Сульфатостойкий цемент: применение и особенности

Для начала вспомним, что такое бетон. Бетон – это искусственный каменный материал, состоящий из следующих компонентов:

  • песок;
  • щебень;
  • цемент;
  • добавки;
  • вода.

Перемешивая эти компоненты получается бетонная смесь, которая при заполнении в формы застывает и через 28 суток образуется плотный искусственный камень, который и называется бетоном.

Надо отличать ещё и растворную смесь, когда ко всем компонентам бетонной смеси не добавляется щебень, но процесс твердения происходит по обычной схеме и также образуется искусственный камень, который назовём бетоном.

Основным скрепляющим компонентом является цемент и именно он называется вяжущим материалом.

При строительстве фундаментов, речных и морских молов, гидротехнических сооружений, мостовых свай, обсадных конструкций железобетонных колодцев в проектной документации может быть указано требование о применении сульфатостойкого бетона.

Читайте также: Газосиликатные блоки 1 категории «Забудова» на клей

Опасность сульфатов для бетона

Сульфаты – соли серной кислоты (H2SO4), широко распространённые в природе и в избытке имеющиеся в морской воде, грунтовых водах и других минеральных источниках. Они способствуют развитию III типа коррозии бетона. Такой тип разрушения происходит при образовании в теле бетона — в порах и капиллярах малорастворимых солей. Такое образование приводит к давлению на бетонный камень и его разрушению. Сульфаты, попадая в бетон, взаимодействуют с продуктами гидратации цемента и образуют комплексные различные соли, самой опасной из которых является гидросульфоалюминат кальция (ГСАК).

Опасность ГСАКа заключается в том, что он, взаимодействуя с водой, присоединяет 30-32 её молекулы и расширяется в объёме и разрывает структуру камня. Это образование (ГСАК) возникает как результат реакции гидроалюминатов цементного камня с гипсом, который поступил в бетон в виде растворов или образовался от реакции сульфатов и гашёной извести Ca(OH)2.

Высокая концентрация двухвалентных анионов SO42- в воде и C3A (трёхкальциевый алюминат) в цементе, непременно будут приводить к образованию гидросульфоалюмината кальция.

Воды, с содержанием сульфатов, находятся везде и в этом заключается их опасность для бетонов.

Особенно высока концентрация сульфатов в морской воде, достигающая 2500-2700 мг/л.

Образующийся ГСАК расширяется и ломает структуру бетонного камня, потому что, связывая молекулы H2O, он увеличивается в объёме в 1.63 раза, а когда взаимодействует ещё и с C3A и Ca(OH)2, то увеличение объёма ещё больше – в 2.27 раза. Расширенный состав ГСАКа может вымываться водой и будут образовываться разрывы сплошности в теле бетона. Так происходит коррозия бетона III типа, когда продукты коррозии, иначе говоря, образование гидросульфоната кальция и гашёная известь вымываются водами, которые контактируют с конструкциями.

Пуццолановый цемент

Применение и достоинства гидробетона

Из гидробетона строят разные объекты над и под водой:

  • плотины;
  • дамбы;
  • шлюзы и пр.

К тому же, материал с высокими гидроизоляционными характеристиками используют для строительства взлетно-посадочных полос, автомобильных трасс, укрытий от радиации. Также с его помощью возводят сооружения на Крайнем Севере, где постройки подвергаются суровым климатическим воздействиям.

В силу физико-химических характеристик сформировались основные преимущества гидробетона:

  • водонепроницаемость независимо от условий эксплуатации;
  • невосприимчивость к перепадам температуры;
  • высокая прочность по сравнению со строительными смесями стандартных марок.

При этом гидротехнический бетон стоит дороже, чем другие виды растворов, а для его укладки необходимы специальные знания и умения.



Способы борьбы с сульфатами

Для того чтобы противостоять вредному воздействию сульфатов из морской воде, природных водоёмов и грунтовых вод, в строительстве применяют следующие материалы:

  • Сульфатостойкий портландцемент;
  • Шлакопортландцемент;
  • Пуццолановый цемент;
  • Портландцемент с минеральными добавками.

Применение таких цементов при производстве бетонных смесей и растворов придаёт конечному продукту, т.е. бетонному камню, необходимые сульфатостойкие свойства. Важность этой темы определяется и существованием отдельного ГОСТ 56687 – 2020 Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Методы определения сульфатостойкости бетона.

Как определяется сульфатостойкость

  1. Заливают 15 формочек 25х25х254 мм цементно-песчаным раствором.
  2. Через 24 часа извлекают образцы и помещают в воду на 27 суток.
  3. После выдерживания в воде отбирают 12 образцов и снова помещают 6 — в воду, а остальные 6 — в 5 % раствор сульфата натрия.
  4. В таком положении они находятся до 12 месяцев, причём контрольные образцы находятся в несменяемой дистиллированной воде, а испытуемые образцы – в растворе, который периодически меняют на свежий.
  5. Периодически их извлекают и осматривают, фиксируя дефекты – сколы, трещины, изгибы образцов.

Все результаты обрабатываются по сложным формулам и в конце концов сводят в таблицу:

Читайте также: Как оштукатурить дом из арболита снаружи. Материалы и технологии наружной отделки дома из арболита. Преимущества оштукатуривание стен из арболита

Определение сульфатостойкости цемента

Но в этой таблице всё только про цементы. Так вот, сульфатостойкость бетона определяется в каждом конкретном случае в зависимости от агрессивности среды, в которой он будет находиться, т. е. конкретные показатели содержания ионов SO42- в воде. Проектные требования по водонепроницаемости, которые имеют классы W 4 – W20. По этим данным подбирают марку цемента по ряду таблиц в Своде Правил 28.13330. 2012 (Защита строительных конструкций от коррозии), который может быть использован для приготовления бетонной смеси в том или ином проекте. Как вы понимаете, сульфотостойкость бетонов очень сложная тема и по-простому с ней не разобраться.

Сульфатостойкий цемент

Сульфатостойкий цемент

Напомним, что такое цемент – это искусственный материал, который получают из магнезиальных и карбонатно-силикатных горных пород методом спекания в огромных печах обжига (до 180м). Полученный после обжига клинкер засыпают в шаровые мельницы с добавлением до 6 % гипса (CaSO4х2Н2О). Далее полученный порошок пневмотранспортом перекачивается в силосы. Так получается обычный портландцемент, названный в честь английского острова Портленд, на котором впервые он был получен в 1824 году.

Для того чтобы придать портландцементу сульфатостойкие свойства, ему на стадии производства задают определённый минералогический состав. В маркировке добавляются две буквы С, что означает сульфатостойкий. Таблица регулирования содержания минералов в клинкере взята из ГОСТа 22266 – 2013.

Таблица регулирования содержания минералов в клинкере

Из этой таблицы видно, что важно удерживать в норме трёхкальциевый алюминат, который и есть вредоносная составляющая при взаимодействии с сульфатами. Об этом мы говорили в начале статьи. Образование гидросульфоалюмината кальция (ГСАК) приводит к повреждениям бетонного камня от расширения при протекании реакции, а в последующем к вымыванию этого образования из тела бетона. Так протекает коррозия бетона III типа.

Марки сульфатостойкого цемента по прочности – В32.5, В42.5, В52.5.

Основной состав

Строительный материал состоит из таких веществ:

  • Клинкер. Экологически чистый продукт, что отличается высокопрочностью и морозостойкостью. Добывается из сланцевой тугоплавкой глины.
  • Гипс. Природный минерал из сульфатной группы. В строительные материалы входит зернистый вид материала, который имеет наименование алебастр.
  • Трехкальцевый алюминат. Образуется в клинкере в результате соединения продукта с сырьевой смесью оксидов А1203 и Fe203. Составляет не более 5% от общего состава в сульфатостойкой смеси.
  • Различные минеральные вещества. Добавляются для улучшения качества и прочности.

Шлакопортландцемент

Шлакопортландцемент

Это гидравлическое вяжущее, которое получается после совместного помола клинкера и высушенного гранулированного доменного шлака, добавляется ещё и гипс в пропорции, как при обычном цементе, то есть до 6%.

ГОСТ требует содержание доменного шлака в пропорциях к общей массе цемента от 20 до 60 %. Шлакопортландцемент подразделяется на обычный, быстротвердеющий и сульфатостойкий. Марки по прочности не отличаются от обычного сулфатостойкого портландцемента – В32.5, В42.5, В52.5. В таблице выше можно понять, что для шлакопортландцемента также важным показателем, который жёстко нормируется ГОСТом, является содержание по минералогическому составу трёхкальциевого алюмината не более 5%. Такое содержание этого минерала и обуславливает сульфатостойкость шлакопортландцемента.

Такой цемент универсален и широко применяется при строительстве крупных гидротехнических сооружений.

У него есть один недостаток – при гидратации цемента выделяется незначительное количество тепла, что ограничивает использование его в зимний период.

Поэтому его используют при производстве железобетонных конструкций, которые подвергаются тепловлажностной обработке, то есть пропариванию.

Одним из самых важных достоинств шлакопортландцемента является его дешевизна, что немаловажно при больших объёмах строительства.

Читайте также: Какие бывают насадки для перфоратора

Виды строительного материала

Сульфатостойкий состав бетона представлен в таблице:

Марка бетона Класс бетона по ГОСТ
М100 БССТ В7,5 П2 F50 W2
БССТ В7,5 П3 F50 W2
М150 БССТ В10 П2 F75 W4
БССТ В10 П3 F75 W4
М200 БССТ В15 П2 F100 W4
БССТ В15 П3 F100 W4
М250 БССТ В20 П2 F100 W4
БССТ В20 П3 F100 W4
М300 БССТ В22,5 П2 F150 W4
БССТ В22,5 П3 F150 W4
М350 БССТ В25 П2 F200 W4
БССТ В25 П3 F200 W4


Одним из видов смеси является портландцемент, который делает раствор более стойким к низким температурам.
Сульфатостойкая цементная смесь для приготовления бетона делится на такие виды:

  • Сульфатосодержащий цемент с добавками. Устойчив к влаге, быстро застывает и каменеет.
  • Пуццолановое гидравлическое вяжущее вещество. Изготовлено на основе клинкера. Отличие — медленно схватывается и твердеет.
  • Шлакопортландцемент. Повышенная устойчивость к воде и влаге. Увеличивает прочность и уменьшает проницаемость бетона со временем.
  • Сульфатостойкий портландцемент. Усиливает влагоустойчивость, делает материал более стойким к низким температурам.

Пуццолановый цемент

Пуццолановый цемент

Это цементы, которые готовятся из обычных портландцементов и активных минеральных добавок. Активные минеральные добавки – это искусственные или природные вещества, в составе которых обязательно присутствует активный кремнезём, который содержится в пуццоланах.

Пуццолана – материал силикатного или алюмосиликатного состава и их комбинация, получается из туфа, пемзы, вулканического пепла. Название дано от итальянского города Пуццуоли. Если пуццолану залить водой, то ни в какую реакцию она вступать не будет, но в тонкоизмельчённом виде в присутствии воды взаимодействует с раствором гидроксида кальция Ca(OH)2, знакомая нам гашёная известь. Таким образом присутствие измельчённого реакциоспособного диоксида кремния (SiO2), который по массе составляет не менее 25% в пуццолановой добавке, приводит к прохождению реакции взаимодействия с гидратом окиси кальция.

Такая добавка не позволяет формироваться уже хорошо нам известному гидросульфоалюминату кальция, потому что активный кремнезём вступает в реакцию с водой и забирает её и гашёную известь. Таким образом пуццолановый цемент уберегает бетон от разрушающего воздействия пресных и сульфатных вод. Так выглядит природа противостояния сульфатной коррозии.

Приготовление сульфатостойкого бетона своими руками

Общие сведения

Проектирование бетонных конструкций — это сложная техническая задача, при урегулировании которой необходимо брать во внимание все условия их работы:

  • механические нагрузки;
  • воздействие окружающей среды;
  • температурные отклонения;
  • изменение свойств в период эксплуатации и др.

Содержание в воде (грунтовые воды, осадки и пр.) различных химических составляющих, таких как соли сульфатов, способных привести к значительным разрушениям (см. фото), заставило ученых задуматься о разработке специальных видов бетона.


Разрушения конструкций

Результатом таких исследований явилось появление на строительном рынке специальных сульфатостойких цементов и модифицирующих добавок, позволяющих получить качественные и долговечные материалы. Одним из наиболее распространенных видов таких материалов, полученных с помощью названных разработок, является сульфатный бетон.


Материалы для изготовления смесей

Сульфатостойкий бетон — это смеси, приготовленные с применением модифицирующих добавок или на основе сульфатного цемента. Изделия, изготовленные с применением такой технологии, способны противостоять агрессивным воздействиям водной среды, температурным изменениям, деформации грунта и пр.

Материалы

Основным отличием сульфатных бетонов является использование в качестве основного вяжущего сульфатостойких цементов. Такие материалы производят путем совместного помола клинкера нормируемого минерального состава или посредством введения в их структуру активных минеральных добавок (АМД).

В зависимости от состава и способа изготовления, вещества можно разделить на несколько типов, это сульфатостойкий:

  • портландцемент (ЦЕМ I СС);
  • шлакопортландцемент (ЦЕМ Ш/А СС);
  • пуццолановый цемент (ППЦ);
  • портландцемент с минеральными добавками (ЦЕМ П/А СС; ЦЕМ Н/В СС).

Примеры обозначений и рекомендуемые подклассы прочности отражены в таблице ниже.


Типы и классы согласно ГОСТ 22266-2013

Группа портландцементов

Портландцементы обладают высокой надежностью по отношению к сульфатной агрессии вследствие малого содержания гидроалюминатов кальция и невозможности создания в структуре значительного объема эттрингита.


Портландцемент

В сравнении с традиционными медленнее набирают прочность в начальные сроки твердения. Низкая теплоотдача способствует их применению в массивных бетонных конструкциях.

СПЦ выпускается марки М400 и содержит в своем составе следующие компоненты:

  • C3S — 50%;
  • C3A — 5%;
  • С3А + C4AF — 10–20%.

Портландцемент с минеральными добавками (в основном М500)— это продукт совместного помола клинкера, двуводного гипса и активной минеральной добавки (АМД).


Специальный цемент

АМД — это активное тонкоизмельченное вещество, добавление которого в состав вяжущего позволяет получить бетон с высокими гидравлическими и пуццоланическими характеристиками.

Читайте также: Свойства и основные технические характеристики тяжелого бетона


Минеральные активные добавки

Продукты гидратации цемента включают в себя 10–20 % хорошо растворимого в воде портландита (Ca(OH)2). Активные добавки, в присутствии воды, объединяют гидрооксид кальция в труднорастворимые композиции. В результате значительно увеличивается водостойкость и сульфатостойкость конструкций.

По механизму действия АМД делятся на три группы:

  1. Активный аморфный кремнезем — диатомиты, трепелы, микрокремнезем, опоки.
  2. Продукты обжига глинистых материалов — глиежи, топливная зола, металлургические шлаки.
  3. Вулканические горные породы богатые силикатами и алюмосиликатами в аморфном состоянии.

Портландцемент с добавками применяется для тех же целей что и обычный. Однако эксплуатационные характеристики конструкций, находящихся в проточной мягкой воде и под землей во влажных условиях, несколько выше показателей первого.

Изделия, изготовленные из такого материала, обладают самой высокой прочностью при изгибе — 6,0 Мпа, в сравнении с другими представителями данной категории материалов.

Шлакопортландцементы


ССШПЦ 400–Д60

Сульфатостойкий шлакопортландцемент — вяжущее вещество с ограниченным содержанием C3A (менее 8%). Представлен марками М300, М400.

Состав:

  • тонкомолотый портландцементный клинкер;
  • гранулированный доменный шлак;
  • двуводный гипс.

Гипс присутствует в составе как замедлитель процесса твердения и как активатор твердения шлака.

Гранулированный шлак — это мелкие гранулы величиной 5–10 мм. Не обладает вяжущими свойствами, но способен быстро схватываться в присутствии катализаторов твердения.


Гранулированный доменный шлак

По своим свойствам шлакопортландцемент близок к портландцементу, но его цена на 15—20% ниже стоимости последнего.

Допускается замена шлаковых гранул золой уноса (кислой) или пуццоланой в объеме, не превышающем 10% от общей массы цемента. При этом содержание SO3 в веществе не должно быть больше 3–4%.

Для улучшения свойств бетонной смеси разрешается введение гидрофобизаторов и пластификаторов, количество которых не должно превышать 0,3% от массы цемента.

Пуццолановые цементы — характеристика

Пуццолановый цемент также относится к группе сульфатостойких вяжущих и состоит из следующих компонентов:

  • портландцементный клинкер;
  • кислая активная минеральная добавка (пуццолана);
  • двуводный гипс.

Пуццолана — это смесь пемзы, вулканического пепла и туфа. Количество добавки регулируется опытным путем, в зависимости от заданных характеристик бетона, и может составлять от 20 до 40%.


Портландцемент с пуццоланой

Пуццолановый портландцемент отличается от обычного, низкой плотностью (2,8–2,9 г/см2) и светло-серым оттенком.

При производстве бетонных смесей образуется довольно вязкая смесь, в сравнении с применением обычных цементов. Чтобы получить раствор нормальной густоты в бетон добавляют воду (30–40%), что отрицательно сказывается на качестве смеси.

Подсказки: во избежание такой проблемы — необходимо на 5–10% увеличить расход цемента или добавить пластификатор.

Из-за прочного соединения свободного гидроксида кальция с пуццолановой добавкой бетонная поверхность не подвержена коррозии выщелачивания, а также не разрушается под действием морских и минерализованных вод.

Требования к структуре

До 80% от общего объема сульфатостойкого бетона составляют крупные и мелкие заполнители. Правильный расчет и подбор таких материалов может значительно сократить расходы цемента, снизить себестоимость строительства и продлить долговечность конструкций.

Фракция заполнителя и его химический состав должен соответствовать требованиям и нормам ГОСТ 10268-80, а также условиям, изложенным в СНиП II-28-73.


Гранитный щебень

Жесткий каркас из качественного заполнителя позволяет в несколько раз увеличить прочность, снизить модуль деформации и до минимума сократить ползучесть конструкций под нагрузкой. Важным требованием для сульфатного железобетона, предназначенного для строительства коррозийностойких конструкций, является чистота песка и щебня.


Песок речной

Допустимое содержание примесей в используемом песке не должно быть выше 1%, а его зернистость равна 2 мм и выше. Щебень должен быть изготовлен из горных пород плотной структуры (без прослоек). Прочность на сжатие не должна быть ниже 60 Мпа.

Коротко о главном

  1. Противостояние сульфатной агрессии морских, речных, сточных и грунтовых вод проводится двумя способами: • применение сульфатостойкого портландцемента, шлакопортландцемента и пуццоланового цемента; • применение модифицирующих добавок, которые улучшают качество бетонной или растворной смеси, повышая долговечность конечного продукта – железобетонных конструкций. Такие добавки могут быть гидрофобными, что в итоге придаёт бетону водоотталкивающие свойства и пластифицирующими, что позволяет при формовании изделий и конструкций снизить водоцементное отношение В/Ц и, как результат, повысить плотность бетонного камня.
  2. Наиболее агрессивными солями, которые разрушающе воздействуют на бетон, будут сульфаты магния и натрия. Не зря испытания на сульфатостойкость цемента проводятся на 5 % растворе сульфата натрия.
  3. Основная опасность сульфатной коррозии заключается от реакции трёхкальциевого алюмината с сульфатами из окружающей среды и образованием гидросульфоалюмината кальция (ГСАК), который в порах и трещинах расширяется в объёме (на 227%) и создаёт давление на бетонный камень. Такое воздействие совместно с вымыванием водами этих образований приводит к коррозии бетона III типа.
  4. Сульфатостойкие цементы – это цементы с низким содержанием C3A или трёхкальциевого алюмината. Напомним содержание основных минералов в цементном клинкере основном компоненте цемента: • Алит, трехкальциевый силикат – C3S. Основной минерал, оказывающий влияние на качество цемента. Алит обладает свойствами быстротвердеющего гидравлического вещества высокой прочности. Цементы высоких марок и быстротвердеющие цементы изготавливают с повышенным содержанием трехкальциевого силиката. Содержание в цементе – 37-60%. • Белит, двухкальциевый силикат – C2S. Медленнотвердеющее гидравлическое вяжущее средней прочности. Цементы с повышенным содержанием белита медленно твердеют, однако прочность их нарастает в течение длительного времени. Содержание в цементе – 15-37%. • Трехкальциевый алюминат – С3A. Минерал-плавень, главная задача которого понижение температуры спекания сырьевой смеси. Твердеет быстро, но имеет низкую прочность. Содержание в цементе – 5-15%. • Четырехкальциевый алюмоферрит – С4AF. Минерал-плавень. Твердеет быстрее силикатов, но медленнее алюмината. Содержание в цементе – 10-18%.
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий
Adblock
detector