Бетон для дорожного строительства на основе алюминатного цемента

РЕФЕРАТ. Алюминатные цементы (calcium aluminate cement, CAC), далее — АЦ) и материалы на их основе отличаются от портландцемента (ПЦ) своими химическими и физическими свойствами. АЦ быстро схватываются и набирают прочность, обеспечивают высокие показатели устойчивости к воздействию высоких температур, долговечности, кислото- и сульфатостойкости. Благодаря этому АЦ находят применение в различных областях во всем мире. В частности, на их основе можно разрабатывать быстротвердеющие, практичные и долговечные бетоны для ремонтных работ, бетонные полы и др. Различие свойств ПЦ и АЦ обусловлено различием продуктов их гидратации, которое связано с неодинаковым химическим и фазовым составом этих цементов. Компания Çimsa Cement (Турция) на своем предприятии по производству АЦ в Мерсине изготовила на основе этого цемента бетон для дорожного покрытия площадью 100 м². Материал покрытия дороги должен был удовлетворять требованиям по ранней прочности для дорожных и наземных проектов (30 МПа через 6 ч). Двумя подразделениями компании Çimsa Cement — лабораторией бетона и центром по исследованию и применению цемента — были совместно разработаны четыре состава с разными техническими характеристиками.

Ключевые слова: алюминатный цемент, бетон, дорожное строительство.

Keywords: calcium aluminate cement, concrete, road construction.

Введение

Качество цемента обычно определяется высокой прочностью при сжатии. Вместе с тем все большее значение приобретает долговечность самого бетона. Алюминатный цемент (calcium aluminate cement, CAC), далее — АЦ, является специальным цементом, в силу специфики своего состава превосходящим рядовой портландцемент (ПЦ) по ранней и поздней прочности на сжатие и долговечности. Если рядовой ПЦ достигает нормируемой прочности на сжатие в течение 28 сут, то АЦ — в течение 6 сут. Кроме того, АЦ устойчив к истиранию, воздействию сульфатов и кислот. Бетон на основе АЦ предпочтителен в широком спектре практических применений. 

В данной статье приведена информация о применении АЦ в различных областях и о бетоне для ремонтных работ, произведенном компанией Çimsa Cement в 2015 году.

Химия и микроструктура

Основное различие между АЦ и ПЦ — фазовый состав. Как следствие, они имеют разные сроки схватывания и твердения. Главные фазы ПЦ — алит и белит; они реагируют с водой с образованием продуктов C—S—H и CH. Фазами АЦ являются CA и майенит (С₁₂А₇). Эти фазы также реагируют с водой, но в результате гид­ратации образуются другие продукты. В зависимости от содержания оксида алюминия существуют различные типы АЦ.  Их характеристики по данным [1] приведены в табл. 1.

Состав продуктов гидратации АЦ в большой степени зависит от температуры. При температуре ниже 15 °C образуется CAH₁₀, в диапазоне 15—25 °C — C₂AH_8,5; при температуре выше 25 °C — C₃AH₆ и AH₃ [2]. Фазы CAH₁₀ и C₂AH_8,5 являются метастабильными; фаза C₃AH₆ термодинамически стабильна. Преобразование метастабильных фаз в стабильную сопровождается сокращением объема вещества, вследствие чего растет порис­тость материала и снижается его прочность на сжатие.

Одним из наиболее важных параметров, влияющих на начальную и конечную проч­ность, является водоцементное (В/Ц) соотношение. Бетонная конструкция всегда должна изготавливаться с долгосрочным запасом прочности на сжатие. Лабораторные исследования, выполнявшиеся в течение 60 лет, показали, что опти­мальное в этом смысле значение В/Ц не превышает 0,4.

Химическая устойчивость

Кислотная коррозия. Продукты гидратации ПЦ (C— S—H и CH) являются высокоосновными. Таким образом, камень из ПЦ чувствителен к коррозионному воздействию кислотной среды, которое приводит к его разрушению. В результате верхний слой ПЦ полностью утрачивается и обнажаются частицы заполнителя.

Присутствие AH₃ в продуктах гидратации АЦ делает материалы из цементов этого типа стабильными в условиях, когда значения рН не превышают 3—4. Другие продукты гидратации АЦ теряют кальций в кислотной среде, что приводит к образованию фазы AH₃:

C₃AH₆ + 6H⁺ → 3Ca²⁺ + 2Al(OH)₃ + 6H₂O.               (1)

Фаза AH₃ заполняет внутренние поры бетона, повышая его устойчивость к воздей­ствию факторов окружающей среды [3]. При pH ниже 3,5 AH₃ начинает растворяться, нейтрализуя кислоту:

           AH₃ + 6H⁺ → 2Al³⁺ + 6H₂O.                            (2)

Общее уравнение реакции имеет вид:

C₃AH₆ + 2AH₃ + 24H⁺ → 3Ca²⁺ + 6Al³⁺ + 24H₂O.    (3)

На рисунке приведены данные о изменении потерь массы и значения pH обычного ПЦ и АЦ в ходе испытания на устойчивость к кислотной коррозии, проводившегося в течение 250 сут (условия испытания позволяют считать показатели после его завершения эквивалентными аналогичным показателям после 16 лет кислотной коррозии тех же материалов в обычных условиях) [4].

Рис. Изменение потерь массы (а) и значения pH бетонов на основе ПЦ и АЦ (б) в ходе испытаний на устойчивость к кислотной коррозии [4]

При низких значениях рН между кислотной поверхностью и бетонным ядром образуется слой с нейтральным рН. Гидроксид алюминия образует в этом месте буферную зону — учас­ток с низкой проницаемостью и высокой плотностью, противодействуя кислотной коррозии бетона. 

Биогенная коррозия. Биогенной коррозии обычно подвергаются трубопроводы для питьевой воды или сточных вод. Ее причиной является восстановление сульфат-ионов до сульфит-ионов анаэробными микроорганизмами, находящимися в окружающей среде. Процесс проходит в несколько этапов:

• анаэробные микроорганизмы превращают сульфаты в сульфиты при недостатке кис­лорода в сточных водах;

• сульфит-ионы осаждаются на стенках трубопровода вместе с конденсирующейся влагой;

• при снижении pH на поверхности сточных вод H₂S окисляется бактериями с образованием H₂SO₄;

• серная кислота реагирует с щелочными компонентами бетона, превращая соединения кальция в дигидрат сульфата кальция (гипс);

• ввиду большого объема гипса и его низкой устойчивости к воздействию кислот и воды стенки трубопровода корродируют.

Биогенная коррозия легко подвергающегося ей ПЦ ускоряется при высокой температуре, отсутствии циркуляции воздуха, низкой скорости течения жидкости, а также при наличии большого количества сульфат-ионов.

Как видно из данных табл. 2, потери массы изделий в канализационных системах, построенных с применением бетона на основе АЦ, ниже потерь в системах, построенных с применением ПЦ или цемента с минеральными добавками.

Устойчивость к коррозии. Коррозия обусловлена различными механизмами, поэтому коррозионную устойчивость бетона сложно рассчитать. АЦ все чаще используют при ремонте пострадавших от коррозии плотин.

Промышленные полы

Из-за устойчивости АЦ к химической коррозии и механическому износу его предпочитают использовать при устройстве промышленных полов. Подъездные пути, по которым перемещаются тяжелые транс­портные средства, полы на пивоваренных заводах, молочных фермах и в лабораториях, — все это примеры случаев, в которых предпочтительно использование АЦ. Он применяется также в криогенных установках, которые могут подвергаться механическим перегрузкам.

Бетонные дороги

Бетонное дорожное покрытие площадью 100 м² на основе АЦ было уложено на цемент­ном заводе Çimsa Mersin CAC с целью апробировать бетонную смесь, обеспечивающую прочность бетона 30 МПа через 4 ч. Четыре рецептуры с добавками и без добавок, которые использовались в этом исследовании, совместно разработаны лабораторией бетона компании Çimsa Cement и ее центром по исследованию и применению цемента. Расход цемента составил 400 кг/м³. Для достижения требуемых сроков схватывания использовались добавки. Из-за высокой активности АЦ гидратация начинается быстро, прямо в бетоносмесителе. По этой причине, если не требуется очень высокая ранняя прочность на сжатие, рекомендуется использовать замедляющие добавки. Результаты исследования приведены в табл. 3.

Хотя время схватывания бетонной смеси состава 1 было длительным, из-за присутствия добавок снижалась ранняя прочность бетона на сжатие. В составах 2 и 3 с целью снизить риск образования трещин использовали полипропиленовое волокно. В состав 3 добавки не вводили. Состав 4 схватывался аналогично АЦ и быстро твердел.

Чтобы предотвратить нежелательные явления в бетономешалке, воду и волокна вводили непосредственно при укладке смеси. В отсутствие добавок время ее схватывания сокращалось на 45 мин по сравнению со временем схватывания смеси с добавками.

Добавки улучшают удобоукладываемость за счет увеличения времени схватывания; их необходимо применять в тех случаях, когда нужна хорошая удобоукладываемость и не требуется высокая ранняя прочность. Напротив, добавки не следует применять в ситуа­циях, где должна обеспечиваться высокая ранняя проч­ность на сжатие.

При использовании АЦ в дорожном строи­тельстве, как и в других случаях, правильный уход за бетоном имеет чрезвычайно важное значение для ранней прочности. Необходимо обеспечить его с самого раннего возраста.

Заключение

АЦ можно использовать в тех областях применения, в которых долговечность и ранняя прочность на сжатие ПЦ могут оказаться недостаточными:

• для изготовления покрытий внутренней поверхности трубопроводов сточных вод;

• в емкостях для хранения кислот;

• в гидротехнических затворах;

• в случаях, когда требуется устойчивость материалов к воздействию высоких температур, в том числе при их использовании в качестве огнеупоров;

• при сульфатном коррозионном воздействии на материал;

• на химических предприятиях.

Бетоны на основе АЦ оказались вполне пригодными для проведения ремонтных работ, где требуется ранняя прочность на сжатие. До реализации проекта, описанного в предыдущем разделе, такие бетоны успешно применялись в 2013 году для проведения работ на Измирском металлургическом заводе в зоне, подвергающейся воздействию высокой температуры. По мере роста требований к производительности и качеству бетона, ожидающегося в ближайшем будущем, применение АЦ в бетонном секторе также возрастет.

ЛИТЕРАТУРА

1. Lea F.M., Hewlett P.C. Lea’s chemistry of cement and concrete, 4th ed. Oxford: Elservier Butterworth-Heinemann, 2004. 717 p.

2. Scrivener K.L. Calcium aluminate cements // LEA’S Chemistry of Cement and Concrete. 4th ed. London: Arnold, 1998. P. 709—778.

3. Sorrentino D., Sorrentino F., George C.M. Mechanisms of hydration of calcium aluminate cement // Materials Science of Concrete. Vol. IV. Amer. Ceram. Soc., Westerville, OH, 1995. P. 41—90.

4. Sand W., Dumas T., Marcdargent S. Accelerated biogenic sulfuric acid corrosion test for the evaluation of the performance of calcium aluminate based concrete in sewage applications // ASTM Special Publication. 1994. P. 234—249.