уровне в течение всего периода испытаний.

При испытании образцов суточного воздушного хранения гидростатическое давление ступенями (каждый час по 2 атм и в последний раз на 1 атм) поднимается до 5 атм и устанавливается соответствие поведения образца требованиям табл. 5.

Испытание цемента на водонепроницаемость в дисках с прорезями производится аналогично описанному выше испытанию в дисках с кольцевым отверстием. В этом случае тестом заполняются три призматические прорези (размером вверху - 82X12, внизу - 80X6 мм), находящиеся в чугунных дисках толщиной 32 мм, которые зажимаются между фланцами прибора. Диски нужно устанавливать малым отверстием призматических прорезей в сторону гидростатического давления.

При испытании цементного теста в прорезях через 1 час от начала затворения цемента гидростатическое давление устанавливается в 1 атм. При этом регистрируются поверхностные изменения цемента - размывание, размокание, нарушение сцепления цемента со стенками прорезей и время появления и окончания фильтрации воды. Через 1 сутки при доведении давления до 5 атм регистрируют признаки отпотевания поверхности цемента или фильтрации воды как через цемент, так и на контакте цемента со стенками прорезей.

Определение водонепроницаемости образцов из цементно-песчаного раствора производится путем испытания образцов-дисков, изготовленных из цементно-песчаного раствора состава 1:2 (по весу), нормальной, густоты, аналогично приведенным выше указаниям.

Методы физических и механических испытаний водонепроницаемого безусадочного цемента (ВБЦ)

Методы испытания водонепроницаемого безусадочного цемента в основном те же, что и водонепроницаемого расширяющегося цемента. Из-за очень коротких сроков схватывания внесены изменения в методы определения нормальной густоты и водонепроницаемости.

Определение нормальной густоты цементного теста. Цементное тесто водонепроницаемого безусадочного цемента представляет собой смесь цемента с водой. Показателем нормальной густоты цементного теста впредь доразработки специального метода считается минимальное количество воды в процентах, необходимое для получения тестовидной массы, легко отделяющейся от поверхности лопатки, которой производится перемешивание затворенной смеси.

Определение нормальной густоты теста производится путем, затворения цемента в стальной чашке сферической формы диаметром 400 мм, высотой 100 мм и толщиной 2-3 мм или в фарфоровой ступке диаметром 200 мм, высотой 100 мм. При затворении цемента перемешивание производится стальной лопаткой, имеющей диаметр 100 мм и толщину 1 мм (пп. 9-40 ГОСТ 310-41).

Для определения нормальной густоты цементного теста берут навеску 300 г цемента, помещают ее в чашку, дно которой протирают заранее влажной тряпкой. В сделанное в цементе углубление в один прием вливают все заранее отмеренное (с точностью до 0,5 г) количество воды и засекают секундомером время начала затворения.

После этого цемент осторожно, а затем энергично растирают лопаткой, при этом растирание производится попеременно во взаимно перпендикулярных направлениях. Продолжительность перемешивания цемента с водой не должна превышать 30 сек. с момента прилипания воды.

Если по истечении указанного времени под лопаткой не образуется тестовидной массы, то нужно повторить все испытание сначала, изменив взятое первоначальное количество воды.

Определение повторяют до тех пор, пока не получится однородная тестовидная масса, отделяющаяся от лопатки.

Определение водонепроницаемости образцов из цементного теста производится путем испытания гидростатическим давлением на приборе с вертикальным расположением зажимных фланцев (рис. 13). Испытание образцов производится в специальных чугунных дисках с коническим отверстием (рис. 14), которые заполняются цементным гестом нормальной густоты.

Для изготовления образцов замешивают 300 г цемента с водой в количестве, необходимом для получения теста нормальной густоты. Приготовленное тесто в течение 1 мин. от начала затворения укладывают в отверстие диска, слегка штыкуя его ножом. Этим же ножом срезают избыток теста и сглаживают поверхность образцов, направляя нож от середины к краям образца.

Диски со схватившимся и отвердевшим в них цементным тестом устанавливают большим основанием конического отверстия в сторону гидростатического давления и зажимают между фланцами прибора. Между диском и фланцем, через который подается вода под давлением, помещается мягкая резиновая прокладка, предотвращающая в этом месте просачивание воды.

Образцы цементного теста начинают испытывать на водонепроницаемость через 1 час от начала затворения цемента водой при хранении образца до испытания на воздухе при температуре 20±3°. Гидростатическое давление первые сутки поддерживается на уровне 2 ат. При этом давлении регистрируются поверхностные изменения цемента (размокание, размывание), время появления на поверхности образца отпотевания, капель воды или наличие фильтрации воды. При дальнейшем испытании (через 1 сутки) гидростатическое давление доводится до 5 атм и устанавливается соответствие поведения образца требованиям табл. 5.

Определение водонепроницаемости образцов из цементно-песчаного раствора производится путем испытания образцов-дисков, изготовленных из цементно-песчаного раствора состава 1:2 (по весу), нормальной густоты, аналогично приведенным выше указаниям.

Замедлители схватывания водонепроницаемых расширяющихся цементов

В большинстве случаев короткие сроки схватывания водонепроницаемых расширяющихся цементов нужны для достижения высоких технических качеств сооружения. Это в первую очередь касается случаев гидроизоляции поверхностей торкретированием и придания водонепроницаемости тампонированием, и чеканкой.

Однако бывают случаи, когда возникает необходимость задержать сроки схватывания цемента. Это достигается введением добавок к цементу сульфитной барды, уксусной кислоты, виннокаменной кислоты.

Результаты исследования влияния этих добавок на сроки схватывания водонепроницаемого расширяющегося цемента приведены в табл. 6.

Таблица 6

Влияние замедлителей на сроки схватывания водонепроницаемого расширяющегося цемента

Наилучшие результаты были получены при применении виннокаменной кислоты. Для существенного замедления начала схватывания было достаточно добавить к воде затворения 0,12-0,25% виннокаменной кислоты. Это подтверждается также результатами испытания расширяющегося цемента в НИИЦементе, где для замедления схватывания применялась добавка 0,1% виннокаменной кисслоты.

Хорошие результаты дала добавка сульфитного щелока. Этот химический продукт представляет большой интерес, так как он является отходом целлюлозно-бумажного производства и получение его для целей замедления сроков схватывания расширяющегося цемента не представляет затруднений.

Опыт лаборатории Метростроя также подтверждает действие виннокаменной кислоты и сульфитной барды как замедлителя схватывания расширяющегося цемента (рис. 15 и 16).

Рис. 15. Сроки схватывания водонепроницаемого расширяющегося цемента с добавкой виннокаменной кислоты

Рис. 16. Сроки схватывания водонепроницаемого расширяющегося цемента с добавкой сульфитной барды

Для того, чтобы проверить сохраняются ли свойства расширения цемента при введении добавок-замедлителей, притовлялись призмы цементного теста и раствора и систематически замерялись их размеры. Призмы были испытаны в возрасте 28 дней.

Исследования показали, что применение замедлителя уменьшает расширение, однако величина последнего сохраняется на достаточно высоком уровне и это расширение может быть с успехом использовано.

Замедление твердения проявляется особенно резко в первые дни твердения. Здесь совершенно отчетливо обнаруживается, что скорость нарастания прочности уменьшается с увеличением дозы замедлителя; однако при всех практически приемлемых дозировках замедлителя прочность в 28-дневном возрасте приближается к 28-дневной прочности глиноземистого цемента, на котором изготовлялся расширяющийся цемент.

Исключением является сульфитная барда, вызывающая заметное снижение прочности расширяющегося цемента.

Было установлено также, что почти все замедлители через несколько минут после затворения цемента дают увеличение подвижности смеси, в связи с чем количество воды, необходимое для получения теста нормальной густоты, уменьшается на 10% и более.

4. Технические свойства нормального слабо расширяющегося цемента (РЦ)

Нормальный слаборасширяющийся цемент (РЦ) является гидравлическим вяжущим веществом, получаемым путем тщательного смешивания силикатного цемента (портландцемента) марки не ниже 300 (ГОСТ 970-41), высокопрочного гипса (ТУ-33-44 Наркомстрой и НКПСМ СССР) либо строительного гипса 1 или 2 сорта (ГОСТ 125-41) и молотого высокоосновного гидроалюмината кальция. Весовое содержание отдельных составляющих нормального слабо расширяющегося цемента должно быть:
а)   силикатного цемента - не менее 85%;
б)   гипса - не более 10%.

Нормальный слабо расширяющийся цемент при схватывании и твердении во влажной среде обнаруживает объемное расширение в результате образования солей сульфоалюмината кальция.

Нормальный слабо расширяющийся цемент предназначен для омоноличивания сборных и поврежденных железобетонных конструкций, заливки конструктивных швов и каверн, заливки анкерных болтов, заполнения пространства между станинами машин и фундаментами и изготовления сборных железобетонных конструкций с повышенной трещивоустоичивостью.

Цемент должен обнаруживать равномерность изменения объема при испытании в воде, а также при горячих пробах. Начало схватывания должно наступать не ранее 15 мин. от начала затворения, а конец схватывания - не позднее 30 мин. При просеивании цемента остаток на сите № 200 не должен превышать 12%; через сито №30 должно проходить не менее 75% (по весу).

Предел прочности при сжатии кубиков 7Х7Х7 см стандартного изготовления из раствора жесткой консистенции состава 1:3 (по весу), хранящихся во влажной среде, должен быть не ниже следующих величин:

Линейное расширение призм размером 31,5X31,5X100 мм, изготовленных из чистого цементного теста нормальной густоты, должно быть:

Вследствие сравнительно не слишком коротких сроков схватывания нормального слабо расширяющего цемента применение каких-либо замедлителей в данном случае не рекомендуется.

5. Технология изготовления водонепроницаемых расширяющегося и безусадочного цементов

Изготовление водонепроницаемых цементов представляет собой несложную операцию, которая под силу любой крупной строительной организации, располагающей помольной установкой или хорошей шаровой мельницей. Однако эти простые операции должны выполняться с предельной точностью дозировки и четким соблюдением технологии.

Процессы приготовления ВРЦ и ВБЦ заключаются в тесном механическом перемешивании и размельчении до необходимой тонкости помола трех порошкообразных компонентов следующих ориентировочных составов:

Соотношение компонентов в зависимости от минералогического состава материалов должно уточняться химическим расчетом и испытанием пробных образцов.

Расчет состава компонентов, идущих на приготовление гидроалюмината кальция, делается по содержанию в извести активной части (CaO+MgO). При извести пониженной активности соответственно увеличивается ее дозировка на замес.

Самостоятельное изготовление четырехкальциевого гидроалюмината строительными организациями разрешается только на специальных установках, располагающих квалифицированными кадрами и хорошей лабораторией.

Принципиальная схема изготовления водонепроницаемого расширяющегося цемента показана на рис. 17. Первая стадия предусматривает приготовление высокоосновного гидроалюмината кальция путем предварительного тщательного перемешивания и варки суспензированной в воде смеси глиноземистого цемента и извести с последующей сушкой продукта и его помолом. Вторая стадия предусматривает перемешивание высокоосновного гидроалюмината кальция с полуводным гипсом и глиноземистым цементом и их размол до требуемой топкости для получения готового ВРЦ.

Рис. 17. Принципиальная схема приготовления водонепроницаемого расширяющегося цемента

Для производств сравнительно небольшого масштаба разрешается приготовлять четырехкальциевый гидроалюминат по упрощенной схеме. В этом случае глиноземистый цемент и известь в соответствии с ее активностью в заданной расчетом пропорции загружаются в растворомешалку (или в другой смесительный агрегат) и перемешиваются в ней насухо в течение 3 мин.; затем в растворомешалку заливается вода в количестве не менее 100% от веса смеси и производится перемешивание еще в течение 3 мин., после чего содержимое растворомешалки (в виде густой тягучей смеси) вываливается в специальный герметичный металлический ящик, где сохраняется в течение 3-5 суток.

Полученная смесь гидратированных глиноземистого цемента и извести в виде отдельных кусков легко размельчается молотком и загружается в сушильный барабан, где сушится до полного удаления гидратной воды. В результате такой обработки получается сухой продукт, который после помола на мельнице становится полноценным полуфабрикатом для дальнейшего производства ВРЦ. ВБЦ изготовляется простым смешиванием и помолом трех исходных (см. выше) компонентов.

Разрешается дозировать в мельницу высокоосновный гидроалюминат и гипс в кусках при условии, что сперва производится совместный помол гидроалюмината и гипса и уже после достаточного их измельчения осуществляется механическое смешивание и помол с глиноземистым цементом.

Технологическая схеиа механизированного производства представлена на рис. 18.

Рис. 18. Технологическая схема заводского производства водонепроницаемого расширяющегося цемента

1 - склад извести-кипелки; 2- склад извести-пушонки; 3 - склад цемента; 4 ~ склад гипса; 5 - известегаситель; 6 - творильная яма; 7 - болтушка для приготовления известкового молока; 8 - мотор к болтушке; 9 - бегуны типа ЗМ-3; 10 - бункер для приемки гидроалюмината; 11 - печь для подогрева бегунов; 12 - бункер для гипса; 13 - бункер для гидроалюмината; 14 - бункер для цемента; 15 - тарельчатые питатели; 16 - мельница; 17 - помещение весовой дозировки; 18 - насос для перекачки известкового молока; 19 - нории; 20 - элеваторы; 21 - насос для откачки воды из творильной ямы; 22 - транспорт извести тачками;23 - транспорт цемента в контейнерах на тележках; 24 - трубопровод для известкового молока; 25 - паровытяжное устройство бегунов; 26 - система труб для подогрева бегунов;27 - фильтр "Бета"; 28 - силосы готовой продукции БРЦ; 29 - нория для отвода бракованного гидроалюмината; 30 - отвальная яма

Для изготовления гидроалюмината в этом случае используются специальные бегуны или обычные металлические бегуны, оборудованные обогревательным кожухом, трубами для отвода паров воды из смеси и специальными охладительными устройствами вокруг подшипников и трущихся деталей для увеличения срока их службы.

Глиноземистый цемент и известь (в виде известкового молока, пушонки или молотой кипелки) поступают в бегуны, где перемешиваются совместно с водой. Перемешивание в бегунах производится в течение 2 час. без подогрева, а затем перемешиваемая смесь подогревается при 130-150° до полного высушивания. В результате такого перемешивания и прогрева сметанообразная смесь густеет, распадается на куски и затем размельчается в грубый порошок.

После того как смесь сварена и высушена, она выгружается из бегунов через специальный люк и подается в бункер для дальнейшего использования в соответствии со схемой рис. 18.

6. Применение водонепроницаемых расширяющихся цементов в строительстве

Производство гидроизоляционных работ способом торкретирования с применением ВРЦ и ВБЦ

Особые свойства ВРЦ и ВБЦ позволяют применять эти цементы вместо свинца и рулонных гидроизоляционных материалов. Ввиду коротких сроков схватывания и твердения этих цементов они могут применяться лишь тогда, когда обеспечивается быстрая укладка цемента в дело. В качестве рекомендуемого агрегата для укладки надо считать цемент-пушку, где смешивание цемента с водой происходит в сопле в самый последний момент перед нанесением цемента на торкретируемую поверхность.

Торкретирование водонепроницаемыми цементами применяется для устройства гидроизоляционных покрытий в таких сооружениях, осадки которых прекратились и где исключено появление трещин после нанесения торкретного слоя.

Торкретную гидроизоляцию из водонепроницаемых цементов можно наносить как со стороны гидростатического напора на сооружение, так и с противоположной стороны. Однако следует рекомендовать устройство гидроизоляции со стороны напора.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) применяется для гидроизоляции различных, сооружений (резервуары, шлюзы, доки, бассейны, трубопроводы, туннели, фундаменты промышленных и гражданских зданий), в которых на время производства работ фильтрующая вода может быть отведена от торкретируемых поверхностей на период в 1-2 часа. Применение этого цемента допускается для сооружений, эксплоатируемых в условиях любого влажностного режима.

Водонепроницаемый безусадочный цемент (ВБЦ) применяется для гидроизоляции подземных сооружений (туннели различного назначения), которые в течение всего периода строительства и эксплоатации находятся в условиях повышенной влажности воздуха (75% при t=20°). Ввиду того что этот цемент является безусадочным или слабо расширяющимся лишь во влажной среде, а в сухих условиях обнаруживает усадку, нужно избегать его применения для тех сооружений, где, хотя бы временно, может создаться сухой режим.

Скорость схватывания и твердения этого цемента такова, что его применение допускается и при наличии поверхностей, не сильно фильтрующих воду. В этом случае торкретный слой укладывается прямо по мокнущей поверхности. При сильной фильтрации и фонтанирующей течи вода должна быть отведена. Перед нанесением торкретного слоя изолируемая поверхность сооружения должна быть тщательно очищена щетками и насечена с целью обеспечения хорошего сцепления торкретного слоя с бетоном. Перед самым началом гидроизоляционных работ поверхность бетона обрабатывается пескоструйным аппаратом и промывается струей воды.

В процессе торкретирования осуществляется наблюдение за состоянием влажности торкретируемой поверхности и в случае обнаружения высохших мест производится их увлажнение.

Рис. 19. Схема торкретной установки

Установка для торкретирования состоит из следующих агрегатов:

а)   цемент-пушки типа С-165 в комплекте с воздухоочистителем, резервуара для воды и сопла с набором наконечников. (см. схему на рис. 19);

б)   аппарата для пескоструйной очистки со шлангом.

При отсутствии пескоструйного аппарата, для очистки поверхности может быть, использована сама цемент-пушка.

Пуск, эксплоатация и остановка цемент-пушки должны производиться в соответствии с «Инструкцией по эксплоатации цемент-пушек С-165» (Главстроймеханизация Минстройдормаша, Стройиздат, 1948) при соблюдении следующих общих правил.

Для пуска установки включают мотор подачи смеси; подают сжатый воздух в нижнюю камеру и в водяной бак; открывают игольчатый кран подачи воды у сопла и проверяют равномерность распределения воды; засыпают 15 л сухой смеси в верхнюю камеру цемент-пушки (в последующем загружается по 10 л), закрывают верхним конусным раствором верхнюю камеру, которая наполняется сжатым воздухом. После этого сухая смесь начинает поступать в нижнюю камеру, в карманы вращающейся питательной тарелки и в материальный шланг; при выбрасывании из сопла смесь смачивается водой.

После 15-секундного интервала, достаточного для пересыпания сухой смеси из верхней камеры цемент-пушки, перекрывают нижний конусный затвор, прекращают подачу воздуха в верхнюю камеру и выпускают воздух из верхней камеры через выпускной клапан. Затем производят загрузку новой порции смеси (10 л) и пересыпку смеси из верхней камеры в нижнюю в соответствии с приведенными выше указаниями.

Управление цемент-пушкой в процессе торкретирования состоит в цикличном повторении описанных операций. Нормальная работа цемент-пушки обеспечивается загрузкой в нее смеси через равные интервалы времени, определенные при пробной продувке порции смеси. Сигнал к перепуску смеси дает рабочий, выделенный в помощь мотористу.

В процессе эксплоатации возможна вынужденная остановка, цемент-пушки вследствие засорения материального шланга, что устанавливается внезапным повышением давления на манометре у материального шланга и прекращением вылета материала из сопла. В этом случае необходимо: остановить мотор, прекратить подачу сжатого воздуха и выпустить из цемент-пушки воздух (открыв нижний затвор), закрыть у сопла вентиль, регулирующий подачу воды, и произвести прочистку шланга.

После вынужденной остановки, т. е. при наличии в цемент-пушке сухой смеси, в первую очередь перекрывают конусный затвор нижней камеры и впускают туда сжатый воздух. Если воздух свободно проходит в материальный шланг, то включают мотор питательной тарелки и возобновляют работу цемент-пушки.

По окончании работ необходимо: пропустить оставшийся в цемент-пушке материал через сопло; произвести продувку материального шланга; прекратить подачу свежего воздуха в камеры; остановить мотор питательной тарелки; выпустить воздух из верхней камеры; произвести очистку цемент-пушки от пыли и грязи, отсоединить фланец и произвести очистку карманов питательной тарелки; разобрать сопло, промыть детали его в воде и прочистить отверстия для воды, высушить и снова собрать сопло; прочистить зазор между дном опорной коробки питательной тарелки, приподняв последнюю при помощи штопорного болта.

Перед началом работ производят приготовление сухой смеси состава 1:2 (цемент-песок, по весу). При больших объемах работ для этой цели используется растворомешалка. Длительность перемешивания одного замеса должна быть не менее 3 мин.

Сухая смесь перед употреблением должна быть просеяна через сито и использована не позднее чем через 2 часа с момента ее приготовления.

Подробные указания по использованию цемент-пушки для торкретных работ изложены в инструкции Минтяжстроя И-146-50.

Торкретирование осуществляется подачей сухой смеси под давлением сжатого воздуха по шлангу к соплу, где происходит смешивание ее с водой. Во время работы цемент-пушки подача воды по специальному шлангу регулируется вращением вентиля на сопле и количество воды устанавливается такое, чтобы на поверхности торкрета не было сухих пятен, обусловленных недостатком воды в укладываемой смеси, и не имело место оплывание торкретного слоя, указывающего на избыток воды.

Сопло должно быть направлено строго перпендикулярно к торкретируемой поверхности и удалено от нее на расстояние 80-120 см. Давление в цемент-пушке должно быть в пределах 1&#x00BD-3 ат. Давление в водяном баке должно превышать давление в цемент-пушке на 1-1&#x00BD ат.

Толщина торкретного слоя, укладываемого за один прием, составляет около 20 мм. При торкретировании днищ сооружений песок, отскакивающий от поверхности и содержащий незначительное количество цемента, должен непрерывно сдуваться сжатым воздухом. Торкретный слой на днище следует покрывать защитным слоем из обычного бетона.

Укладываемый перед перерывом в работе слой торкретного покрытия наносят с постепенным уменьшением его толщины до 10 мм на полосе шириной от 1,0 до 1,5 м. Перед возобновлением работ производят очистку поверхности и толщину указанной полосы доводят до проектной.

Поверхности торкретного покрытия, как правило, не затираются, однако при производстве торкретирования необходимо избегать образования бугров и впадин глубиной более 8 мм. Затирка заторкретированной поверхности допускается через 24 часа после выполнения покрытия.

Торкретирование производится при температуре воздуха выше 5°. Нанесение торкретного слоя на поверхности бетона, имеющего отрицательную температуру, запрещается.

Торкретное покрытие подвергается увлажнению в течение 24 час, причем начало увлажнения должно осуществляться:

а) при применении водонепроницаемого безусадочного цемента (ВБЦ) - через 30 мин. с момента нанесения;

б) при применении водонепроницаемого расширяющегося цемента (ВРЦ) - через 2 часа с момента нанесения.

Поверхность торкрета должна быть защищена от резких механических воздействий в течение 6 час. после окончания работ. Хождение по торкрету допускается через 1 час после его укладки, так как к этому времени прочность торкретного слоя, достигает для ВРЦ - 25 кг/см2, а для ВБЦ - 70 кг/см2.

Применение цемент-пушки для пескоструйной очистки-поверхностей, подлежащих торкретированию, разрешается только при небольших объемах работ и при торкретировании поверхностей свежего и не сильно загрязненного бетона.

При использовании цемент-пушки для пескоструйных работ смесительное сопло заменяется пескоструйным соплом. Для получения необходимой узкой струи песка на выходе из сопла рекомендуется применять наконечник с внутренним диаметром 6 мм. Последовательность операций загрузки цемент-пушки песком и ее эксплоатации при пескоструйных работах такая же, как и при производстве торкретирования. Рекомендуется загружать цемент-пушку порциями песка в количестве 25-30 л, которые расходуются в течение 3-4 мин. Давление воздуха в камерах цемент-пушки при пескоструйных работах должно быть на уровне 3,5-4 ат.

Гидроизоляция цементами ВРЦ и ВБЦ была проверена на объектах большой влажности и полностью себя оправдала. Во всех случаях сооружения были осушены, а фильтрация прекращена.

Экономический эффект от применения водонепроницаемых цементов для поверхностной гидроизоляции весьма велик, так как вместо дорогостоящих работ по откачке воды, осушению поверхности бетона, наклейке гидроизоляционных слоев и устройству железобетонной рубашки применяется слой гидроизоляции из цементного раствора толщиной в 35 мм, наносимый на мокрую поверхность торкретированием (рис. 20).

Рис. 20. Гидроизоляция туннельных облицовок

Большим преимуществом гидроизоляции поверхностей водонепроницаемыми цементами является то, что при механическом повреждении поверхности устранение возникшей течи легко выполняется путем ремонта поврежденного места способом, изложенным ниже. В то же время при оклеечной гидроизоляции нахождение и ремонт поврежденного места представляют собой сложную и не всегда осуществимую задачу.

Заделка фильтрующих воду трещин, щелей и каверн в бетонных и железобетонных сооружениях с применением ВРЦ

Использование силикатного цемента для заделки в бетоне сооружений трещин, щелей и каверн, фильтрующих воду, обычно является трудным делом и, как правило, не достигает цели.

Заделка фильтрующих мест водонепроницаемым расширяющимся цементом (ВРЦ) может быть выполнена полноценно лишь в том случае, если установлено, что плотность и водонепроницаемость бетона в целом достаточны и нет опасности, что после ремонта щели вода начнет фильтровать в других местах.

На время производства работ приток воды к месту повреждения должен быть устранен отводом воды через трубки, понижением уровня грунтовых вод, нагнетанием ВРЦ за конструкцию и тому подобными способами.

Для заделки фильтрующих мест применяется ВРЦ, просеянный через сито № 200, со сроком начала схватывания не менее чем 4 мин.

Конструкции, подлежащие ремонту, тщательно осматриваются и выявляются характер и возможные способы исправления повреждения. Трещины шириной до 10 мм на всем своем протяжении превращаются в канавки глубиной 30-35 мм и шириной 12-15 мм, уширяющиеся во внутрь конструкции, а каверны превращаются в конические или трапецеидальные лунки глубиной не менее 100 мм, обращенные уширенной частью внутрь сооружения. Расширение и углубление трещин и каверн производится либо пневматическим рубильно-чеканоч-ным молотком со специальным наконечником, либо вручную (зубилом).

Поверхность бетона в поврежденном месте перед началом ремонта тщательно промывается водой из шланга. Для устранения на время работы притока воды через поврежденные места или для нагнетания ВРЦ за конструкцию в бетоне бурятся отверстия диаметром 22-25 мм, в которые вставляются стальные трубки диаметром на 3-4 мм менее размера отверстия, пробуренного в бетоне.

Цемент, предназначенный для заделки трещин, разравнивают на стальном бойке и увлажняют при помощи лейки, имеющей сетчатую воронку. Водоцементное отношение должно быть не более 0,3.

Цементное тесто для заделки каверн затворяют вручную в металлическом плоском сосуде. На один замес берется такое количество цемента, которое может быть израсходовано в течение 4 мин. после затворения. Разбавлять схватившееся тесто дополнительной порцией воды запрещается.

ВРЦ для нагнетания применяется в виде теста подвижной сметанообразной консистенции с водоцементным отношением 0,6-0,8. Цементное тесто для нагнетания должно быть израсходовано в течение 20 мин. после затворения. Тесто для нагнетания приготовляется в растворомешалке или вручную путем добавления к заданному объему воды соответствующего количества цемента.

К заделке фильтрующих мест разрешается приступать лишь после выполнения всех подготовительных работ.

Трещины (расширенные канавки) послойно заполняются увлажненным цементом при помощи набивки или вручную, причем каждый уложенный слой толщиной в 2-4 см немедленно уплотняется чеканкой и смачивается из пульверизатора. Промежуточные поверхности слоев не должны заглаживаться и доводиться до блеска. Послойное заполнение повторяется до тех пор, пока канавка не будет целиком заполнена и тщательно выровнена заподлицо с поверхностью сооружения. При наличии притока воды заделка трещин вначале производится сухим цементом.

Укладка цементного теста в каверны производится заполнением их предварительно приготовленными тестовидными шарами либо забрасыванием теста при помощи кельмы; тесто до конца схватывания должно быть удержано в каверне в зажатом состоянии с целью предохранения цемента от провисания и выдавливания.

Места, заделанные ВРЦ, в течение первых суток поливаются водой через каждые 2 часа. После окончания работ, когда цементное тесто полностью отвердело, разрешается прекратить отвод воды от заделанного места через 15-20 мин., а откачку - через 2 часа.

Через 1 сутки после окончания заделки дефектного места выпущенные концы трубок забивают деревянными пробками и внешним осмотром производят оценку достигнутой водонепроницаемости отремонтированного места. После установления удовлетворительности ремонта выступающий конец трубки обрезается электро- или газосваркой. Трубка заполняется цементным тестом, и отремонтированное место выравнивается заподлицо с поверхностью бетона.

Описанные ремонтные работы производятся звеном в три человека: мастером, производящим непосредственное тампонирование, и двумя рабочими, приготовляющими тесто и производящими вспомогательные работы - подноску инструмента, поверхностное увлажнение и др.

Заделка каверн и трещин успешно производилась на ряде строительных объектов. Особенно трудный случай имел место на одном разрушенном в ходе войны заводе, где стенки подземных камер, изолированных от грунтовых вод наружной оклеечной гидроизоляцией, оказались поврежденными взрывом, вследствие чего в камеры в изобилии начала поступать вода.

Все поврежденные места были успешно заделаны ВРЦ. При этом в некоторых местах добиться полного временного отвода воды в процессе ремонта не удавалось, и ремонт производился, по фонтанирующим местам быстрой закидкой теста и раствора, а поступающая вода отводилась через специальные трубки, причем заполненные каверны временно зажимались специальными щитками.

Описанный способ ремонта фильтрующих мест можно рекомендовать только для сооружений из плотного бетона. Для бетонов неплотной структуры должна применяться сплошная поверхностная гидроизоляция методом торкретирования.

Применение ВРЦ, ВБЦ и РЦ в различных случаях

Описанные выше случаи применения водонепроницаемых цементов не исчерпывают области применения этих цементов. Наоборот, свойства новых цементов столь разнообразны и необычны по сравнению со свойствами известных вяжущих, что перед этими цементами открывается самая широкая область применения.

В виде краткого перечня ниже приводятся области строительства, где должны найти применение названные выше цементы.

Гидроизоляция туннелей метрополитенов и стволов шахт путем зачеканки швов тюбингов. Для зачеканки швов обделки туннелей из чугунных тюбингов обычно применялся свинец, расход которого всегда был весьма значительным из-за большой протяженности изолируемых швов.

ВРЦ в швах оказался значительно лучше свинца. Он обеспечил полную водонепроницаемость. Работа с ним оказалась проще, дешевле и безвредней. В настоящее время свинец на строительстве метрополитенов не применяется3. С переходом на применение ВРЦ для зачеканки швов тюбингов достигнута экономия в затрате труда на 15% и в стоимости на 30%.

ВРЦ с успехом был применен при гидроизоляции ствола шахты с тюбинговой облицовкой. Объект был трудный, так как тахтой пришлось пересекать мощные плывунные горизонты. Почти на всей глубине шахты в 190 м гидроизоляция была выполнена при помощи ВРЦ.

Напорные железобетонные трубы. Дефицитность и высокая стоимость металла, а также его коррозионные свойства вызывают необходимость замены металла в ряде случаев железобетоном, в том числе в высоконапорных трубах. Однако как бы тщательно и плотно ни укладывали бетон, трубы пропускают воду даже при низких давлениях.

Создание наружного торкретного слоя из ВРЦ позволило решить вопрос о полноценной гидроизоляции высоконапорных труб4. Слой ВРЦ в 12-13 мм, нанесенный на наружную поверхность железобетонной трубы, вполне достаточен для полного устранения фильтрации воды при давлении в 10-15 атм. Быстрое нарастание прочности позволяет через 10 мин. снять трубу со станка и через 1 сутки применить их в строительстве. Способность ВРЦ проникать в мельчайшие поры бетонной поверхности обеспечивает надежное сращивание наружного гидроизоляционного слоя с телом трубы, вследствие чего возможность отрыва этого слоя от бетона исключается.

Гидроизоляция фундаментов и подвальных помещений. В силу капиллярности и водонепроницаемости бетона и кирпичной кладки влага из почвы поднимается по фундаментам и стенам и выступает в виде мокрых пятен на внутренней поверхности стен подвальных, а иногда и первых этажей зданий.

Чтобы избежать сырости в подвальных помещениях достаточно при строительстве осуществить гидроизоляцию из ВРЦ (с применением замедлителя схватывания) по одному из способов, приведенных на рис. 21. Слой гидроизоляции из ВРЦ в 3-4 см гарантирует сухой режим внутри помещения. Опыт применения этого способа гидроизоляции дал хорошие результаты.

Рис. 21. Гидроизоляция подвальных помещений

3акрепление машин на фундаментах. Связь машин с фундаментами должна обеспечиваться подливкой; под машины цементного раствора. Однако вследствие усадки (рис. 22) связь между станиной машины и фундаментом часто нарушается, что влечет за собой быстрый износ, а в некоторых случаях и внезапный выход из строя машин.

Рис. 22. Закрепление машин на фундаментах

Раствор с применением ВРЦ надежно заполняет пространство под станиной машины и связь ее с фундаментом обеспечивается расширением раствора, а быстрый ввод в эксплоатацию - свойством цемента затвердевать в течение нескольких часов. Заполнение раствором ВРЦ узкого пространства под станиной осуществляется нагнетанием при помощи специального насоса, обеспечивающего ровный и быстрый поток пластичной цементной массы.

Применение ВРЦ в данной области существенно увеличивает срок службы машин с динамическим режимом работ.

Стыкование водопроводных труб. Из-за дефицитности свинца соединение чугунных водопроводных труб выполняется чеканкой обычным цементом с асбестом. Такой цементный стык требует продолжительного времени для твердения и ие обеспечивает из-за усадки раствора полной водонепроницаемости.

Замена обыкновенного цемента на ВРЦ (с применением замедлителя схватывания) обеспечивает возможность ввода стыка в эксплоатацию через несколько часов, после зачеканки и гарантирует водонепроницаемость. Трудоемкость работ по стыкованию труб при помощи ВРЦ в 4 раза меньше трудоемкости, имеющей место при применении обычного цемента, так как вместо чеканки здесь может быть применена замазка и даже заливка стыка.

При хорошем основании под трубы возможно для стыкования применение чистого цемента (без асбеста), который в силу своей повышенной пластичности (из-за коллоидной структуры) хорошо приспособляется во времени к неравномерным нагрузкам без нарушения целости я водонепроницаемости стыка.

Опыт такого стыкования был осуществлен на 4-км трассе водопровода и дал положительный результат. Только 30% стыков труб было зачеканено в траншее, остальные 70% стыков выполнено на поверхности путем соединения трех или четырех труб в одно жесткое звено. Быстрота твердения ВРЦ обеспечивала легкую и быструю заготовку звеньев, которые уже на следующий день сталкивали в траншею и соединяли в общую водопроводную нитку. За водопроводом установлены наблюдения, которые покажут, в какой мере подобное стыкование можно осуществлять на других стройках.

Соединение сборных железобетонных конструкций и отделочные работы. Вопрос о создании жесткого и равнопрочного стыка сборных железобетонных конструкций всегда был наиболее трудно разрешимым. До самого последнего времени в полной мере он и не разрешен, так как при заливке стыкового соединения обычным бетоном неминуемо появление трешин, вследствие чего монолитность нарушается.

Применение в данном случае ВРЦ или РЦ кардинально разрешает эту проблему. Стык, залитый одним из этих цементов, становится совершенно равнопрочным со смежными сечениями конструкции. Многочисленные опыты над железобетонными конструкциями в моделях и в натуральную величину полностью подтвердили полноценность таких соединений. На этом основании для расширяющихся цементов открываются широкие перспективы применения в сборном строительстве. Эти цементы можно применять для присоединения ригеля к стойке (для рамных конструкций в месте наибольших моментов), для соединения отдельных элементов в сборномонолитпые конструкции, для стыкования колонн и стоек по высоте и т. д.

Расширяющиеся цементы с большим успехом могут быть применены для отделочных работ и для всякого рода заделки щелей, швов закрепления в стенах анкеров, уплотнения отверстий в стенах при пересечении труб и т. д.

Быстрое восстановление разрушенных зданий и сооружений. При разрушении зданий под воздействием взрывной волны вследствие непосредственного попадания снаряда или авиабомбы, а также вследствие падения вышерасположенных элементов железобетонные конструкции в большинстве случаев раздробляются на отдельные части, связанные между собой только арматурой.

Обычно при восстановлении железобетонных конструкций сильно поврежденные части либо целиком заменяются новыми, либо поврежденные элементы подвешиваются на временных или постоянных новых конструкциях (из металла и дерева), либо на участках разрушений осуществляется объемлющая железобетонная рубашка (обойма).

Как правило, такие решения связаны с большой затратой дефицитных материалов, поскольку заменяющая конструкция (новый элемент или обойма) должна рассчитываться на полную нагрузку без учета несущей способности разрушенных частей сооружения.

Рассмотрение оставшихся неповрежденными частей железобетонных конструкций часто приводит к мысли о желательности после возвращения конструкции в проектное положение (путем подъемки) и отремонтирования поврежденной арматуры заполнить пустые объемы новым бетоном, обеспечив при этом надежное его сращивание со старым бетоном. Существующие цементы, которые в процессе схватывания и твердения обнаруживают усадку, в большинстве случаев не могут быть полноценно использованы для возвращения железобетонной конструкции ее первоначальной монолитности.

Коренное улучшение в этом отношении вносит применение ВРЦ и РЦ, при которых возможность возвращения конструкции монолитности представляется в реальном и осуществимом виде.

Вследствие расширения бетон оказывает давление на заранее подготовленные поверхности старого бетона и надежно с ними «сращивается».

Большое значение в процессе создания монолитности имеет то обстоятельство, что расширяющийся цемент быстро твердеет, вследствие чего восстановление может быть произведено в кратчайший срок, а в зимнее время - без использования тепляков, только при условии подогрева воды и заполнителей.

Таким образом, создание монолитности при помощи расширяющегося цемента является приемом простого и в то же время вполне капитального восстановления разрушенных железобетонных сооружений.

ВРЦ и РЦ были применены в большом масштабе для быстрого и капитального восстановления ряда разрушенных зданий5. При восстановлении в 1943 г. одного завода с применением расширяющихся цементов была достигнута экономия цемента 34%, металла 98%, денежных средств 58%. Последующая зксплоатация сооружений завода показала полноценноегь восстановления конструкций.

Особые случаи применения РЦ. Приведенным выше перечнем далеко не исчерпываются возможности применения расширяющихся цементов.

В частности, вполне возможно использовать энергию расширения РЦ для натяжения арматуры железобетонных конструкций и превращения их ев предварительно напряженные. Для достижения этой цели должен быть применен особый состав РЦ и специальная его обработка. Таким образом, вместо трудоемких процессов механического предварительного напряжения арматуры открывается возможность достижения предварительного напряжения арматуры во всех направлениях (как продольном, так и поперечном) в результате процесса твердения цемента. В этих условиях напряженно армированный бетон сможет осуществляться в любом монолитном сооружении. Этому вопросу будет посвящена отдельная книга.

Новый цемент сможет быть применен также и для раскружаливания сводов и арок. При этом раскружаливание будет совершаться самопроизвольно в раннем возрасте сооружения.

1 Проведенных в ТНИСГЭИ и опубликованных в книге проф. В. В. Михайлова «Элементы теории структуры бетона», Стройиздат, 1941 г.

2 Исследования проведены ЦНИПС в 1945 г. над различными составами расширяющегося цемента и его компонентами.

3 В данном сборнике помещена статья Э. 3. Юдовича, специально посвященная вопросу гидроизоляции туннельной тюбинговой обделки с применением водонепроницаемого расширяющегося цемента.

4 В данном сборнике помещена статья А. П. Попова, специально посвященная вопросу изготовления высоконапорных труб с применением водонепроницаемого расширяющегося цемента.

5 Проф. В. В. Михайлов, Восстановление железобетонных конструкций с применением расширяющегося цемента, Стройиздат, 1945