Глиноземистый цемент сырье получение свойства применение

Глиноземистый цемент (ГЦ)

Глиноземистый цемент – гидравлическая строительная смесь, главная особенность которой – быстрое твердение на воздухе и в воде. Он предназначен для создания изделий и строительных конструкций, эксплуатируемых в воде и при контакте с химически агрессивными средами. Бетоны на основе традиционного портландцемента не способны долго сохранять характеристики во влажных условиях. Влага проникает в поры, вызывая коррозию арматурной стали, агрессивные сульфаты и другие соли быстро разрушают бетонный элемент и металл. Эффективной альтернативой обычному портландцементу в этих случаях является глиноземистый цемент, состав и физико-механические характеристики которого регламентируются ГОСТом 969-91.

Глиноземистый цемент: характеристики, особенности, применение

В этих электропечах выплавляют качественный глиноземистый цемент из высококремнеземистых бокситов. Благодаря высокой температуре в такой электропечи, достигающей К, и применению кокса в шихте кремнезем шихты восстанавливается до кремния и в результате взаимодействия с металлическим железом образуется ферросилиций. Глиноземистый цемент в США получают, сочетая процесс слабого спекания шихты во вращающейся печи с последующим расплавлением ее в ванной печи. Высказываются мнения о возможности плавления во вращающихся печах, но этот способ в промышленности не применяется.

Большое значение имеет способ доменной плавки чугуна и высокоглиноземистого шлака, успешно разработанный советскими учеными.

Железистый боксит, известняк, кокс и металлический скрап загружают в обычную доменную печь, из которой периодически на верхней летке выпускается высокоглиноземистый шлак, а на нижней — специальные виды чугунов, содержащие примеси титана, меди и других веществ, поступающих из боксита и скрапа.

Температура шлака — К. Хотя при этой технологии продукт высокоглиноземистый шлак совсем не содержит железа, так как оно полностью перешло в чугун, он несколько обогащается кремнеземом за счет золы кокса. Выход шлака на 1 т чугуна заметно выше, чем при обычной плавке чугуна из железных руд.

Отличия от портландцемента

Основное назначение портландцемента и глиноземистого цемента совпадает – эти материалы предназначены для скрепления отдельных элементов конструкций, заделки отверстий и образования монолитного основания, но из-за разницы в составе, существуют заметные отличия:

• При наборе прочности глиноземистого цемента происходит реакция, которая стимулирует выделение тепла. Этот процесс может длиться почти сутки;
• Плотность монолита из глиноземистого материала гораздо выше, чем у стандартного цемента;
• Цемент глиноземистый ГЦ 40 (самая низкая марка) обладает более высокими водонепроницаемыми свойствами, чем портландцемент М400;
• В отличие от стандартного материала, монолит, образованный из рассматриваемого вида цемента, хуже сопротивляется воздействию щелочи;
• Главное отличие – время набора прочности. Глиноземистые составы твердеют в течение полусуток, а окончание процесса происходит через трое суток. Для обретения расчетной прочности стандартного материала необходимо 28 дней.

Свойства цементов

Стойкость пуццоланового и шлакопортландцементов при воздействии пресных, особенно мягких, и сульфатных вод выше, чем портландцементов. В кислых и углекислых водах эти цементы, как и портландцементы, недостаточно стойки.

Водопотребность пуццолановых портландцементов выше, чем у портландцементов, так как на смачивание развитой поверхности минеральных добавок требуется значительный объем воды (нормальная густота пуццоланового портландцемента 28. 35%, а обычного портландцемента 22. 26 %). Вследствие повышенной водопотребности и, следовательно, пористости цементного камня бетоны на пуццолановом портландцементе менее морозостойки, чем на портландцементе.

Водопотребность шлакопортландцемента существенно не отличается от водопотребности обычных портландцементов, но химически связывается воды меньше, чем при гидратации портландцемента. Это приводит к снижению плотности бетона на шлакопортландцементе и, как правило, морозостойкости по сравнению с бетоном на портландцементе.

Бетоны на пуццолановых цементах характеризуются значительными деформациями усадки и набухания, что связано с повышенным содержанием в цементном камне гелевидных новообразований и развитой сетью мельчайших капилляров. При твердении в воздушно-сухих условиях бетон на пуццолановом портландцементе теряет прочность, что объясняется большой усадкой и «выветриванием» воды из гидратных соединений, т. е. он обладает пониженной воздухостойкостью.

Усадка и набухание шлакопортландцемента приблизительно такие же, как и у портландцемента. Воздухостойкость шлакопортландцемента выше, чем пуццоланового портландцемента, но уступает портландцементу.

Жаростойкость бетонов на шлакопортландцементе значительно выше, чем на портландцементе. Это объясняется пониженным содержанием в них свободного гидроксида кальция и наличием шлаков.

Пуццолановый портландцемент и шлакопортландцемент применяют для массивных бетонных и железобетонных конструкций подводных и подземных частей сооружений (плотин, шлюзов туннелей, канализационных и водопроводных сетей, фундаментов и т. п.). Широко используют эти цементы в производстве сборных изделий с тепловлажностной обработкой. Не эффективны эти цементы в наземных конструкциях в районах с сухим климатом или в цехах с пониженной влажностью воздуха, а также в частях сооружений, подвергающихся систематическому попеременному замораживанию и оттаиванию, увлажнению и высушиванию.

Бетоны на глиноземистом цементе морозостойки и более стойки по сравнению с портландцементом против выщелачивания, а также к растворам сульфата кальция и магния, морской и болотной воде, растворам сахара, животным и растительным маслам. Однако глиноземистый цемент быстро разрушается даже слабыми растворами солей аммония и щелочей. Его нельзя применять в щелочных средах и смешивать с известью или портландцементом. Учитывая дефицитность сырья (бокситов) и значительную стоимость глиноземистого цемента, его выпускают в сравнительно небольших количествах (менее 1 % от общего выпуска цемента), а применяют при возведении бетонных конструкций, которые необходимо быстро ввести в эксплуатацию, для срочных аварийных и ремонтных работ, а также для тампонирования нефтяных и газовых скважин, футеровки шахтных колодцев и туннелей и т. п. На основе глиноземистого цемента в смеси с жаростойкими заполнителями изготовляют бетоны, которые хорошо сопротивляются действию высоких температур (1000°С и выше). Глиноземистый цемент используют также для получения расширяющихся цементов.

Напрягающий цемент рекомендуется применять для изготовления напорных труб и других тонкостенных железобетонных изделий и конструкций с напряженной арматурой.

вернуться к выбору статей ремонт

Применение глиноземистых материалов

Хотя ГЦ обладает целым рядом преимуществ в сравнении с традиционным цементом, широкого применения он не нашел. Причиной ограниченной области использования продукта является высокая цена – он в 3-5 раза дороже стандартного цемента.

Поэтому глиноземистые смеси применяют только там, где использование более дорогого материала оправдано его специфическими свойствами.

Глиноземный цемент незаменим при выполнении следующих работ:

• при ремонтных работах по восстановлению элементов гидротехнических сооружений, в том числе гидроизоляции очистных сооружений;
• как гидроизоляционный материал при тампонаже нефтяных скважин;
• в судоходстве для устранения пробоин корпуса;
• гидроизоляции аварийных протеканий канализационных и водопроводных сетей;
• при ремонте душевых комнат и бассейнов;
• для получения раствора, способного твердеть и обретать прочность за короткое время – 1, 2 или 7 суток;
• для получения гидроизоляционной штукатурки;
• при возведении конструкций, в процессе эксплуатация которых предусмотрен контакт с агрессивными средами (исключая щелочные);
• для антикоррозионной защиты сетки арматуры;
• при изготовлении отдельных изделий и бетонов с огнеупорностью до 1700° С.

Благодаря своим свойствам, ГЦ используется в строительстве как компонент расширяющихся, огнеупорных, быстротвердеющих, напрягающих и других специальных составов.

Благодаря огнеупорности алюминатные составы широко используют в металлургии как составная часть жаропрочных сухих смесей и бетонов.

Глиноземистый цемент относится к группе вяжущих компонентов для приготовления строительных смесей. ГЦ может быть использован в качестве самостоятельного, базового или дополнительного компонента. Характеристики готовых продуктов определяются составом и способом приготовления природного вещества.

Состав

В качестве основы для производства композитного вяжущего используются алюминиевая руда (бокситы), известняк и породы с высоким содержанием алюминия. За счет последнего иное название ГЦ — алюминатный. При детальном рассмотрении химический состав глиноземистого цемента представлен оксидами металлов в таком содержании (в %):

• алюминий — 30-50:
• кальций — 35-45;
• железо и кремний — по 5-15.

В зависимости от доли CaO различают два типа ГЦ:

• мелоизвестковый — 35-40 %;
• высокоизвестковый — от 40 %.

Классификация также проводится по концентрации других примесей:

• обычный с содержанием глинозема до 66 %, кремниевой кислоты около 3 %;
• высокоглиноземистый с аналогичными компонентами до 76 и до 1 % соответственно.

Также в составе глиноземистого цемента присутствуют функциональные компоненты. Так, для балласта применяется геленит, а с целью увеличения рабочего времени раствора добавляется двухкальциевый силикат.

Производство

Методики изготовления алюминатного цемента сводятся к обжигу составляющих компонентов. Способов всего два: спекание или плавление. Первая технология подразумевает использование печей шахтного либо вращающегося типа, в которых температура поднимается до 1300 градусов по Цельсию. Сначала сырье охлаждают для кристаллизации геленита, затем происходит нагревание, а заготовку гранулируют и быстро остужают. Недостаток здесь в больших энергозатратах, но вяжущее вещество на выходе получается высокопрочным и качественным.

Плавление происходит постепенно в печах шахтного типа, которые также применяются для литья цветных металлов. Доменные практически не используются из-за низкой прочности получаемого материала на начальных этапах схватывания. В камеру сырье подается в измельченном виде с добавлением кокса. Получаемый продукт на выходе подвергается водяному охлаждению, далее заготовки попадают в специальную дробильную установку с многокамерными мельницами.

Вторая методика более распространенная за счет использования пылевидного топлива, что экономически более выгодно. Реже производители прибегают к электроплавке с целью очищения продукта от кремниевой кислоты.

Еще один подтип методики — дуговая плавка. Процесс выполняется в печах с переменным током. Здесь измельченное сырье обращают в гранулы или брикеты. При этом известняк предварительно кальцинируют, алюминиевую руду прокаливают. В результате получают ГЦ самого высокого качества на фоне алюминатных аналогов.

Технические характеристики

Одно из главных свойств глиноземистого цемента заключается в быстром схватывании и набора прочности. Процесс затвердевания происходит около 12 часов, а марочный показатель достигается в течение 3 дней. Для сравнения — портландцементу требуется 28 суток. Такая скорость образования цементного камня оправдана высоким содержанием активных кальциевых алюминатов.

Важно! Раствор на основе ГЦ рекомендуется замешивать маленькими порциями. Это объяснимо коротким рабочим временем композита — примерно 30-45 минут.

Также на фоне традиционного портландцемента алюминатный аналог превосходит в следующем:

1. Адгезия с металлом. Коэффициент сцепления ГЦ со стальной арматурой выше, благодаря чему монолит получается более целостным.
2. Жаростойкость. Если у ПЦ процесс дегидратации начинается при нагревании до 550 градусов по Цельсию, то у ГЦ свойства и форма сохраняются в условиях свыше 1500 градусов (по ГОСТу 969-91 для марок ВГЦ I — 1580, ВГЦ II — 1670 и ВГЦ III — 1750).
3. Плотность. Бетон из портландцемента имеет пористую структуру, из ГЦ пустоты в теле искусственного камня практически отсутствую, имеют меньшие размеры. В результате прочность и удельный вес также выше.

Минеральный композит на основе цемента проявляет устойчивость к механическим нагрузкам, агрессивным условиям эксплуатации относительно влаги, биологических и химических реагентов. Также бетон обладает инертностью к коррозии.

Важно! ГЦ неустойчив к щелочам, взаимодействие составов приводит к деформированию монолита. Из-за этого не рекомендуется самостоятельное добавление в раствор вяжущего с гипсом, известью и ПЦ.

Еще одно преимущество материала перед портландцементом — выделение тепла в процессе твердения раствора на глиноземистом цементе. В первые сутки показатель достигает 70 %. Это положительно сказывается на активности схватывания, позволяет выполнять заливку конструкций при температуре -10 градусов по Цельсию.

Важно! Работать с раствором на основе ГЦ не рекомендуется в жаркую погоду. При +30 градусов прочность сухого остатка будет ниже заявленной в 2-3 раза.

Стоит отметить особенность раствора из глиноземистого цемента. Из-за высокой вязкости вяжущего рабочую массу замешивать приходится дольше и трудозатратнее, нежели на основе ПЦ. Самостоятельно без опыта добиться однородности, своевременно выработать смесь сложно. Поэтому с целью получения качественного бетона лучше доверить работу профессионалам.

Ввиду характеристик материала сухие смеси в продажу поступают в контейнерах или мешках по 40-50 кг. Так как содержание железа может быть разным цветовое исполнение может быть желтым, зеленым, коричневым или черным.

Производство глиноземистого цемента регламентируется ГОСТом 969 от 2019 года (обновленные 969-77 и 969-91). На основании документа алюминатное вяжущее по прочности на сжатие подразделяют на три типа:

1. Цемент глиноземистый ГЦ-40 в течение суток способен выдержать нагрузку в 22,5-40 МПа. Применяется материал в строительной сфере для реализации различных проектов. Считается лидером по потребительскому спросу.
2. Глиноземистый цемент ГЦ-50 набирает прочность в 27,4-50 МПа. Основная сфера применения — топливная и энергетическая отрасль.
3. Цемент глиноземистый ГЦ-60 (от 32,4 МПа) применяется оборонном и металлургическом секторе.

Также по показателям прочности на третьи сутки выделяют:

• ВГЦ-25 или ВГЦ III по ГОСТ 969-91 (высокоглинистый цемент с классом прочности В25);
• ВГЦ-35 или ВГЦ I;
• ОВГЦ-25 (особочистый ВГЦ).

Важно! Маркировке ВГЦ II соответствуют марки ВГЦ с прочностью 25 и 35 МПа.

На базе алюминатного цемента приготовляют три типа смесей:

• с гипсом и шлаком — расширяется в воде;
• с полугидратом гипса м гашеной известью — проявляет гидроизоляционные свойства;
• комбинированный применяется в изоляционных и ремонтных работах со шлюзами, тоннелями, трубопроводами и резервуарами для той или иной жидкости.

Подводя итоги применение ГЦ сводится к строительным и ремонтным работам с ответственными и гидротехническими конструкциями. Вяжущий компонент важен в условиях получения быстрого и высокопрочного результата (транспортные сети, мосты, оборонительные и стратегические объекты).

Востребован материал для выполнения реконструкций в послеаварийных ситуациях в случае с трубопроводом, плотинами, дамбами, портовыми сооружениями, морскими судами. Жаростойкий бетон особенно актуален в промышленном секторе и отопительных пунктах.

В частном секторе нередко приходится работать в условиях низких температур. Так, алюминатный компонент актуален для устройства подушки под фундамент, фиксации анкерных систем, герметизации скважин. Более масштабные проекты здесь редко реализуются из-за высокой стоимости материала на фоне портландцемента. Но в случае с высокими грунтовыми водами мастера рекомендуют выбирать более качественный вариант.