Цементный мир

[Filippcha]

В настоящее время цемент является одним из важнейших строительных материалов. Его применяют для изготовления бетонов, бетонных и железобетонных изделий, строительных растворов, асбестоцементных изделий. Изготовляют его на крупных механизированных и автоматизированных заводах.
Цемент начали производить в прошлом столетии. В начале 20-х годов XIX в. Е. Делиев получил обжиговое вяжущее из смеси извести с глиной и опубликовал результаты своей работы в книге, изданной в Москве в 1825 г. В 1856 г. был пущен первый в России завод портландцемента.



Портландцемент является минеральным вяжущим веществом, составляющим основу большей части номенклатуры сухих строительных смесей в качестве самостоятельного вяжущего, в смешанных цементных вяжущих системах, в составе цементно-известковых вяжущих, а также различных полимерцементных композиций. Ценные и уникальные свойства портландцемента определяются его способностью при затворении водой образовывать пластичное тесто, со временем, самопроизвольно, за счёт химического взаимодействия в системе, превращающееся в камень. Способность к самоотвердеванию, образование прочного и долговечного камня, экологическая чистота, низкая химическая опасность, пожаровзрывобезопасность в сочетании с низкой стоимостью являются предпосылками для широкого практического применения портландцемента.
Портландцемент не имеет самостоятельного (индивидуального) применения в строительстве, а является исходным компонентом (сырьевым материалом) для производства многочисленных композиционных материалов на его основе: строительных растворов, бетонов, сухих строительных смесей. В то же время, свойства этих композиционных материалов напрямую зависят и формируются на базе свойств цемента на разных этапах его использования - от смешения исходных компонентов и приготовления пластичных масс, до их последующего самоотвердевания с образова-нием цементного камня. В связи с этим, свойства портландцемента удобно рассматривать по трём группам: свойства исходного цементного порошка, свойства цементного теста и свойства цементного камня. Свойства портландцемента относятся также к двум подгруппам: свойствам, нормируемым в соответствии с действующими стандартами на обще-строительные цементы, и к свойствам, регламентируемым для материалов, приготовленных на основе цементов - прежде всего растворов и бетонов различного, в том числе и специального, назначения. Основной набор технических характеристик цемента получают как при испытании самого цемента, так и при испытании композиционных материалов, приготовленных на его основе. Набор определяемых свойств цементов не является раз и навсегда установленным, их перечень может меняться при изменении методов испытания, а также при расширении областей применения цемента для специальных строительных или нестроительных целей.
Несмотря на несоответствие стандартных методов испытания портландцемента условиям его службы в составе сухих строительных смесей, от цементов, показавших при стандартных испытаниях высокие значения прочности при сжатии или при изгибе, следует ожидать высокий уровень этих свойств, при прочих равных условиях, также и в составе сухих строительных смесей. И наоборот, низкомарочные или "лежалые" цементы не позволят получить необходимого значения прочности или потребуют применения в сухой смеси специальных дорогостоящих функциональных добавок - водоредуцирующих, ускорителей твердения, упрочнителей. Что касается адгезионной прочности (прочности сцепления с основанием), то значения такой прочности не определяются при стандартных испытаниях цемента, а характеристика этого свойства цемента в литературе ограничена. Каким уровнем этого свойства в составе сухой смеси будет обладать тот или иной цемент, предсказать невозможно, можно лишь предположить, что высокопрочные и, особенно, быстротвердеющие цементы, по сравнению с рядовыми цементами, обеспечат также и повышенную прочность сцепления с основанием.
Долговечность цементного камня, чаще всего - тонкослойного, полученного при твердении сухой строительной смеси, определяется, в основном, его морозостойкостью (разрушением камня при многократном замораживании и оттаивании), трещиностойкостью (величиной деформаций усадки при многократном высыхании и увлажнении), а также его химическим и биохимическим разрушением, связанным, во-первых, с определённой пористостью цементного камня (харктеристика пористости определяет также его морозостойкость), а во-вторых, со щелочной природой портландцементного камня (рН>12,0). Формирование уровня свойств камня на основе цемента, конечно, зависит от собственных характеристик цемента, однако не меньшая роль принадлежит составу растворной смеси: соотношению цемент-заполнитель, виду заполнителя и др. Свойствами цемента, определяющими будущую долговечность цементного камня, являются его способность к быстрой гидратации и твердению, определяемых оптимальным алитово-алюминатным составом клинкера, тонким помолом цемента, отсутствием или минимальным содержанием гидравлических и инертных добавок, оптимальной дозировкой гипса. В большой степени долговечность камня определяется возможностью достижения пониженного значения В/Ц в растворной смеси, а также созданием благоприятных условий его твердения (температура, влажность), особенно в начальный период. Во всех случаях к началу эксплуатации цементного камня степень гидратации цемента должна быть высокой, что является главным условием получения плотной и прочной структуры.
Проницаемость цементного камня прямо или косвенно связана со всеми его строительно-техническими свойствами: прочностью, деформациями, химической и био- коррозией, морозостойкостью, водопроницаемостью, высолообразованием и т.д. Поскольку та или иная проницаемость цементного камня является результатом характера его пористости, а непористый цементный камень в принципе невозможен, то условиями создания цементного камня с низкой проницаемостью является снижение его общей пористости и уменьшение размера (радиуса) пор. Эти условия достигаются оптимизацией соотношения цемент-заполнитель-наполнитель, минимизацией В/Ц, применением активных цементов, образующих в камне в ранние сроки необходимое количество цементного клея - цементного геля, характеризующегося размером пор ~10 нм, а также специальными приёмами, направленными на увеличение степени гидратации цемента (добавки - ускорители твердения) или на кольматацию пор, в частности, при применении полимерных добавок.
Деформации усадки цементного камня обычно связаны с его высыханием, особенно в начальный период формирования структуры. Следствием этих деформаций является трещинонестойкость камня. Причины появления трещин при твердении тонкослойных сухих строительных смесей могут быть связаны с очень быстрым высыханием в тонком слое растворной смеси до образования в структуре необходимого количества "цементного клея", низкой активностью цемента, не способного образовывать достаточное количество "цементного клея" на ранних этапах твердения, слишком "жирным" составом (неправильным соотношением цемент-заполнитель-наполнитель), высоким значением В/Ц, применением сверхтонкомолотого цемента с удельной поверхностью достигающей ~5000 см2/г и выше. Деформации усадки при помещении цементных образцов на воздух фиксируются всегда, однако этой усадкой можно пренебречь, если она не превышает 0,1%.
Минералогический состав клинкера мало влияет на усадочные деформации цементного камня. Создание специальных безусадочных или расширяющихся составов - особая тема. Чаще всего, специальные меры приводят лишь к снижению усадочных деформаций раствора при твердении на воздухе. Приёмы создания расширяющихся составов базируются преимущественно на применении специальных напрягающих цементов (НЦ) или на применении расширяющихся добавок на основе "эттрингитового расширения". Появление трещин в цементном камне может быть также следствием его взаимодействия с окружающей средой: химической коррозии, действия мороза, высоких температур и т.д.
Цемент - это собирательное название группы гидравлических вяжущих веществ, главной составной частью которых являются силикаты и алюминаты кальция, образовавшиеся при высокотемпературной обработке сырьевых материалов, доведенных до частичного или полного плавления. В группу цемента входят все виды портландцемента, пуццоланового портландцемента, шлакопортландцемента, глиноземистый цемент, расширяющиеся цементы и некоторые другие.
Однако, портландцемент не всегда удовлетворяет отдельным специальным требованиям, которые предъявляют к бетонам и строительным растворам при различных условиях их применения. Поэтому промышленность выпускает некоторые разновидности портландцемента: сульфатостойкий, с умеренной экзотермией, быстротвердеющий, гидрофобный, пластифицированный и некоторые другие цементы.




Разновидности цемента
Сульфатостойкий портландцемент изготовляют из клинкера нормированного минералогического состава: в клинкере должно быть не более 5% трехкальциевого алюмината и не более 50% трехкальциевого силиката.
Низкое предельное содержание трехкальциевого алюмината требуется потому, что сульфатная коррозия развивается в результате взаимодействия сульфатов, находящихся в окружающей среде, с трехкальциевым гидроалюминатом цементного камня. Если в цементном камне С3А присутствует в малых количествах, то образуется незначительное количество гидросульфоалюмината кальция. Тогда он не опасен, так как распределяется в порах бетона, вытесняя оттуда воду или воздух, и внутренних напряжений в бетоне не вызывает. В небольших количествах гидросульфоалюминат кальция даже иногда полезен, так как уплотняет бетон.
В клинкере сульфатостойкого портландцемента ограничивается также содержание трехкальциевого силиката для уменьшения величины тепловыделения цемента. Поэтому сульфатостойкий портландцемент обладает повышенной сульфатостойкостью и пониженной экзотермией, т.е. качествами, необходимыми при изготовлении бетонов для отдельных зон гидротехнических и иных сооружений, работающих в условиях сульфатной агрессии. Сульфатостойкий портландцемент обычно выпускают двух марок - 300 и 400.
Портландцемент с умеренной экзотермией изготовляют из клинкера, который должен содержать не более 50% трехкальциевого силиката и не более 8% трехкальциевого алюмината. Такой цемент при умеренной экзотермии отличается также несколько повышенной сульфатостойкостью, поскольку в нем обычно содержится умеренное количество трехкальциевого алюмината.
Этот вид портландцемента применяют в гидротехническом строительстве в массивных бетонных конструкциях, подвергающихся частому попеременному замораживанию и оттаиванию в пресной или слабо минерализованной воде. Марка по прочности обычно 300 и 400.
Быстротвердеющий портландцемент содержит много трехкальциевого силиката и трехкальциевого алюмината и очень тонко измельчен. Поэтому такой цемент характеризуется интенсивным нарастанием прочности в первый период твердения - через 1 и 3 суток. Выпускается также особо быстротвердеющий цемент. Он показывает через трое суток прочность при сжатии 450- 500 кГ/кв. см (при испытании в жестких растворах).
Гидрофобный портландцемент изготовляют, вводя при помоле клинкера 0,1 - 0,2% мылонафта, асидола, окисленного петролатума, синтетических жирных кислот, их кубовых остатков и других гидрофобизующих поверхностно-активных добавок.
Эти вещества, адсорбируясь на частицах цемента, образуют тончайшую - в среднем мономолекулярную, т. е. толщиной в одну молекулу, оболочку. Но эта тончайшая оболочка придает цементу особые свойства. В этом сущность гидрофобизации цемента как метода, позволяющего в определенной степени управлять свойствами цемента в отношении действия воды на различных этапах его использования.
Как известно, взаимодействие цемента с водой есть двуединый противоречивый процесс. Сродство к воде органически присуще цементу, без этого свойства он не мог бы служить вяжущим веществом. Но вместе с тем на определенных стадиях применения цемента вода для него вредна. Так, при хранении и перевозках цемент портится от влаги, вода с содержащимися в ней примесями вызывает коррозию цементного камня и при частом попеременном замораживании и оттаивании цементных материалов разрушает их.
Задача преодоления противоречий, заложенных в самой природе цемента, в известной мере решается его гидрофобизацией.
Гидрофобный цемент при перевозках и хранении даже в очень влажных условиях не портится. Поверхностно-активные вещества, содержащиеся в нем, оказывают пластифицирующее действие на бетонные (растворные) смеси, а также уменьшают водопроницаемость и повышают коррозионную стойкость и морозостойкость бетона. Например, если обычный бетон выдерживает 300 циклов попеременного замораживания и оттаивания, то гидрофобизированный может выдержать 1000 и более циклов.
Марки гидрофобного цемента те же, что и портландского. Гидрофобный цемент был создан в СССР. На основе советского опыта было начато изготовление этого цемента и за границей (например, в Англии).
Пластифицированный портландцемент получают, вводя при помоле клинкера около 0,25% сульфитно-спиртовой барды (считая на сухое вещество) от веса цемента. Это поверхностно-активное вещество пластифицирует бетонные смеси, преимущественно жирные, позволяет снижать водоцементное отношение без ухудшения подвижности смесей и в ряде случаев дает возможность уменьшать расход цемента. Вместе с тем повышается морозостойкость отвердевшего бетона.
Белый портландцемент изготовляют из маложелезистого клинкера (серый цвет обычного цемента обусловлен главным образом наличием соединений железа в исходных сырьевых материалах).
Цветные цементы получают на основе белого портландцементного клинкера путем совместного помола с пигментами различных цветов, например с охрой, железным суриком, окисью хрома. Можно также получать цветные цементы смешиванием белого цемента с пигментами. Применение белого и цветных портландцементов, способствующее архитектурно-декоративному оформлению сооружений, имеет большое значение в индустриальной отделке крупноэлементных зданий. Эти цементы применяют также для цветных цементнобетонных дорожных покрытий, например на площадях у монументальных сооружений. Кроме перечисленных, имеются еще некоторые специальные сорта портландцемента, например тампонажный, для производства асбестоцементных изделий.


Современная гидроизоляция из традиционного цемента
В последние годы помещения в центральных районах наших городов стали пользоваться колоссальной популярностью. Уже "обжито" большинство подвалов, которые ранее (лет, скажем, 10 назад) считали неперспективными и использовали в лучшем случае для хранения инвентаря дворников. Пустующие в настоящее время подвальные помещения свободны чаще всего только по одной причине - наличие влаги. Однако успешно бороться с этим явлением сегодня уже можно, так как на рынке предлагают огромное количество весьма и весьма эффективных гидроизоляционных материалов, способных "оздоровить" даже очень запущенные помещения.
Исторически сложилось так, что в большинстве случаев для гидроизоляции у нас используют органические материалы - битумно-полимерные, полимерные мастики и рулонные материалы. Гидроизоляционные материалы на основе цемента до настоящего времени не получили достаточно широкого применения в строительстве, прежде всего из-за отсутствия эффективных продуктов и технических решений их применения.
Как показывает зарубежный и уже имеющийся отечественный опыт, гидроизоляционные составы на основе цемента имеют ряд преимуществ как по сравнению с полимерно-битумными мастиками, так и рулонными материалами. Во-первых, они экологически безвредны, их можно применять не только внутри помещений, но и для изоляции плавательных бассейнов и даже резервуаров с питьевой водой. Во-вторых, гидроизоляционные материалы на основе цемента имеют более высокие физико-механические и надежностные показатели. Эти составы имеют высокую адгезию с различными основаниями (бетонным, кирпичным, деревянным, металлическим и др.), обладают большой когезионной прочностью, благодаря которой гидроизоляция на основе цемента может воспринимать как статические, так и динамические нагрузки.
Гидроизоляционные материалы на полимерцементной основе характеризуются хорошей паропроницаемостью, что полностью исключает проблему образования вздутий и пузырей. Достаточно высоки и показатели надежности этих материалов, они не подвержены такому быстрому разрушению, как традиционная органическая гидроизоляция, поэтому их долговечность соизмерима со сроком службы здания, а характерным отличием является высокая ремонтопригодность. В-третьих, цементную гидроизоляцию отличают удобство в работе и большая производительность нанесения, так как ее можно наносить на влажные и мокрые поверхности (иногда увлажнение поверхности перед нанесением гидроизоляционного полимерцементного материала является обязательным условием).
Конечно же, было бы преувеличением сказать, что эти материалы идеальны, у них тоже есть свои недостатки, свои ограничения в применении. Самый крупный недостаток гидроизоляторов на цементной основе - низкая эластичность, поэтому составы такого типа не эффективны в местах концентрации напряжений, возникающих от перегрузок, температурных перепадов и т.д. В таких случаях полимерцементные мембранные составы применяются в сочетании с эластичными герметиками, в частности силиконовыми. Места возможных концентраций напряжений (примыкания, швы) после устройства сплошной гидроизоляции расшивают и герметизируют силиконовыми герметиками. Эти швы служат и разгрузочными поясами. Кроме этого, у таких материалов время эксплуатационной готовности несколько больше, чем у полимерно-битумных, что иногда достаточно критично и может негативно отразиться на технологическом процессе строительства.
Перечисленные особенности гидроизоляционных материалов на цементной основе определили и область их применения. Наиболее широкое использование эти составы нашли для гидроизоляции стен фундаментов и подвалов, резервуаров для воды, плавательных бассейнов (очень важной особенностью выступает возможность совмещать функции гидроизоляции и клея для облицовочной плитки), стен и полов во влажных помещениях (автомойки, ванные комнаты), поверхностей эксплуатируемых террас и балконов, а также для защиты строительных конструкций от воздействия агрессивной среды, например различных кислот.
Существует несколько видов классификации гидроизоляционных цементных материалов. По воздействию на гидроизолируемую поверхность их подразделяют на пленочные и проникающего типа, по составу- на полимерцементные и цементно-минеральные, по способу нанесения - на обмазочные и штукатурные. Как особый вид гидроизоляции выделяют гидроизоляционный клей, а также специальные ремонтные гидроизоляционные составы для ликвидации водной течи, которые также называют тампонажными.




Проникающая гидроизоляция на основе цемента
Такой вид гидроизоляции выполняют уникальными материалами. В результате обработки поверхности бетонных конструкций химически активные вещества, входящие в состав смеси, вступая в соединение с составляющими цементного камня, образуют нерастворимые нитевидные кристаллы, заполняющие микротрещины, поры и капилляры бетона, уплотняя его, и создают тем самым преграду воде и агрессивным веществам. Обработанные с помощью проникающей гидроизоляции конструкции противостоят воздействию большинства агрессивных сред, предотвращают проникновение химикатов, соленой воды, сточных вод и других вредных веществ в окружающую среду.
Проникающая цементная гидроизоляция повышает морозостойкость бетона, защищает его от выветривания и других повреждений, вызванных погодными условиями, предотвращает окисление арматуры. Кристаллические образования гидроизоляции с проникающей способностью имеют такие мелкие поры, что вода не может проникать через них. Однако они не снижают воздухо- и паропроницаемости. Таким образом, бетон может "дышать" и остается совершенно сухим. Проникающая гидроизоляция требует влаги для формирования кристаллических образований. Влажный, или "молодой", бетон идеален для обработки проникающими гидроизоляционными материалами. Если бетон сухой, то перед нанесением он должен быть увлажнен.
Проникающая гидроизоляция имеет ряд других существенных преимуществ.
Кристаллические образования проникающей гидроизоляции становятся составляющей частью бетона, обеспечивая его водонепроницаемость за счет уплотнения структуры;
- уплотняет трещину до 0,4 мм. Не требует предварительной обработки поверхности грунтовкой, не боится прокалывания, отрыва или отделения от поверхности и не требует защиты во время обратной засыпки, а также укладки арматуры, проволочной сетки и других материалов.
Кроме того, наибольшая эффективность применения проникающей гидроизоляции достигается при температуре эксплуатации конструкции в диапазоне от -320С до +1350С. Допустимый диапазон колебаний температуры составляет от -1320С до +15300С.
Постоянная кислотность среды при эксплуатации конструкций должна находиться по фактору рН в пределах от 3 до 11. При воздействии периодической кислотности указанный диапазон может быть от 2 до 12. Следует отметить, что для воды и нейтральной среды рН=7, в растворе кислоты рН<7, в растворе щелочи рН>7. Таким образом, допустимые пределы уровня рН для проникающей гидроизоляции показывают, что ее можно использовать в агрессивных кислотных и щелочных средах. Обработка проникающей гидроизоляцией защищает поверхность бетона от химической агрессии различных сред, включая хлориды, а также предотвращает коррозию арматурной стали. Влажность и ультрафиолетовое излучение не оказывают влияния на эксплуатационные характеристики бетона, обработанного составом проникающей гидроизоляции.
Проникающая цементная гидроизоляция обладает хорошими техническими характеристиками. Она обеспечивает поверхности непроницаемость (бетон толщиной 5 см, обработанный составом проникающей гидроизоляции, был подвержен испытанию под давлением столба воды 123 м и остался полностью непроницаемым). Состав проникающей гидроизоляции имеет хорошую химическую сопротивляемость (при проведении исследований воздействие соляной кислоты, едкого натрия, толуола, нефти, этиленгликоля, хлора не оказало вредного влияния на обработанный бетон). Проникающая гидроизоляция увеличивает на 20% прочность на сжатие поверхности. Раствор проникающей гидроизоляции обладает хорошей морозостойкостью и сопротивляемостью радиации.




Области применения
Проникающую гидроизоляцию на цементной основе в основном применяют на следующих объектах: наружные стены; стены и пол подвалов, испытывающих "позитивное" и "негативное" давление грунтовых вод; фундаменты; резервуары для технической и питьевой воды; канализационные системы или баки для воды; тоннели и шахты; колодцы; подземные своды; автостоянки; технологические строения городских водозаборов; дамбы; бассейны. В качестве примеров проникающей гидроизоляции можно привести такие материалы, как Осмосил (производитель - INDEX, Италия), Гидротэкс-В и Гидротэкс-У (изготовитель - компания "Гидротэкс", Россия).
Осмосил представляет собой готовую смесь серого или белого цвета, содержащую осмотический гидроизолирующий цемент, высокопрочные влагозащитные составы, специальные добавки и отборные инертные наполнители. Применяют Осмосил для гидроизоляции внутренних и внешних фундаментов и оснований зданий, подземных помещений, шахт лифтов, дренажных систем и туннелей, внешних и внутренних стен, бассейнов, колодцев, емкостей, цистерн с питьевой водой или среднеагрессивными жидкостями, душевых и ванных комнат. Материал можно наносить как внутри, так и снаружи на цемент, бетон, поверхности из кирпича, туфа, камня при условии, что поверхность предварительно оштукатурена, например, цементной штукатуркой. В использовании Осмосил есть и ограничения. Например, его не рекомендуют применять на поверхностях, подверженных вибрациям и усадкам. В таких случаях рекомендуется добавлять в раствор Осмосил латексную добавку Колласил. Через 28 дней водопроницаемость этого материала при давлении 7 атм равна всего 0,003 л/м2/ч, причем со временем за счет полного отвердения цемента этот параметр улучшается. Осмосил обладает хорошей адгезией к бетону - более 26 кг/см2, высокими прочностными характеристиками, например, через 28 дней сопротивление давлению составляет 440 кг/см2. Готовое покрытие, выполненное из материала Осмосил, можно эксплуатировать в широком диапазоне температуры - от -300С до +900С, а выполнять гидроизоляционные работы следует только при положительной температуре, причем не ниже +50С. Подвергать готовое покрытие нагрузкам следует не ранее чем через 48 часов.
Материалы Гидротэкс-В и Гидротэкс-У изготавливают на основе цемента, песка и минеральных добавок. Гидротэкс-В рекомендуют применять в качестве внутренней, а Гидротэкс-У и внутренней, и внешней гидроизоляции бетонных и каменных конструкций в сооружениях заглубленного или полузаглубленного типа, при постоянной инфильтрации грунтовых вод: подвалы, гаражи, овощехранилища, тоннели, шахты, заполненные водой или агрессивными жидкостями емкости (плавательные бассейны, резервуары питьевой воды пожарные резервуары, канализационные гидротехнические сооружения, емкости хранения солевых растворов, нефтепродуктов, растворителей, щелочей и т.д.). По заверениям разработчиков группы материалов Гидротэкс, глубина проникновения в бетон в зависимости от его плотности достигает 100 мм. В качестве ограничения по использованию этих материалов следует назвать то, что их не следует наносить на каменно-бетонные конструкции, имеющие некапиллярную структуру. Оба материала имеют очень высокие физико-механические характеристики. Водонепроницаемость Гидротэкс составляет 10 атм (1 МПа), а Гидротэкс-У - 8 атм. Предел прочности через 28 суток при изгибе у Гидротэкс-В равен 9.. .12 МПа, Гидротэкс-У - 6.. .8 МПа, при сжатии соответственно 60.. .70 и 50.. .60 МПа, прочность на отрыв через 28 суток у Гидротэкс-В составляет 2,8.. .3 МПа, а Гидротэкс-У - 2,4...2.6 МПа. Оба материала можно эксплуатировать при температурах от -400С до +900С, а их морозостойкость составляет не менее 500 циклов. Гидротэкс модификаций "В" и "У" наносят толщиной слоя покрытия от 2 до 3 мм в зависимости от состояния обрабатываемой поверхности, а расход может составлять от 2,5 до 5 кг/м2. Суммарный расход материала Осмосил при нанесении в два слоя составляет приблизительно 3 кг/м2.