Модифицированный портландцемент. Свойства и применение

Вопрос монолитности сооружений из сборных железобетонных конструкций приобретает огромное значение, особенно при строительстве подземных сооружений, находящихся под давлением воды и грунтовых вод, где наряду с прочностью требуется высокая водонепроницаемость.

Опыт омоноличивания сборных конструкций растворами и бетонами на основе обычного портландцемента показывает, что при этом не достигается необходимая монолитность — из-за усадки цементного камня в процессе схватывания и твердения. В местах соединения с бетонными поверхностями нарушается сцепление из-за трещин, образующихся вследствие усадки. Вода, проникающая в эти трещины, вызывает дальнейшее разрушение омоноличивающего материала, что приводит к нарушению монолитности всего сооружения.

Вопрос о выборе устойчивого материала для заделки швов в конструкциях из сборного железобетона, а также об изготовлении самих водонепроницаемых железобетонных изделий является весьма актуальным. Огромный рост гидротехнического строительства, возведения подземных сооружений выдвигает проблему создания несложных по технологии изготовления и доступных по стоимости высокопрочных, водонепроницаемых, быстротвердеющих и стойких в различных температурно-влажностных условиях растворов и бетонов. Решение этой проблемы возможно путём использования модифицированного портландцемента.

Модифицирование — это изменение физико-химической структуры и свойств материала путём введения в его состав различных оксидов или добавлением к нему определённых веществ.

На основе современных представлений о механизме схватывания и твердения портландцемента и о явлениях его усадки и расширения был разработан способ компенсированной усадки путём создания модифицированного портландцемента.

Модифицирование — это изменение физико-химической структуры и свойств материала путём введения в его состав различных оксидов или добавлением к нему определённых веществ

Усадочные деформации при твердении цементного камня. Физико-химические процессы схватывания и твердения обычных цементов сопровождаются суммарной усадкой, выражающейся в уменьшении внешнего объёма твердеющего цемента на протяжении длительного периода.

Усадочные трещины в сооружениях приводят к коррозии арматуры предварительно напряжённых конструкций, подвергающихся атмосферным воздействиям. Наиболее заметно это проявляется в покрытиях дорог и аэродромов.

Компенсация усадочных явлений. Усадка цементного камня, твердевшего на воздухе в течение 5 лет, достигает 3 мм на 1 м. Для бетонов этот показатель составляет примерно 0,4 мм на 1 м в зависимости от вида и свойств заполнителя. Так, усадка бетона, содержащего мелкозернистый песок и пористый заполнитель, больше в сравнении с усадкой бетона, изготовленного на основе гравия и щебня. Причём чем выше модуль упругости крупного заполнителя, тем меньше усадочные деформации бетона

Железобетон в сравнении с обычным бетоном имеет в 2 раза меньшую усадку. Но в целом усадка железобетонных конструкций полностью не заканчивается даже через 15 лет. При этом отмечено уменьшение предварительного напряжения у бетонов, твердеющих на воздухе, — на 38–45 % от исходной величины.

Напряжения, вызываемые усадкой, приводят к снижению трещиностойкости и долговечности железобетонных конструкций

Научные основы получения модифицированного цемента, обеспечивающего компенсацию усадки. Поскольку обычный портландцемент при твердении подвержен усадочным явлениям, на протяжении многих лет исследования учёных были направлены на поиск ответов на вопросы: как же избежать усадки цементного камня, как обеспечить расширение цементного камня при твердении, которое бы компенсировало усадку, какие силы обусловливают это явление.

В идеале желательно достичь расширения, равного усадке в любой заданный момент твердения цементного камня. Многочисленные исследования в этой области свидетельствуют о сложности физико-химического процесса и необходимости очень точно регулировать процесс образования эттрингита в цементно-водной системе и обеспечить его долговечность, поскольку фазовые переходы этого соединения могут не обеспечить желаемого результата. В зависимости от условий, определяющих кинетику образования гидросульфоалюмината кальция в период гидратации цемента, структура может упрочняться, расширяться и компенсировать усадку цементного камня. В результате многочисленных лабораторных, полупромышленных и промышленных испытаний был разработан модифицированный портландцемент, который, по сравнению с обычным цементом, обеспечивает улучшение строительно-технических свойств растворов и бетонов.

Напряжения, вызываемые усадкой, приводят к снижению трещиностойкости и долговечности железобетонных конструкций

Свойства модифицированного цемента.

Сроки схватывания. Схватывание цементов находятся практически в тех же пределах, что и у обычного портландцемента. Иногда, в зависимости от применяемого расширяющегося компонента, наблюдается ускорение начала схватывания цементного теста. Для замедления схватывания используют борную кислоту, лигносульфонаты модифицированные технические (ЛСТМ).

Прочность цементного камня характеризуется быстрым нарастанием в первые сутки твердения, которое затем, в течение 3–7 сут., несколько замедляется, что связано с интенсивным расширением структуры в этот период. При более длительном периоде твердения (3 мес. и более) по кинетике нарастания прочности безусадочный цемент опережает портландцемент.

Расширение цементного камня при твердении в водных условиях интенсивно развивается в первые сутки, а затем стабилизируется. Твердение цементного камня на воздухе сопровождается усадкой, но в целом расширение цементного камня сохраняется на уровне 0,1 %.

Водопроницаемость. Цементные растворы и бетоны водонепроницаемы. За счёт самоуплотнения в период твердения через 3–7 сут. изделия из бетона выдерживают гидравлическое давление 20 атм.

Морозостойкость. Цементный камень из безусадочных цементов без ограничения их расширения выдерживает 150 циклов, а при механическом ограничении цементного камня (твердение цемента происходит в металлических формах) морозостойкость увеличивается в 2 раза и достигает 300 циклов попеременного замораживания и оттаивания.

Сохранность свойств. При длительном хранении безусадочных цементов (как и портландцемента) наблюдается частичная гидратация и карбонизация продуктов гидратации под воздействием углекислоты и влажного воздуха. При этом прочность цементного камня не снижается

Масло- и нефтестойкость. Высокие водо- и газонепроницаемости цементного камня из модифицированного цемента, обусловленные его высокой плотностью, обеспечивают его стойкость к воздействию масло- и нефтепродуктов, что позволяет рекомендовать его для строительства хранилищ масло- и нефтепродуктов.

Коррозионная стойкость цементов высокая благодаря формированию плотного цементного камня при твердении. Коэффициент стойкости образцов, хранившихся в различных агрессивных средах через 12 мес. близок к единице, что свидетельствует о высокой стойкости цементного камня против воздействия агрессивных сред.

Цементный камень на основе модифицированного цемента обладает достаточно высокой стойкостью в хлоридной и хлоридно-магнезиальной среде. Это позволяет использовать его при гидроизоляции различных объектов. Добавление к цементам различных полимеров обеспечивает антикоррозийную защиту бетонных сооружений, находящихся под воздействием сильно агрессивных хлоридно-магнезиальных сред. Испытания образцов из безусадочных полимерцементных растворов на промышленных объектах показывают отсутствие сбросов прочности в течение 5 лет. В то же время образцы из цементно-песчаного раствора на портландцементе без расширяющихся добавок к 3 годам хранения в агрессивных средах уменьшили предел прочности при сжатии на 17 % по сравнению с образцами в возрасте 1 года.

Применение модифицированного цемента.

Гидроизоляция и антикоррозийная защита железобетонных конструкций. К объектам химической промышленности, очистным и подземным сооружениям предъявляются повышенные требования по антикоррозионной стойкости, плотности и непроницаемости с целью обеспечения их долговечности и исключения утечки хранимых материалов или, напротив, попадания грунтовых и технологических вод в заглублённые помещения. Опыт эксплуатации таких объектов свидетельствует, однако, о недолговечности традиционных гидроизоляционных покрытий, что ведёт к росту расходов на ремонт, сокращению сроков службы, а в ряде случаев, например ПО «Белорускалий» (г. Солигорск), к преждевременному разрушению бетонных и железобетонных конструкций.

Опыт создания гидроизоляционных покрытий для защиты бетонных и железобетонных сооружений от воздействия на них агрессивных сред и обеспечения их водонепроницаемости выявил, что для этих целей успешно может быть применён модифицированный портландцемент. Всего с применением разработанного цемента было выполнено более 20 000 м2 покрытий по железобетонным перекрытиям в главном корпусе обогатительной фабрики 3-го рудоуправления производственного объединения «Белорускалий» и более 3000 м2 покрытий по железобетонным конструкциям при строительстве сгустителей.

Для создания гидроизоляционных покрытий для защиты бетонных и железобетонных сооружений от воздействия на них агрессивных сред и обеспечения их водонепроницаемости может быть применён модифицированный портландцемент

С 1979 г. на ПО «Волковыскцементошифер» был организован промышленный выпуск цемента, который, с добавкой полимеров, применялся для гидроизоляционных покрытий.

Полимерцементная гидроизоляция на основе модифицированного цемента особенно оправдала себя при строительстве сгустителей на ПО «Белорускалий», заменив собой дорогостоящую нержавеющую сталь с малоэффективной защитой. Общая площадь сгустителей с полимерцементной гидроизоляцией составляет 10 000 м2.

Антикоррозионная полимерцементная защита на основе модифицированного цемента успешно применена в банях и прачечных взамен защиты, предусматривающей устройство проволочного каркаса, цементной выравнивающей стяжки, трёхслойной обмазки асфальтовой мастики, штукатурки по сетке и оклейке стеклотканью.

Антикоррозионная защита была выполнена полимерцементными составами, наносимыми торкретированием слоем толщиной 20 мм. Исследования показали, что срок службы полимерцементной изоляции по сравнению с традиционной многослойной изоляцией повышается в 4 раза.

Модифицированный цемент используют при возведении очистных сооружений из сборных элементов без гидроизоляции. Водонепроницаемость отстойников обеспечивалась за счёт омоноличивания стыков бетоном.

Из бетона на модифицированном цементе возводятся насосные станции подачи очищенных стоков с заглублением ниже поверхности земли на 7,5 м, т. е. ниже уровня грунтовых вод.

Из бетона на модифицированном цементе изготавливают кровельные плиты для создания безрулонной кровли при строительстве жилых зданий. Антикоррозийная защита на основе указанного цемента успешно применяется при ремонте очистных сооружений, жилых зданий, спортивных сооружений, при возведении спортивных сооружений: покрытия трибун, ледовых катков, беговых дорожек и плавательных бассейнов. Успешно цементы применяются при ремонте жилых зданий.