14.2. Расширяющиеся и напрягающие цементы

Усадка цементного камня при сушке вызывает растягивающие напряжения, которые нередко превосходят прочность бетона при растяжении и в результате вызывают появление трещин. При возведении массивных бетонных сооружений и монтаже железобетонных конструкций плотная заливка стыков частей сооружений может быть осуществлена лишь цементами, объем пластичной массы которых после затвердения не меняется или несколько увеличивается. Цементы, растворы на основе которых дают приращение объема, называются расширяющимися.

Механизм расширения цементного камня.Все расширяющиеся цементы являются смешанными и состоят из основного вяжущего вещества и расширяющейся добавки, в которую, в свою очередь, могут входить несколько компонентов. При твердении таких цементов вследствие взаимодействия компонентов расширяющей добавки или в результате взаимодействия их с основным вяжущим происходит расширение, которое на определенной стадии заканчивается или приостанавливается в результате твердения основного вяжущего. При этом полученная расширенная структура стабилизируется.

Известны два основных механизма расширения цементного камня, т. е. увеличения его линейных и объемных размеров: расширение оксидное в результате гидратации MgO и СаО до Mg(OH)₂и Са(ОН)₂и расширение сульфоалюминатное вследствие образования гид-росульфоалюминатов кальция.

Непосредственной причиной оксидного расширения является разрыхление при гидратации кристаллической решетки исходной фазы и увеличение ее объема. Гидроксиды магния и кальция занимают в два раза больший объем, чем исходные оксиды. Получение цементов с оксидным расширением возможно путем низкотемпературного обжига исходных карбонатов кальция и магния. Синтезируют также специальные клинкеры, состоящие из C₂S, CaSO₄, C₄AF и свободной СаО, выполняющей функции расширяющего компонента.

Применение оксидного расширения особенно целесообразно в тех случаях, когда желательно получить идентичные результаты в различных температурных условиях. Так, на базе магнезиального расширения создана гамма расширяющихся тампонажных цементов с температурами применения от 20 до 200 °С, давлениями до 10 МПа и значениями расширения до 0,7 %. Однако практическое применение оксидного расширения в цементах ограничено вследствие значительных колебаний физико-химических свойств обожженных оксидов.

Основной причиной сульфатного расширения является образование эттрингита — гидросульфоалюмината кальция. Его объем в 2,2 раза больше объема исходных компонентов. Необходимо направлять процесс так, чтобы образование гидросульфоалюмината кальция и вызываемое им расширение происходили в начальный период твердения в достаточно пластичном тесте, когда они не могут сказаться отрицательно на качестве бетона и вызвать появление трещин. Регулирование характера кристаллизации эттрингита достигается изменением степени пересыщения водного раствора CaO, SO₄^2-, AI₂O₃в твердеющем камне путем регулирования соотношения компонентов цемента. Твердение основного компонента расширяющегося цемента, как правило, глиноземистого, стабилизирует через определенный период (1—2 сут) увеличение объема расширяющей добавки. Образуется плотный цементный камень. В результате сульфоалюминатного расширения можно достичь приращения линейных размеров цементного камня в пределах до 4—5 %.

Сульфоалюминатное расширение может быть обеспечено двумя путями. В отечественных расширяющихся цементах (водонепроницаемый, гипсоглиноземистый, напрягающий и др.) добавляют к традиционным вяжущим (глиноземистый цемент либо портландцемент) двухкомпонентную расширяющуюся добавку, включающую сульфат кальция и известь или высокоосновные алюминаты кальция. Последние получают варкой при 120— 150 °С глиноземистого цемента и извести-пушонки в соотношении 1:1.

За рубежом используют расширяющиеся цементы на основе портландцементного клинкера, содержащего наряду с C₃S, C₂S, C₄AF также расширяющий компонент 4CaO-3Al₂O₃-CaSO₄(C₄A₃). Желательно готовить расширяющую добавку в виде клинкера с повышенным содержанием C₄A₃и снижать содержание C₄A₃в готовом продукте за счет совместного помола этого клинкера с обычным портландцементным клинкером и гипсом. В таких клинкерах содержание C₄A₃достигает 8 при содержании C₄A₃в готовом продукте 3—4 %.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ). Это быстросхватывающееся и быстротвердеющее вяжущее вещество, получаемое в результате тщательного смешивания в определенной дозировке глиноземистого цемента и расширяющей добавки, состоящей из гипса и высокоосновного гидроалюмината кальция. Оптимальный состав его следующий (%): глиноземистый цемент 70, полуводный гипс 20, гидроалюминат кальция 10. Перемешивание компонентов осуществляется в шаровой мельнице в течение 20—30 мин. На сите № 02 остатка должно быть не более 12 %, а на сите № 008 — не более 25 %.

ВРЦ должен удовлетворять следующим основным требованиям: начало схватывания — не ранее чем через 4 мин, конец — не позднее чем через 10 мин от начала затворения. Через 1 сут твердения испытываемые образцы должны быть полностью водонепроницаемыми при давлении 0,6 МПа. Предел прочности при сжатии образцов из чистого цементного теста должен быть 7,5 МПа через 12 ч, 30 МПа через 3 сут, 50 МПа через 28 сут. Расширение образцов происходит в течение 1—3 сут, в основном в первые сутки, и составляет 0,05—1 %. Величину расширения регулируют соотношением компонентов. Недостатки ВРЦ: быстрое схватывание, высокая стоимость, пониженная морозостойкость изделий.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент применяют для омоноличивания сборных железобетонных конструкций, гидроизоляции швов между чугунными тюбингами туннелей и стволов шахт, гидроизоляции напорных водопроводных труб, заделки трещин в железобетонных сооружениях.

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент (ГГРЦ).Это быстротвердеющее в воде и на воздухе вяжущее вещество, получаемое в результате совместного тонкого помола высокоглиноземистого доменного шлака и природного двуводного гипса в соотношении примерно 0,7:0,3 по массе. При этом содержание SO₃не должно превышать 17 %. Такой состав создает условия для кристаллизации эттрингита в виде коротких и широких игл.

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент должен удовлетворять следующим основным требованиям: начало схватывания — не ранее чем через 10 мин, конец схватывания — не позднее чем через 4 ч после затворения. При просеивании через сито № 008 должно проходить не менее 90 % массы пробы. Предел прочности при сжатии через 3 сут образцов из раствора 1:3 должен быть не менее 30 МПа. Образцы из цементно-песчаного раствора через 3 сут после изготовления должны оставаться водонепроницаемыми при рабочем давлении 1,1 МПа. Необходимое условие расширения образцов из гипсоглиноземистого расширяющегося цемента — хранение их в воде. При твердении в воздушных условиях развиваются усадочные деформации. Расширение заканчивается через 1—3 сут твердения. Относительное значение линейного расширения 0,1—0,7 %.

Этот цемент применяют для получения безусадочных и расширяющихся водонепроницаемых бетонов и гидроизоляционных штукатурок, для заделки стыков сборных бетонных и железобетонных конструкций, зачеканки швов и раструбов водопроводных линий при рабочем давлении до 1,1 МПа.

Расширяющийся портландцемент (РПЦ)– гидравлическое вяжущее, получаемое совместным тонким помолом портландцементного клинкера (58…63 %), глиноземистого клинкера или шлака (5…7 %), гипса (7…10 %) и доменного гранулированного шлака или другой активной минеральной добавки (23…28 %). РПЦ отличается быстрым твердением, высокой плотностью и водонепроницаемостью цементного камня при условии регулярного увлажнения в течение первых трех суток.

Напрягающий цемент (НЦ).Это быстросхватывающееся и быстротвердеющее вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельчения смеси, состоящей из 65—75 % портландцемента, 13— 20 % глиноземистого цемента и 6—10 % гипса. Содержание SO₃должно быть не менее 3,5 и не более 7 %.

НЦ отличается от РЦ большей химической энергией расширения, достаточной для самонапряжения арматуры. Затворенный водой НЦ сначала твердеет, затем после набора прочности около 15 МПа расширяется как твердое тело и напрягает стальную арматуру. В процессе расширения он сообщает арматуре, независимо от ее расположения в конструкции, предварительное натяжение, благодаря чему получают предварительно напряженные бетонные конструкции без применения механических или термических способов натяжения арматуры. Особенно важно, что при расширении камня напрягающего цемента арматура получает двух-, трехосное напряжение, которого трудно добиться при механических способах напряжения.

Изделия на НЦ должны твердеть в стыках или швах конструктивных элементов зданий и сооружений, либо при достаточном пространственном армировании конструкций. Эти цементы имеют марки НЦ-20, НЦ-40 и НЦ-60 (цифра в обозначении марки указывает энергию расширения в десятых долях МПа). Цемент марки НЦ-20 проявляет безусадочные свойства и применяется для изготовления бетонов с компенсированной усадкой. Цементы НЦ-40 и НЦ-60 обеспечивают получение водонепроницаемых бетонов и самонапряженных железобетонных изделий и конструкций.

Начало схватывания напрягающего цемента должно наступать не ранее чем через 30 мин, а конец — не позднее чем через 4 ч после затворения. Прочность при сжатии должна быть для НЦ-20 и НЦ-40 через 1 сут 15 МПа, через 28 сут 50 МПа. Относительное линейное расширение через 28 сут должно быть НЦ-20 не более 2 % и НЦ-40 не более 2,5 %. Для увеличения самонапряжения можно вводить до 2 % извести от массы цемента. Напрягающий цемент успешно применяют для изготовления напорных железобетонных труб, резервуаров для воды, оболочек покрытий, при строительстве спортивных сооружений (трибун, плавательных бассейнов и др.), для строительства дорог и аэродромов. Его применение обеспечивает водо-, бензо- и газонепроницаемость конструкций, повышает их трещиностойкость. Особенно эффективно применение НЦ в напряженных стыках элементов сооружений, а также для ремонта и усиления конструкций.