Мінералогічний склад та структура цементного каменю на глиноземистому цементі
На відміну від портландцементу, де переважаючими складовими частинами є силікати кальцію, тобто речовини, що складаються з вапна та кремнекислоти, в глиноземистому цементі переважають алюмінати. Відповідно до цього в якості сировини для виробництва глиноземистого цементу використовують вапняк і багаті на глинозем речовини, головним чином, боксити. Відмінність у хімічному складі між глиноземистим і портландським цементами видно з табл. 40.
Таблиця 40. Хімічний склад глиноземистого та портландського цементу, %.
Глиноземистий цемент виходить з бокситів шляхом плавлення у ватержакетних печах, електропечах та доменних печах, а також; методом спікання у відбивних печах. Головною, найактивнішою частиною цементу є однокальцієвий алюмінат СаО А1203 (СА), який обумовлює високу міцність в ранні терміни твердіння при нормальному схоплюванні. Поряд з ним в цементі містяться 5СаО ЗА1203-(С5А3), який характеризується дуже швидким схоплюванням і при гідратації дає високу міцність в ранні терміни твердіння з пониженням її в пізніші, і 3СаО • 5А120з-(С3А5) з низькими і повільно твердне.
Фізико-хімічні процеси, що протікають при його твердінні, в основному подібні до процесів, що протікають при твердінні портландцементу. На підставі великої кількості даних про мікроструктуру та мінералогічний склад глиноземистих шлаків, що служать для виготовлення глиноземистого цементу, встановлено існування наступних мінералогічних складових цементу: СаО AI2O3 (СА); 12СаО 7А1203 (замість С5А3); 2СаО-А1203 Si02-(C2AS) і СаО 2А1203 (замість С3A5). Іноді глиноземистий цемент помилково називають швидкосхоплюючим. Це не правильно,так як він цемент, що нормально схоплюється (початок схоплювання через 2-3 години і кінець через (3-8 годин). Глиноземистий цемент є високоміцним і швидкотвердіючим цементом. Розчини (до бетону) на глиноземистому цементі до добового віку набувають близько 70% міцності по відношенню до 28 діб Подальше зростання міцності після 28 днів незначне.
При твердінні глиноземистого цементу виділяється велика кількість тепла в короткий час, що призводить до значного підвищення температури в перші терміни твердіння. Тепловиділення настільки інтенсивне, що до добового віку виділяється до 70-80% загальної кількості тепла (для портландцементу той же відсоток до 7 діб). Кількість тепла, що виділяється при твердінні глиноземистого цементу, приблизно пропорційно активності цементу. При зведенні масивних споруд слід на увазі, що в результаті високого саморозігріву бетону на глиноземистому цементі внаслідок різниці температур центру і периферії в тілі бетону можуть з'явитися внутрішні напруги. Крім того, саморозігрів може суттєво вплинути на процес твердіння. При температурах 15-25 ° гідратація йде по реакції: 2 (СаО А1203) + 10Н20 = 2СаО А1203 7Н20 + А1203 ЗН20.
Семиводний гідроалюмінат кальцію, що утворюється в результаті реакції, досить стійкий при цій температурі, він і надає цементному каменю високу міцність. Якщо процес гідратації глиноземистого цементу протікає при; температурах вище 25 °, поряд з 2СаО А1203 пН20 утворюється ЗСаО AI2O3 6Н20-шестиводний трикальцієвий алюмінат. Чим вище температура, тим відносно більшій кількості утворюється ЗСаО А12Оэ 6Н20. Це з'єднання виходить у кристалах кубічної системи, що володіють меншою зчеплюваністю з рештою маси затверділого цементупорівняно з гексагональними табличками 2СаО А120з aq.
Якщо твердіння цементу глиноземистого відбувається при температурах вище 30° з утворенням гідроалюмінату, то міцність затверділого цементного каменю зменшується в 3-4 рази. Ступінь шкідливого впливу температур вище 30 ° на міцність залежить від того, в якому віці діє підвищена температура: якщо, наприклад, цемент затворений при 30 ° і вище і протягом усього періоду температура не знижується, цементний камінь має низьку міцність; якщо ж підвищена температура почала діяти на цементний камінь, що майже вже затвердів (наприклад, у 16—18-годинному віці), то міцність буде знижуватися значно менше (на 10— 20%). Це пояснюється перетворенням двокальцієвого гідроалюмінату на трикальцієвий.
Викладені положення щодо екзотермії та впливу температур на процеси твердіння необхідно враховувати при застосуванні глиноземистого цементу в будівництві взагалі і, зокрема, у жаростійкому бетоні та спорудженні з нього теплових агрегатів та будівельних конструкцій. Враховуючи все сказане вище, необхідно прагнути до мінімальної температури замісу бетону (5-15 °), не допускати підігріву інертних і води, вживати заходів до швидкого охолодження споруди в період інтенсивного саморозігріву (полив холодною водою, захист від сонячних променів тощо). ).
Для усунення негативного впливу трикальцієвого алюмінату запропоновано додавати до глиноземистого цементу 25-30% ангідриту, отриманого випалом гіпсу при 600-700 °. Ангідрит пов'язує трикальцієвий алюмінат у сульфоалюмінат кальцію, що покращує властивості глиноземистого цементу та дозволяє застосовувати його для великих бетонних масивів. Цей цемент, названий АГ-цементом (ангідрит-глиноземистим цементом) має при підвищених температурах (45-65 °) значнобільшу міцність, ніж чистий глиноземний цемент. Дуже цікавим є питання про можливість добавки тонкомолотого гранульованого доменного шлаку. При додаванні до глиноземистого цементу 10-20% шлаку за вагою міцність при стиску практично не знижується, а міцність при розтягуванні навіть дещо підвищується.
При додаванні великих кількостей шлаку (до 50%) можна отримати новий вид цементу - так званий шлако-глиноземистий цемент, міцність якого дещо нижча, ніж чистого глиноземистого цементу, але швидкість твердіння та ж. Глиноземистий цемент повинен розглядатися як в'яжуче, здатне замінювати портландцемент; він призначається задля масового будівництва, де цілком застосовний звичайний портландцемент, а там, де цінні його специфічні властивості. Особливо цінними є властивості глиноземистого цементу для приготування жаротривкого бетону. Суміші глиноземистих цементів з різними вогнетривкими наповнювачами відрізняються великою стійкістю до високих температур.