Разработка специальных видов цемента

Тема. Специальные цементы

ЛЕКЦИЯ № 6

Учебные вопросы:

Общие сведения о специальных цементах.
Основные свойства, технические требования и области применения:

а) сульфатостойких цементов;

б) глиноземистого цемента;

в) расширяющихся цементов;

г) декоративных цементов;

д) шлакощелочных вяжущих.

3. Понятие о ВНВ, алинитовом и бесалитовых цементах.

1. Общие сведения о специальных цементах

Специальные цементы – это цементы, которые обладают специальными техническими свойствами. Они широко используются в гражданском, промышленном и военном строительстве при производстве обычных и предварительно напряженных железобетонных конструкций.

Применение специальных цементов допускается только в случаях, когда они эффективны при определенном способе изготовления конструкций или необходимы по условиям их эксплуатации. В названии специального цемента отражается одно из его профилирующих свойств (сульфатостойкий, расширяющийся и т.п.) или назначение (декоративный и т.п.).

2. Основные свойства, технические требования и области применения

а) сульфатостойкие цементы: сульфатостойкие портландцемент, портландцемент с минеральными добавками, шлакопортландцемент и пуццолановый портландцемент.

При гидратации клинкерных минералов цемента алит выделяет гидроксид кальция, который хорошо растворяется в пресной воде (1,56 г/л при температуре 200С) и вымывается ею. Для связывания его в нерастворимое соединение применяют активные минеральные добавки АМД и гранулированные шлаки. АМД связывают гидроксид кальция в нерастворимые соединения по реакциям

Ca(OH)2 + SiO2 +nh3O = CaO·SiO2·(n+1)·h3O;

Al2O3·2SiO2 + Ca(OH)2 = CaO·Al2O3·2SiO2 + h3O.

В природной воде могут находиться в растворенном состоянии минералы, содержащие сульфаты, которые, соединяясь с трехкальциевым алюминатом, образуют эттрингит. Последний, увеличиваясь в объеме в 2 раза, разрушает затвердевший цементный камень.

Из сказанного выше явно, что цемент будет стойким к сульфатной коррозии и вымыванию гидроксида кальция, если уменьшить в нем содержание алита и трехкальциевого алюмината, т.е. определенным образом нормировать его состав.

Сульфатостойкий портландцемент получают измельчение портландцементого клинкера нормированного минералогического состава и гипса, добавляемого для регулирования сроков схватывания. Предусматривается выпуск сульфатостойкого портландцемента с минеральными добавками, существенно повышающими коррозионную стойкость, а также, по согласованию с потребителями, с пластифицирующими или гидрофобизирующими добавками в количестве не более 0,3%.

Таблица 1

Технические требования, предъявляемые к маркам и составу сульфатостойких портландцементов

Портландцемент	Марка цемента	Предел прочности через 28 сут, МПа, не менее	Содержание добавок, % от массы цемента	Минералогические состав, % по массе, не более
гранулированные доменные шлаки и т.п.	АМД осадочного происхождения	C3S	С3А	C3A+C1AF
при изгибе	при сжатии
Сульфатостойкий	400	5,4	39,2	Не допускается	50	5	22
Сульфатостойкий с минеральными добавками	400 500	5,4 5,9	39,2 49	10-20	5-10	Не нормируется	5 5	22 22

Рационально использовать для бетонных и железобетонных конструкций наружных зон гидротехнических и других сооружений, работающих в условиях сульфатной агрессии и в зоне переменного уровня воды.

Сульфатостойкий шлакопортландцемент должен соответствовать техническим требования, приведенным в табл. 2. Его изготавливают в отличие от шлакопортландемента, на основе клинкера сульфатостойкого цемента. Технология производства и остальные свойства не отличаются от шлакопортландцемента.

Таблица 2

studfiles.net

Союзцемент

Цемент, как и любой другой материал, различается по своим физико-техническим характеристикам - прочности, скорости твердения, срокам схватывания, а также в зависимости от того, в каких условиях предполагается его эксплуатация и области применения.

Условно цементы можно классифицировать на общестроительные (портландцемент, портландцемент с минеральными добавками и шлакопортландцемент) и специальные (все остальные цементы). О том, какой цемент и в каких областях строительства можно использовать, подскажут марки, которые в свою очередь регламентируются СНиП и ГОСТ.

Ассортимент цементов постоянно растет. Сегодня в России производится уже порядка 30 его видов. Перечислим наиболее распространенные из них:

Портландцемент (ПЦ)

Основной вид цемента, на долю которого сегодня приходится 99 % от всего производства, — это портландцемент. Портландцемент марок М600 и М550 применяется для бетонов класса В40. Такой цемент может использоваться в аварийно-восстановительных, реконструкционных работах. Однако поскольку цемент этих марок быстро твердеет, его не рекомендуется применять в строительстве монолитных бетонных и железобетонных конструкций. Портландцемент марок М500, М400, М300 используется соответственно для бетонов класса В25-В35, В15-В25, В10 и ниже. Такой цемент нельзя применять в строительстве и производстве металлоконструкций, которые подвергаются действию минерализованных вод с высокой степенью минерализации (где норма агрессивности воды значительно превышает норму агрессивности обычной среды).

Быстротвердеющий портландцемент (ПЦ-Б или БТЦ)

Отличие быстротвердеющего цемента от обычного портландцемента состоит в интенсивном темпе твердения на ранних сроках. Этот цемент достигает 70 % расчетной прочности 28-суточного возраста уже через трое суток. В этот период предел прочности при сжатии должен быть не менее 20–25 МПа. Такие свойства достигаются благодаря более тонкому помолу обычного клинкера, использованию клинкера определенного минералогического состава либо добавке активных минеральных веществ. Как показала практика, быстротвердеющими оказываются цементы, имеющие в своем составе не менее 60 % трехкальциевого алюмината и трехкальциевого силиката. Быстротвердеющий портландцемент используется для строительства при ограниченных временных рамках, при изготовлении железобетонных конструкций в заводских полигонных условиях. Он дает возможность отказаться от тепловлажностной обработки бетона. Выпускаемые марки — М400 и М500.

Особо быстротвердеющий высокопрочный портландцемент (ОБТЦ)

Интенсивность набора прочности у ОБТЦ еще выше, чем у быстротвердеющего цемента: на вторые сутки твердения он прочнее БТЦ на 25 %. Укладку бетона, изготовленного на основе этого цемента, нужно проводить очень быстро: срок его схватывания — от 5 до 30 мин. Особо быстротвердеющий высокопрочный цемент получают путем совместного помола клинкера быстротвердеющего портландцемента и хлористого кальция. Такой цемент используется для проведения ремонтных и восстановительных работ, при бетонировании в холодных условиях, а также в производстве сборных железобетонных конструкций. В настоящее время создан также сверхбыстротвердеющий цемент (СБТЦ). Интенсивное нарастание прочности в нем фиксируется уже на первые сутки твердения. Выпускаемые марки — М600 и выше.

Нормированный портландцемент

Раньше этот вид цемента называли «дорожный», поскольку применялся он преимущественно в строительстве дорог и аэродромных покрытий. Сегодня сфера использования данного цемента распространяется также на производство железобетонных напорных и безнапорных труб, железобетонных шпал, мостовых конструкций, стоек опор высоковольтных линий злектропередач — там, где требуется высокая долговечность, морозо- и водостойкость, где предъявляются высокие требования к истираемости. Для того чтобы получить нормированный портландцемент, нужен клинкер, в составе которого содержание трехкальциевого алюминатасоставляет не более 10 %.

Пластифицированный портландцемент (ППЦ)

Этот цемент характеризуется повышенной пластичностью, удобоукладываемостью, морозостойкостью. Данные свойства достигаются путем введения во время помола клинкера пластифицирующей поверхностно-активной добавки. Этот цемент прекрасно подходит для изготовления бетонов, предназначенных для использования в дорожном, гидротехническом строительстве, для тампонажа скважин нефти и газа. Однако этот цемент нельзя применять там, где есть вероятность воздействия минерализованных вод. Выпускаемые марки — М300, М400, М500.

Гидрофобный портландцемент (ГФЦ)

Гидрофобный (водоотталкивающий) портландцемент отличается пониженной гигроскопичностью (он не должен впитывать воду на протяжении 5 мин). Получается такой цемент путем совместного — с портландцементным клинкером, гипсом и гидрофобной добавкой — измельчения. В качестве добавки могут выступать асидол, асидол-мылонафт, мылонафт, олеиновая кислота, вводимые в количестве 0,06–0,3 % от массы цемента в пересчете на сухое вещество. Благодаря этим добавкам на зернах цемента появляется очень тонкая водоотталкивающая пленка, которая и обеспечивает гидрофобность. Гидрофобный цемент — один из очень немногих, который может храниться больше года без потери потребительских качеств, даже во влажных условиях. Его можно транспортировать на дальние расстояния, не боясь, что гранулы начнут слипаться и превращаться в цементный камень. Выпускаемые марки — М400, М500, М550 и М600.

Сульфатостойкий портландцемент (СПЦ)

Специальный цемент, основное назначение которого — дать возможность конструкциям противостоять агрессивному воздействию минерализованных сульфатных вод (например, морской воды). Конструкции с применением сульфатостойкого портландцемента также обладают повышенной стойкостью против попеременного замораживания-оттаивания или увлажнения-высыхания, что делает его незаменимым при строительстве мостов, свай, молов. Для того чтобы получить сульфатостойкий цемент, нужно строго придерживаться формулы: не более 50 % трехкальциевого силиката, значительное снижение трехкальциевого алюмината — до 5 % и 22 % четырехкальциевого алюмоферрита

Тампонажный портландцемент (ТПЦ)

Главная цель тампонажного портландцемента — тампонирование нефтяных и газовых скважин для того, чтобы изолировать их от грунтовых вод. Требования к цементу очень строгие: поступая в скважину на глубину несколько сотен метров, цемент должен оставаться жидким (содержание воды в растворе до 50 % от массы цемента). Как только тампонирование закончилось, цементу нужно очень быстро набрать прочность, поэтому сроки его схватывания — от 2 до 10 ч (в каждом случае с учетом температуры и давления устанавливаются конкретные сроки схватывания).

Учитывая, что больше всего на схватывание влияет температура, выпускается два вида тампонажного портландцемента — для холодных и горячих скважин. Кроме них производятся еще несколько специальных видов тампонажного портландцемента - солестойкий, утяжеленный, белитокремнеземистый, облегченный, волокнистый. Их используют, например, для работы в глубоких скважинах при высоком давлении.

Шлакопортландцемент (ШПЦ)

Шлакопортландцемент получают в результате совместного помола обычного портландцемента, доменного гранулированного шлака (от 30 до 60 % от общей массы) и гипса. Этот цемент имеет показатель замедленного нарастания прочности на начальном этапе, но постепенно, к году, показатель сравнивается с показателем прочности в этот период у обычного портландцемента. Применяется для возведения конструкций гидротехнических сооружений.

Известковошлаковый цемент (ИШЦ)

Этот вид цемента используется для низкомарочных бетонов, а также в растворах для кладки и штукатурки. Получается в результате совместного размола извести и доменных шлаков. Допускается добавка гипса 5 % и портландцемента 10–20 %. Известковошлаковый цемент устойчив к опасному воздействию сульфатной среды.

Быстротвердеющий шлакопортландцемент (ШПЦ-Б)

Характеристики ШПЦ-Б — большая морозостойкость, устойчивость против воздействия проточных и агрессивных вод. Служит для изготовления сборных железобетонных конструкций с тепловлажностной обработкой.

Пуццолановый портландцемент (ППЦ)

Пуццолановый портландцемент получается в результате совместного тонкого помола клинкера портландцемента, гипса и активной минеральной добавки (пемзы, туфа, пепла, трасс), а также добавки осадочного происхождения (трепела, опока, диатомита). Свойства пуццоланового портландцемента: высокая сцепляемость с арматурой железобетона, удобство в обработке, превосходная связующая способность. Он прекрасно застывает в воде и влажных условиях, чем обосновано его основное использование — в гидротехнике: при возведении шлюзов, плотин, каналов, речных портов, а также в строительстве водопроводных и поземных сооружений, плавательных бассейнов, т. е. тех конструкций и сооружений, которым необходима повышенная водостойкость и водонепроницаемость. Следует помнить, что при сухой погоде твердение бетонов на пуццолановом цементе практически прекращается, поэтому в ранний период набора прочности их надо периодически увлажнять. Также пуццолановый портландцемент имеет небольшую морозостойкость: при температуре около 0º С он прекращает твердеть, в связи с чем работать с ним нужно в теплое время года.

Глиноземистый цемент (ГЦ)

Глиноземистый цемент отличается повышенной плотностью, высокой устойчивостью против сульфатных, хлористых, углекислых и других минерализованных вод, быстрым нарастанием прочности на ранних сроках в воде и на воздухе (через сутки прочность достигает 80–90 % от заданной), повышенной термо- и огнестойкостью. Если глиноземистый цемент соединить с огнеупорными заполнителями (шамотом, хромитовой рудой, магнезитом), его можно использовать для получения гидравлически твердеющих огнеупорных растворов и бетонов. Немногочисленные минусы: глиноземистый цемент нельзя подвергать тепловлажностной обработке, его также следует беречь от раствора щелочей. Глиноземистый цемент в 3–4 раза дороже портландцемента, поэтому его используют лишь тогда, когда это экономически обосновано. Этот цемент получают в процессе обжига и последующего помола смесей, богатых глиноземом (сырьем могут быть, например, бокситы), вместе с известняком. Содержит в основном низкоосновные алюминаты кальция, обеспечивающие быстрое твердение цемента. Его максимальная прочность, превышающая на 50 % марочную, достигается к первому и третьему годам твердения. В глиноземистом цементе в отличие от обычного портландцемента нет ни гипса, ни минеральных добавок. Он имеет серо-зеленый, черный или коричневый цвет. Все свойства глиноземистого цемента еще активнее проявляются в высокоглиноземистом цементе (ВГЦ). Он огнеупорен, стоек в агрессивных средах, набирает прочность за короткое время. Его использование в составе жаропрочных бетонов в металлургии позволяет исключить взаимодействие футеровки с расплавленным металлом.

Расширяющиеся цементы

Этот класс цементов объединяет одна специфическая особенность: они расширяются, когда происходят процессы схватывания и твердения. Объяснение этому явлению — в химической реакции взаимодействия исходных компонентов, при которой на определенной стадии твердения цементного камня кристаллы гидросульфоалюмината кальция начинают быстро расти и расширяться. Сегодня выпускается несколько видов расширяющихся цементов, которые отличаются по составу и строительно-техническим свойствам.

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент (ГГРЦ)

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент незаменим в производстве безусадочных и расширяющихся водонепроницаемых бетонов и гидроизоляционных штукатурок. Из него делают емкости для хранения жидкого топлива, при строительстве метрополитенов он обеспечивает водонепроницаемость тоннелей. В гипсоглиноземистом расширяющемся цементе соотношение глиноземистых доменных шлаков и гипсового камня составляет 70% и 30% соответственно. Такое соотношение обеспечивает прочность, долговечность, морозоустойчивость, сульфатостойкость. В воде, затвердевая, этот цемент становится безусадочным, а на воздухе дает усадку в 1,5–2 раза меньше, чем глиноземистый цемент.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ)

Этот цемент используется для гидроизоляции резервуаров, шлюзов, трубопроводов, туннелей, а также для обеспечения водонепроницаемости стыков и трещин в железобетонных конструкциях. Его получают в результате совместного помола и тщательного смешивания глиноземистого цемента, гипса и высокоосновного гидроалюмината кальция в соотношении 70%, 20% и 10% соответственно. Химический состав водонепроницаемого расширяющегося цемента обеспечивает начало схватывания уже в течение 4-10 мин с момента затворения, что позволяет отнести его к быстротвердеющим.

Водонепроницаемый безусадочный цемент (ВБЦ)

Это самый популярный цемент в технике торкретирования. С его помощью создают торкретный слой на поверхности гидротехнических сооружений. Благодаря комбинации глиноземистого цемента, гипса, гидроалюмината кальция в соотношении 75:7:18, обеспечивается еще более быстрое схватывание, чем у водонепроницаемого расширяющегося цемента.

Напрягающий цемент (НЦ)

Напрягающий цемент используется в строительстве мостов, тоннелей, очистных сооружений, бетонных труб, в сталелитейной промышленности и нефтегазовой отрасли - везде, где необходима повышенная газо-, паро- и водонепроницаемость. >Этот цемент устойчив даже к сильным морозам и очень прочный: уже через сутки выдерживает давление не менее 15 МПа, а через 28 суток — 50 МПа. Такие характеристики обеспечиваются наличием в составе цемента алюминатов, которые приводят к увеличению объема при твердении и создают в процессе расширения предварительное напряжение в арматуре. Напрягающий цемент подразделяется на НЦ-10 (безусадочный цемент), НЦ-20 (цемент с малой энергией самонапряжения), НЦ-40 (цемент со средней энергией самонапряжения), НЦ-60 (цемент с высокой энергией самонапряжения).

Портландцемент для изготовления асбестоцементных изделий

Строительный материал из затвердевшего цементного камня, армированного волокнами асбеста, называется асбестоцементом. Изделия из него теплостойки, прочны, маловодопроницаемы и малотеплопроводны. По истечении определенного времени изделия из асбестоцемента становятся еще прочнее. Однако слабое место у них все же есть — это недостаточное сопротивление ударам.

Белый цемент (БЦ)

Белый цемент открыл перед скульпторами и строителями новые возможности: он великолепен в фасадных работах, в создании колонн, скульптур, декоративного дорожного покрытия, в качестве основы для цветных цементов. Для белого цемента специально добывают известняки и глину с минимальными показателями красящих оксидов железа, марганца или титана, а чтобы получить еще большую белизну, клинкер на выходе из обжигающей печи резко охлаждают. Белый цемент бывает трех марок — М300, М400 и М500, а по степени белизны — трех сортов: высший, БЦ-1 и БЦ-2.

Цветной цемент

Цветные цементы, как и белый, находят широкое применение в строительстве и архитектуре. Изделиями из них выкладывают площади, украшают стены, используют растворы для отделочных работ. Для того чтобы получить цветной цемент, нужно к клинкеру белого цемента добавить красящие пигменты, а затем измельчить в мельнице. Так, желтый цвет получается при добавлении охры, зеленый — окиси хрома, коричневый — умбры, черный — сажи, синий — ультрамарина.

Портландцемент с умеренной экзотермией

Этот вид портландцемента используется для изготовления бетонных и железобетонных конструкций, наружных зон гидротехнических массивных сооружений, предназначенных для сред с условиями систематического замораживания и оттаивания, в пресной или слегка минерализованной воде. Портландцемент с умеренной экзотермией отличается от обычного более низкой теплотой гидратации в условиях повышенной сульфатостойкости.

www.soyuzcement.ru

GardenWeb

Категория: Выбор стройматериалов

Глиноземистый цемент — это особо быстротвердею- щий высокопрочный цемент, получаемый обжигом и последующим тонким помолом сырьевой смеси известняков СаС03 и бокситов А1203. В состав глиноземистого цемента входят только алюминаты кальция.

Марки глиноземистого цемента 400, 500 и 600. Марочную прочность он достигает через трое суток твердения, набирая в первые сутки более 50% марочной прочности. При этом сроки схватывания глиноземистого цемента почти такие же, как у портландцемента: начало схватывания не ранее 30 мин, конец схватывания не позднее 12 ч.

Глиноземистый цемент при твердении выделяет много теплоты. Но нагрев свыше 25…30°С во время твердения сильно снижает его прочность (до 50%), поэтому его нельзя применять для бетонирования массивных конструкций особенно в условиях жаркого климата. Однако после полного затвердевания может выдерживать нагрев до 900 °С и поэтому его применяют для жаростойких бетонов. Глиноземистый цемент более коррозионностоек, чем портландцемент. Широкое применение глиноземистого цемента ограничивается его высокой стоимостью: в шесть раз выше, чем у портландцемента. Используют его для ремонтных и срочных работ и работ в зимнее время.

Смешивать глиноземистый цемент и портландцемент нельзя, так как может произойти полное разрушение такого смешанного вяжущего во время твердения.

Расширяющиеся и безусадочные цементы. Большинство цементов при твердении уменьшается в объеме. В некоторых случаях от вяжущих требуется, чтобы они расширялись или хотя бы не давали усадки (например, для получения водонепроницаемых бетонных покрытий или заделки стыков сборных конструкций). В настоящее время разработано много видов расширяющихся и безусадочных цементов. В основе механизма расширения лежит образование в твердеющем цементе сложных соединений (гидросульфо- алюминатов кальция), связывающих большое количество воды и за счет этого увеличивающих объем всей твердеющей системы. Наиболее широко распространены гипсоглинозе- мистый расширяющийся цемент и расширяющийся портландцемент.

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент при влажном твердении через сутки увеличивается в размерах до 0,15%, а к 28-м суткам до 1%; при твердении на воздухе не дает усадки. Сроки схватывания: начало не ранее 20 мин, а конец не позднее 4 ч.

Расширяющийся портландцемент получают совместным тонким помолом портландцементного клинкера, высокоглиноземистого шлака, гипса и доменного гранулированного шлака. Объемное расширение этого цемента 0,5…1%; скорость твердения выше, чем у обычного портландцемента.

Кислотоупорный цемент. Для облицовочных работ в конструкциях, подвергающихся воздействию кислот, в качестве вяжущего применяют специальный кислотоупорный цемент. Основной компонент этого цемента — жидкое стекло. Жидкое стекло, кроме того, используют как связующее в силикатных красках, клеящих составах, кислотоупорных замазках.

Жидкое стекло — водный раствор силиката натрия (Na20-nSi02) или калия (K20-nSi02). В зависимости от вида силиката его называют натриевым и калиевым жидким стеклом. Качество жидкого стекла характеризуется двумя показателями — модулем и плотностью. Модуль жидкого стекла — отношение количества оксида кремния к оксиду металла. Чем больше модуль, тем выше качество стекла. Для строительных целей используют обычно натриевое жидкое стекло модулем 2,5…3,0 (калиевое, имеющее модуль 3…4, применяют реже — главным образом в силикатных красках). Плотность жидкого стекла обычно 1300…1500 кг/м3 характеризует его концентрацию.

Силикат натрия (или калия) получают, сплавляя кварцевый песок (Si02) с содой (Na2C03) или поташем (К2С03) в стекловаренных печах. Расплав при охлаждении распадается на прозрачные хрупкие куски растворимого стекла, называемого «силикат-глыба». Их растворяют в воде при температуре 120…150°С в автоклавах. При этом образуется густая желто- или коричневато-зеленая жидкость — жидкое стекло.

Твердение жидкого стекла идет по мере испарения воды, при этом у натриевого жидкого стекла могут появиться белые высолы соды (Na2C03). Ускорить процесс твердения и изменить его химические свойства в сторону образования водонерастворимых продуктов можно добавкой кремнефто- ристого натрия (Na2SiF„). Взаимодействуя с жидким стеклом, кремнефтористый натрий образует водонерастворимый фторид натрия (NaF) и гидроксид кремния (Si02-яН20). На этой реакции основано твердение кислотоупорного цемента.

Кислотоупорный цемент — смесь тонкомолотого кислотоупорного порошка (обычно молотого кварцевого песка) с небольшим количеством (4…14%) кремнефтористого натрия. Цемент затворяют жидким стеклом плотностью 1360…1380 кг/м3 и модулем 2,8…3,0. Схватывается кислотоупорный цемент быстро: начало схватывания в зависимости от содержания кремнефтористого натрия наступает через 20…60 мин. Для твердения цемента необходимы воз- душно-сухие условия и положительная температура. Через 28 сут прочность цемента при растяжении должна быть не менее 2 МПа.

Растворы на кислотоупорном цементе используют для футеровки химических аппаратов, укладки кислотостойких полов и т. п. Необходимо помнить, что кремнефтористый натрий — ядовитое вещество. Поэтому, работая с кислотоупорным цементом, необходимо строго соблюдать требования техники безопасности, избегая попадания порошка цемента в дыхательные пути и на слизистые оболочки.

Кроме портландцемента и его разновидностей к числу гидравлических вяжущих относятся еще ряд специальных цементов, а также смешанное вяжущее — гипсоцементно-пуццолановое. Для строительных конструкций, работающих в условиях воздействия кислот (химические заводы и т. п.), используют кислотоупорный цемент.

Глиноземистый цемент — особо быстротвердеющий высокопрочный цемент, получаемый обжигом и последующим тонким помолом сырьевой смеси, состоящей из известняков СаСОз и бокситов А1203. Поэтому в состав глиноземистого цемента входят только алюминаты кальция.

Марки глиноземистого цемента 400, 500 и 600. Марочной прочности он достигает через трое суток твердения, набирая в первые 24 ч более 50 % марочной прочности, при этом сроки схватывания почти такие же, как у портландцемента: начало схватывания не ранее 30 мин, конец схватывания не позднее 12 ч.

Глиноземистый цемент при твердении выделяет много теплоты. Но нагрев свыше 25…30 °С во время твердения сильно снижает его прочность (до 50 %), поэтому его нельзя применять для бетонирования массивных конструкций особенно в условиях жаркого климата. Однако после полного затвердевания он может выдерживать нагрев до 900 °С и поэтому его применяют для жаростойких бетонов. Глиноземистый цемент более коррозионностоек, чем портландцемент. Широкое применение глиноземистого цемента ограничивается его высокой стоимостью: в шесть раз выше, чем у портландцемента. Используют его для ремонтных и срочных работ и работ в зимнее время.

Расширяющиеся и безусадочные цементы. Большинство цементов при твердении уменьшаются в объеме. В некоторых случаях от вяжущих требуется, чтобы они расширялись или хотя бы не давали усадки (например, это необходимо для получения водонепроницаемых бетонных покрытий или заделки стыков сборных конструкций). В настоящее время разработано много видов расширяющихся и безусадочных цементов. В основе механизма расширения лежит образование в твердеющем цементе сложных соединений (гидросульфоалюминатов кальция), связывающих большое количество воды и за счет этого увеличивающих объем всей твердеющей системы. Наиболее широко распространены гипсоглиноземистый расширяющийся цемент и расширяющийся портландцемент.

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент при влажном твердении через сутки увеличивается в размерах до 0,15 %, а к 28 сут — до 1 %; при твердении на воздухе не дает усадки. Сроки схватывания: начало не ранее 20 мин, а конец не позднее 4 ч.

Расширяющийся портландцемент получают совместным тонким помолом портландцементного клинкера, высокоглиноземистого шлака, гипса и доменного гранулированного шлака. Объемное расширение этого цемента 0,5… 1 %, скорость твердения выше, чем у обычного портландцемента.

Гипсоцементно-пуццолановое вяжущее (ГЦПВ) изготовляют, смешивая строительный гипс (50…70 мае. ч.), портландцемент (15…25 мае. ч.), активную минеральную («пуццолановую») добавку (10…25 мае. ч.). Сроки схватывания таких вяжущих близки к срокам схватывания гипса; они довольно быстро твердеют: через 2…3 ч их прочность при сжатии 10…15 МПа, а через 10…15 сут — 30… 40 МПа. Прочность ГЦПВ набирают только во влажном состоянии.

Применяют ГЦПВ для изготовления санитарно-тех-нических кабин, блоков вентиляционных каналов, блоков и панелей стен жилых и общественных зданий в сельском строительстве.

Кислотоупорный цемент представляет собой смесь измельченного кварцевого песка с кремнефтористым натрием, затворяемую жидким стеклом.

Жидкое стекло — водный раствор силиката натрия (реже калия), известный в быту под названием «силикатный клей» — получают, сплавляя сульфат натрия с кварцевым песком и растворяя получившийся стеклообразный продукт в горячей воде.

Смесь жидкого стекла с кремнефтористым натрием в результате физико-химических процессов, протекающих между компонентами, постепенно затвердевает и превращается в камень, стойкий по отношению к минеральным и органическим кислотам. Молотый песок служит кислотостойким микронаполнителем в этом вяжущем.

Сроки схватывания кислотоупорного цемента: начало не ранее 30 мин, конец не позднее 6 ч. Для получения максимальной прочности и кислотостойкости материалы из кислотоупорного цемента обрабатывают кислотой. В воде кислотоупорный цемент разрушается.

Кислотоупорный цемент применяют для кладки кислотоупорных конструкций в химической промышленности.

Выбор стройматериалов - Специальные виды цемента

gardenweb.ru

Специальные тампонажные цементы

У цементов для «холодных» и «горячих» скважин при испытании по стандартной методике при хранении заметно снижались прочностные показатели. Был разработан способ устранения этих явлений путем введения в состав цемента при его помоле добавки триэтаноламина, что позволило создать специальный вид цемента. Низкогигроскопичный тампонажный портландцемент является разновидностью тампонажного портландцемента и характеризуется тем, что не теряет прочности при длительном хранении. Такой портландцемент получают путем Совместного измельчения клинкера, гипса и 0,025—0,05 поверхностно-активной добавки триэтаноламина. В остальном он не отличается от тампонажного портландцемента и удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ним ГОСТом. Белитокремнеземистый цемент (БКЦ) предназначен для цементирования высокотемпературных нефтяных и газовых скважин. Он разработан в НИИЦементе С. М. Рояком и А. М. Дмитриевым. Ими было установлено, что для получения прочного, газонепроницаемого и устойчивого цементного камня необходимо, чтобы он содержал преимущественно низкоосновные гидросиликаты кальция серии CSH(B). Качественный цемент для этих условий на основе портландцементпого клинкера получить нельзя. БКЦ — безобжиговое гидравлическое вяжущее, получаемое путем совместного тонкого измельчения высушенного белитового компонента и кварцевого песка или тщательным смешиванием тех же материалов, измельченных раздельно. Белнтовый компонент является отходом, получаемым при производстве глинозема из нефелиновых пород. Он должен содержать не менее 80% P-C2S. В составе белитового компонента может быть не более 2,5% щелочей, количество ангидрида серной кислоты не должно превышать 0,5%. Состав цемента в зависимости от температуры в скважине может изменяться: содержание белитового компонента колеблется от 30 до 70%, а кварцевого песка соответственно от 70 до 30%. Можно вводить в цемент добавку измельченной бентонитовой глины. Тонкость помола цемента характеризуется удельной поверхностью 3500—5500 см2/г. При раздельном помоле кварцевого песка и белитового компонента удельная поверхность в зависимости от их соотношения в цементе должна составлять: белитового компонента 3000—5000 см2/г кварцевого песка 2000—3000 см2,г Растекаемость цементного теста с определенным количеством пресной воды, измеряемая с помощью прибора-конуса, должна быть не менее 180 мм. Сроки схватывания цементного теста должны составлять: начало — не ранее 1 ч 45 мин, конец — не позднее 10 ч. Для ускорения схватывания БКЦ при цементировании скважин в интервале температур 363—403 К в цементный раствор вводят кальцинированную соду (ориентировочно 1—5%), количество которой уточняют пробными затворениями на месте применения. Если необходимо замедлить схватывание, то это может быть достигнуто введением с водой затворения добавки монохромата натрия, количество которого уточняется пробными затворениями на месте применения. Этот цемент получают, смешивая молотый гранулированный доменный шлак и кварцевый песок определенной крупности С добавками некоторых веществ. Цемент успешно используют для цементирования нефтяных южных районов.

Солестойкие тампонажные портландцементы. Проблема повышения стойкости тампонажных цементов для службы в минерализованных пластовых водах наших нефтяных месторождений усложнялась тем, что воды эти содержат различное количество солей, сульфатов, хлоридов, сероводорода и др. и в подавляющей своей части вызывают коррозию, особенно, когда они начинают действовать на цемент в начале его твердения. Кроме того, невозможность извлечения и исследования цементного камня из скважин не позволила всесторонне изучать эти виды коррозии.

При изучении влияния добавок в цементе на его солестойкость было показано, что тонкоизмельченнын кварцевый песок при 348 К гидравлически активен и химически связывает в течение месяца (при определении по стандартной методике) гидроксид кальция в количестве до 160 мг СаО на 1 г песка. Это Свидетельствует о положительном его влиянии на цемент, так как повышается его солестойкость. Было установлено также, что низкоалюминатные тампонажные цементы, содержащие обычно около 55% C3S, будут иметь удовлетворительную стойкость при твердении в минерализованных пластовых водах, если вводить в их состав при помоле 20—35% кварцевого песка. Солестойкими также будут шлакопортландцемент с 35—50% шлака с пониженным количеством С3А в клинкере и Аl2O3 в шлаке, а также содержащий не более 20% активной минеральной добавки.

Портландцемент тампонажный песчанистый получают совместным тонким измельчением клинкера тампонажного портландцемента, кварцевого песка и гипса или тщательным смешением стандартного тампонажно-го цемента с предварительно измельченным кварцевым песком. Выпускается такой песчанистый портландцемент для тампонирования «холодных» и «горячих» скважин. Содержание кварцевого песка в тампо-нажном песчанистом портландцементе для «холодных» скважин должно составлять не менее 20%, для «горячих» — не более 50%.

Утяжеленный тампонажный портландцемент. Проводка скважин в сложных условиях при высоких пластовых давлениях осуществляется с помощью так называемых утяжеленных глинистых растворов. Плотность этих растворов достигает 2,0—2,25 г/см3. Для доброкачественного цементирования в таких условиях необходимо, чтобы плотность цементного раствора, применяемого для производства тампонажных работ, превышала плотность глинистого раствора, применявшегося при бурении скважины на 0,25—0,30 кг/м3. Цементные растворы с такой плотностью используют для того, чтобы обеспечить более полное вытеснение из затрубного пространства тяжелого глинистого раствора. Достаточная полнота и хорошее качество цементирования обеспечивают надежное крепление и изоляцию скважины от прорыва пластовых вод или других осложнений. В этих условиях рекомендуется использовать утяжеленный тампонажный портландцемент, получаемый путем совместного тонкого измельчения 50—60% цементного клинкера с добавкой гипса и не более 70% утяжеляющей добавки — железной руды в виде магнетита, гематита, тяжелого шпата со средней плотностью не менее 3,5 кг/м3. Возможно предварительное измельчение компонентов с последующим их смешиванием. Испытывают этот цемент с определенным количеством воды при стандартной растекаемости цементного теста. Предел прочности такого цемента при изгибе через 2 сут не менее 1,0 МПа для холодных и 2,0 МПа для горячих скважин.

Волокнистый тампонажный портландцемент. Как уже говорилось, при проходке скважин наблюдается иногда «уход» глинистого или цементного раствора. Разработаны специальные цементы, надежно закрывающие пути ухода глинистого или цементного раствора при капитальном ремонте скважин и предотвращающие поглощение тампонажного раствора трещиноватыми или дренированными пластами.

Волокнистые цементы представляют собой тщательно смешанный готовый тампонажный цемент с волокнистыми добавками (асбестом и некоторыми отходами производства текстильной, целлюлозной промышленности и пр.), вводимыми в количестве 2—3%. Наличие в цементе волокнистой добавки способствует быстрому образованию на стенках скважины сетчатых, каркасных пленок или тампонов по сечению трещин, вокруг которых накапливается и уплотняется цементный раствор, закрывающий все имеющиеся неплотности. В результате образуется плотная, хорошо скрепляющаяся с поверхностью цементная корка, надежно закрывающая мелкие трещины и другие дренажные каналы. Образующаяся волокнистая пленка препятствует также проникновению в пласт излишнего количества цемента.

Гельцемент — разновидность тампонажного цемента, получаемого путем совместного помола тампонажного портландцемента с добавкой 3—7% бентонитовой глины. Можно получать этот цемент путем смешения раздельно измельченных компонентов. Технические условия на этот цемент разрабатываются. Гельцементный раствор обладает повышенной пластичностью и характеризуется большим углом естественного откоса, пониженным водоотделением, пониженной усадкой, что дает возможность регулировать плотность цементного раствора. Добавка бентонитовой глины в тампонажный портландцемент — эффективный способ улучшения ряда свойств цемента. Опыты показали, что эта добавка позволяет повысить трещиноустойчивость цемента при сохранении необходимой прочности на растяжение.

Бентонитовые глины добавляют в цементы не только для получения затвердевшего цементного камня, который не будет крошиться во время перфорации, но и для того, чтобы свести к минимуму осаждение твердых частиц, уменьшить водоотделение и повысить среднюю плотность затвердевшего цемента. Применение этих глин позволяет также значительно увеличить выход тампонажного раствора из данного количества цемента, поскольку бентонит позволяет добавлять больше воды в раствор. В скважинах, которым грозит «потеря циркуляции», т. е. уход глинистого раствора или цемента под действием гидростатического давления в пласты пород, гельцемент, дающий облегченный цементный раствор, имеет определенное преимущество перед обычным тяжелым цементным раствором. Часто совместно с бентонитовой глиной в состав цемента или раствора вводят до 0,5—0,75% СДБ для регулирования сроков схватывания раствора.

Облегченный тампонажный портландцемент. Во многих районах бурение нефтяных и газовых скважин ведется на глубину более 3500—4000 м. В связи с этим возникает необходимость поднимать цементный раствор за обсадными трубами на значительную высоту (более 2000 м). В этих условиях необходимы облегченные цементные растворы. Тампонажный облегченный портландцемент получают путем совместного помола тампонажного портландцементного клинкера, «облегчающей» добавки, и гипса или путем тщательного смешивания тех же материалов, но раздельно измельченных. Содержание клинкера в цементе должно быть не менее 30% по массе. Выпускается облегченный тампонажный портландцемент для «холодных» и «горячих» скважин.

Облегчающими служат активные минеральные добавки (пемза, диатомит, опока, трепел и др.). Кроме того, цемент на месте потребления смешивается с добавками глины, пористых неорганических материалов (перлита, керамзита), углеродистых материалов, гильсонита, нефтяного кокса и др. Эти добавки характеризуются меньшей плотностью и высокой водопотребностью, что вызывает необходимость повышать содержание воды в растворе и понижать его плотность до 1,5 г/см3. Разработан песчанисто-трепельный портландцемент, позволяющий получать цементный раствор с плотностью 1,5—1,6 г/см3. Растекаемость цементной пульпы (теста) при подобранном количестве воды должна быть не менее 180 мм; коэффициент водоотделения теста не должен превышать 2,5%. Начало схватывания наступает в обычные сроки как у стандартизованных тампонажных портландцементов. Расширяющийся тампонажный цемент для цементирования газовых скважин. При бурении, а также в процессе эксплуатации газовых скважин наблюдаются иногда затрубные прорывы газа, часто вызывающие образование открытых газовых фонтанов. Считают, что прорывы газа происходят через зазоры, образующиеся преимущественно на контакте цементного камня с обсадными трубами и стенками скважины в результате усадочных явлений, присущих портландцементным растворам. Этот цемент получают путем применения в качестве расширяющегося компонента в цементе добавки до 15% активного (каустического) оксида магния, гидратация которого вызывает заметное увеличение объема цементного камня. В зависимости от дозировки оксида магния и тонкости помола цемент при твердении может расшириться до 0,1—2,0%. Большое значение имеет технология измельчения расширяющегося цемента, которое может осуществляться путем совместного или раздельного помола клинкера и оксида магния. При изготовлении цемента для цементированных холодных скважин может быть использован клинкер обыкновенного тампонажного цемента, а клинкер для цементирования горячих скважин должен содержать не более 6% трехкаль-цневого алюмината. Расширяющиеся тампонажные цементы характеризуются меньшими водоотделением, тепловыделением, контракцией и газопроницаемостью при несколько повышенной стойкости в агрессивных средах. Эти цементы успешно применяли для цементирования более десятка различных газовых и нефтяных скважин. Предложен портландцемент с воздухововлекающими добавками, из которого получается менее хрупкий затвердевший раствор. Воздухоудерживающий цемент обладает также повышенной текучестью и лучше слепляется с породой. Во время схватывания цементного раствора из-за повышения его температуры происходит расширение и увеличение объема вовлеченного воздуха, что приводит к вдавливанию раствора в поры породы. Разработан также состав цементов для цементирования нефтяных скважин в солевых отложениях. Кроме указанных специальных видов цемента, на одном из нефтяных месторождений применялась добавка до 15% глиноземистого либо гипсоглино-земистого цемента к тампонажному портландцементу. Цементный раствор быстро схватывался. Его использование позволило прекратить катастрофический уход глинистого раствора и надежно изолировать нефтеносные пласты от водоносных горизонтов. По ГОСТ регламентированы свойства указанных основных видов цемента для холодных и горячих скважин и на их основе следующих разновидностей цементов, содержащих стандартизованные добавки: 1. Утяжеленный, состоящий не более чем из 70% любого материала со средней плотностью не менее 3,5-10 кг/м3. 2. Песчанистый, содержащий не менее 20 и не более 50% кварцевого песка. 3. Солестойкий, включающий гранулированного, доменного или электротермофосфорного шлака не менее 35 и не более 50% либо активных минеральных добавок не более 20% или кварцевого песка не менее 20 и не более 35%. Этот цемент должен содержать кроме минеральных добавок жидкое стекло не менее 1,0 и не более 2,5% в пересчете на сухое вещество. 4. Низкогигроскопичный с содержанием 0,025—0,05% триэтаноламина при соответствующем для там-понажного портландцемента количестве минеральных добавок. Для цемента соответствующей разновидности установлены определенные сроки начала и конца схватывания; показатели предела прочности при изгибе 1,0— 2,7 МП а через 5 сут для цементов, предназначенных для «холодных» скважин, и 1,5—4,0 МПа — для цементов для «горячих» скважин через 1—2 сут. В США выпускается семь классов (по их классификации) обычных и сульфатостойких тампонажных цементов. Значительное взимание уделяется также применению для этих целей обычных портландцементов с различными добавками, такими, как замедлители и ускорители схватывания и твердения, облегчители и утяжелители для регулирования плотности, органические добавки — латекс, пластические массы, смолы и др. Изготовляют нефтецементные растворы, затвердевающие при взаимодействии с водой в скважине и обладающие высокой газо- и водонепроницаемостью, цементы, затворяемые на водонефтяных эмульсиях и др. Цементные растворы, содержащие жидкий латекс и поверхностно-активное вещество, отличаются высокими вяжущими свойствами при сцеплении с поверхностями, покрытыми нефтяным слоем. В затвердевшем состоянии они менее хрупки, чем обычные и обладают высокими упругопластическими свойствами, что крайне важно для предупреждения образования трещин при перфорации, и дают меньшую усадку. В качестве замедлителей схватывания рекомендованы добавки декстрина, крахмала, ржаной муки, а также казеина. Применяется и небольшая добавка, состоящая из смеси борной кислоты, буры и гуммиарабика. Предложены также добавки винной кислоты, сахара, гексаметафосфата натрия, растворенных в едком натрии, гуминовои, галловой, лигниновои и других органических кислот. Считается целесообразным использование в качестве замедлителя натриевой соли карбоксиметиловой целлюлозы.

Для уменьшения водоотделения применяют, главным образом, добавки бентонитовой глины, а для уменьшения плотности цементного раствора — комбинированную добавку, состоящую из бентонита и перлита. Большое внимание уделяется пуццолановым тампонажным цементам, обладающим высокой солестойкостью, крайне необходимыми для качественной перфорации пластическими свойствами и высокой плотностью цементного камня. Применение повышенной добавки бентонитовых глин в цементы в количестве до 25% значительно улучшает специальные свойства цементных растворов.

betony.ru