4CaO∙Al2O3∙Fe2O3 + (6 + m)H2O → 3CaO∙Al2O3∙6Н2О + +CaO∙Fe2O3∙mH2O;
CaO∙Fe2O3∙mH2O + 2Са(ОН)2 → 3CaO∙Fe2O3∙mH2O.
Связывание свободной гашеной извести, образовавшейся при твердении алита, играет положительную роль в повышении коррозионной стойкости цемента.
Для того чтобы замедлить реакцию твердения трёхкальциевого алюмината, к цементу добавляют двуводный гипс, при этом образуется труднорастворимый минерал эттрингит, который препятствует проникновению воды к зернам алюмината.
3CaO∙Al2O3 + 3(CaSO4∙2H2O) + 25H2O → →3CaO∙Al2O3∙3CaSO4∙31H2O.
Для ускорения процесса твердения алита вводят добавку соды Na2CO3, которая реагирует с гашеной известью и смещает равновесие в реакции твердения алита вправо.
Ca(OH)2 + Na2CO3 → CaCO3 + 2NaOH.
Так как повышение температуры ускоряет реакции гидролиза и гидратации, то для ускорения твердения бетона проводят тепловлажностную обработку (пропаривают) бетонных изделий.
Глинозёмистый цемент
Глинозёмистый цемент – это медленносхватывающееся, но быстротвердеющее гидравлическое вяжущее. Сырьём для него служат известняк и бокситы с невысоким содержанием алюминия. Сырьё измельчают и обжигают до спекания при температуре 1150 – 1250 оС или до плавления при температуре 1500 – 1700 оС. В результате получается очень твердый клинкер, содержащий в основном низкоосновные алюминаты. При обжиге происходят следующие реакции:
СаСО3 → СаО + СО2↑ (разложение известняка); Al2O3∙nH2O → Al2O3 + nH2O (дегидратация бокситов);
СаО + Al2O3 → СаО∙Al2O3 (образование низкоосновного алюмината). При твердении глиноземистого цемента происходят гидролиз и гидратация, причем в результате гидролиза образуется гелеобразный гидроксид алюминия, который способствует образованию очень плотной структуры цемента. Низкая пористость обеспечивает высокую прочность, водостойкость, морозо- и коррозионную стойкость глино-
зёмистого цемента.
2(СаО∙Al2O3) + 11Н2О → 2СаО∙Al2O3∙8Н2О + 2Al(OH)3.
80
Гидратированный алюминат кальция кристаллизуется в виде пластинчатых гексагональных кристаллов, которые склеивает гель гидроксида алюминия.
Схватывание глинозёмистого цемента продолжается от 30 минут до 12 часов, что удобно при формовании, а прочность он набирает за трое суток. Из-за уникальных свойств глинозёмистый цемент применяют при срочных восстановительных работах, для тампонирования нефтяных и газовых скважин, для футеровки шахтных колодцев и туннелей, но из-за амфотерных свойств гидроксида алюминия глинозёмистый цемент нестоек в щелочной среде. Вторым недостатком является высокая стоимость цемента, которая складывается из стоимости сырья (бокситы), затрат на энергию для обжига и для измельчения клинкера.
Пуццолановые цементы
В строительстве применяется большое количество цементов с активными пуццолановыми добавками. Наиболее известно гипсоце-
ментно-пуццолановое вяжущее (ГЦПВ). Оно состоит из 50 – 75 %
гипса, 15 – 25 % портландцемента или шлакопортландцемента и 10 – 25 % пуццолановой добавки (трепел, диатомит). Без пуццолановой добавки из цемента и гипса образовался бы эттрингит, который из-за большого увеличения в объёме крошится. Пуццолановая добавка – аморфный кремнезём, оксид кремния − снижает концентрацию гидроксида кальция в жидкой фазе при твердении, что приводит к снижению щелочности среды и образованию не высокосульфатного, а низкосульфатного гидроалюмината кальция:
2Са(ОН)2 + 3CaO∙Al2O3 + CaSO4∙0,5H2O + SiO2 + mH2O → →3CaO∙Al2O3∙CaSO4∙10H2O + 2CaO∙SiO2∙nH2O.
Увеличение объёма твердой фазы не происходит, не возникают и опасные внутренние деформации. Кроме того, пуццолановая добавка, связывая свободную гашеную известь, способствует повышению коррозионной стойкости бетона.
Пуццолановые цементы характеризуются повышенной водо- и сульфатостойкостью, поэтому используются для изготовления фундаментов. Замедленное нарастание прочности и низкое тепловыделение позволяют использовать пуццолановые цементы для изготовления массивных бетонных конструкций.
81
Коррозия бетона
Коррозия бетонов – это разрушение бетонных изделий под воздействием внешних факторов. Различают три вида коррозии бетона.
Физическая коррозия, или коррозия вымывания – вымывание во-
дой малорастворимых компонентов бетона. Известно, что при твердении алита образуется известь, которая частично может растворяться
в воде. Константа процесса растворения извести (произведение растворимости) равно ПРСа(ОН)2 = [Са+2][ОН−] = 5,5∙10−6. Если концентра-
ция ионов кальция в воде будет ниже 1,7 г/л, то известь будет растворяться, в бетоне образуются поры, трещины, что снижает его прочность, водостойкость и морозостойкость.
Второй вид коррозии – образование легкорастворимых соединений. К этому виду коррозии относятся углекислотная и магнезиальная
коррозии. Под действием углекислого газа сначала образуется карбонат кальция, нерастворимый в воде:
Са(ОН)2 + СО2 → СаСО3.
Но при дальнейшем контакте бетона с водой, насыщенной углекислым газом, образуется кислая соль – гидрокарбонат кальция, хорошо растворимая в воде:
СаСО3 + СО2 + Н2О → Са(НСО3)2.
Магнезиальная коррозия происходит при контакте бетона с морской водой или с грунтовыми водами, содержащими большое количество солей магния:
Ca(OH)2 + MgCl2 → CaCl2 + Mg(OH)2;
Ca(OH)2 + MgSO4 → CaSO4 + Mg(OH)2.
Образующиеся при этом соли кальция хорошо растворимы в воде (особенно хорошо растворим хлорид кальция), гидроксид магния не обладает вяжущими свойствами и крошится. Сульфат кальция опасен и как источник сульфатной коррозии.
Третий вид коррозии – образование продуктов большого объёма,
что приводит к внутренним дефектам и к образованию трещин. Это сульфатная коррозия, которая протекает при контакте бетона с водой,
содержащей растворимые сульфаты:
Ca(OH)2 + SO4−2 → CaSO4 + 2OH−; 3CaO∙Al2O3∙6H2O + 3CaSO4 + 25H2O → 3CaO∙Al2O3∙3CaSO4∙31H2O.
Образующийся в воде сульфат кальция вступает в реакцию с гидроалюминатом кальция и образует эттрингит, или «сульфатную ба-
82
циллу», которая увеличивает объём изделия в 2,5 раза, что приводит к быстрому разрушению бетонных конструкций.
Методы защиты бетона от коррозии:
1.Конструктивные: устройство гидроизоляции, водоотводов, дренажей.
2.Технологические: интенсивное уплотнение бетона при укладке и формовке; снижение водоцементного соотношения; автоклавная обработка, при которой свободная известь реагирует с песком, используемым в качестве заполнителя.
3.Выбор состава цементного клинкера: снижение количества трёхкальциевого алюмината повышает сульфатостойкость; замена части алита на белит и целит повышает стойкость к первым двум видам коррозии.
4.Карбонизация изделий: длительная выдержка бетонных изделий на воздухе способствует завершению реакции между известью и углекислым газом. Образующийся карбонат кальция не выщелачиваетсяпреснойводойи невзаимодействует с сульфатами.
5.Пуццоланизация изделий: добавление в бетон активных пуццолановых добавок приводит к связыванию свободной извести в нерастворимый гидросиликат кальция.
6.Использование защитных покрытий: бетон покрывают полимерными пленками, битумными, лакокрасочными покрытиями.
Вопросы для самоконтроля
1.Дайте определение неорганических вяжущих материалов, назовите их отличие от органических вяжущих. Какие вяжущие называются воздушными, а какие – гидравлическими? Приведите примеры.
2.Какими физико-химическими свойствами должны обладать неорганические вяжущие? Что способствует увеличению этих свойств?
3.Из каких стадий складывается процесс твердения неорганических вяжущих?
4.Какое сырьё используют для получения воздушной извести? Напишите уравнения реакций, протекающих при обжиге сырьевых ма-
териалов, укажите температурный режим. Почему нельзя повышать температуру обжига выше 1200 оС? При использовании какого сырья получается воздушная известь лучшего качества?
83
5.Напишите уравнения реакций гашения и твердения воздушной извести, укажите особенности этих реакций. Как будет проходить твердение известково-песчаного раствора?
6.Какое сырьё используется для получения магнезиального вяжущего? Напишите уравнения реакций обжига, укажите температурный режим.
Почему нельзя при производстве магнезиального вяжущего повышать температуруобжига выше800оС?Какое сырьёпредпочтительнее?
7.Каковы особенности твердения магнезиального вяжущего? Почему для затворения магнезиального вяжущего не используют воду? Напишите уравнение реакции, протекающей при твердении магнезиального вяжущего. Для изготовления каких строительных материалов применяют магнезиальное вяжущее?
8.Какие виды гипсовых вяжущих вы знаете? Какое сырьё используют для производства гипсовых вяжущих? Напишите уравнения реакций, протекающих при обжиге при получении строительного гипса, ангидритового вяжущего, эстрих-гипса.
9.Как твердеют гипсовые вяжущие? Напишите уравнения реакций твердения, укажите особенности каждой реакции, время схватывания и твердения.
10.Какое сырьё используют для производства портландцемента? В каком соотношении берут компоненты? Какие существуют способы подготовки сырья для производства портландцемента? Укажите недостатки и преимущества каждого способа.
11.Что представляет собой печь для получения портландцемента? Расскажите о процессах, происходящих в первой и второй температурных зонах печи.
12.Какие процессы происходят в третьей и четвёртой температурных зонах печи для получения портландцемента? Укажите температурный режим, напишите уравнения реакций, протекающих в этих зонах.
13.Какие процессы происходят в пятой и шестой температурных зонах печи для производства портландцемента? Какие минералы образуются при этом?Зачем после печиклинкер направляется вхолодильник?
14.Напишите уравнения реакций твердения алита и белита. Чем отличаются эти реакции? Почему в одном случае идет и гидролиз, и гидратация, а в другом – только гидратация? Насколько прочными получаются продукты твердения, как быстро идет набор прочности?
15.Напишите уравнения реакции твердения трёхкальциевого алюмината. Как протекает эта реакция? Насколько прочным будет продукт твердения? Зачем к портландцементу добавляют гипс? Напишите уравнение
84