Регулирование свойств цементных растворов

Промывочные тампонажные растворы

Нефтяная скважина — это горная выработка округлого сечения, предназначенная для получения и транспортирования углеводородного полуфабриката из недр. Тампонажный промывочный раствор применяется в бурении для достижения увеличения срока функциональной пригодности скважины, наряду с технологическим процессом разобщения пластов обсадными колоннами.

Цементирование (тампонаж) нефтяной скважины

По мере увеличения глубины скважины требуется проводить цикл работ по укреплению стволового пути, включающий спуск обсадной колонны и тампонаж затрубного сектора. Так как в качестве тампонажного промывочного раствора обычно (но не всегда) применяются рабочие жидкости, содержащие цемент, этот технологический прием получил дублирующее название «цементирование скважины». Для дальнейшей успешной эксплуатации скважины процесс укрепления стенок цементированием и, в частности, качество образующегося цементного камня, играет первостепенную роль. Состав тампонажных промывочных растворов должен обеспечить:

• безпустотное, сплошное заполнение зоны между обсадной колонной и стволовыми стенками забоя;
• расчетную величину адгезии как со стенками обсадных труб, так и со стволовой поверхностью скважины;
• изоляцию и разобщение продуктивных и проницаемых пластов;
• защиту затрубного пространства от проникновения нефти и (или) газонефтяной смеси под воздействием избыточного пластового давления;
• укрепление обсадной колонны в толще разрабатываемой породы;
• антикоррозийную протекцию металлических частей обсадной колонны от окислительного разрушения межпластовыми водами;
• частичную разгрузку буровой колонны от экстернального давления.

Ввиду того, что цементный камень не подлежит замене и должен обеспечить надежное функционирование скважины во все время эксплуатации цементирование колонны необходимо выполнять в строгом соответствии с разработанными техническими регламентами, обеспечивая наличие и использование качественных тампонажных реагентов.

Цементирование колонны включает в себя цикл работ по приготовлению промывочного тампонажного раствора и нагнетании его в скважину, в затрубный промежуток. Во время проведения работ ведется постоянный контроль за параметрами промывочного тампонажного раствора и его соответствия технологическим характеристикам. После проведения цементажа скважины, через время, требующееся для затвердевания раствора, проводится исследование качества выполненных работ и, при соответствии цементного камня расчетным технологическим параметрам, процесс цементирования объекта считается законченным.

Портландцемент — основа тампонажного промывочного раствора

В качестве цементирующей составляющей промывочных тампонажных растворов используются портландцементы и доменные шлаки.

Портландцемент — это сыпучий материал с вяжущими свойствами, получаемый в результате одновременного размола гипса, клинкера и (или) гранулированных доменных шлаков. При этом количество гипса в полученной смеси регламентируется в пределах 1,5-3,5%. Портландцементные тампонажные смеси обладают способностью затвердевания и превращения в минеральное соединение, характеризующееся повышенной механической прочностью, через некоторое время после разведения компонентов в воде. Цементный камень образуется в результате реакций гидратации и гидролитической диссоциации клинкерных элементов (кальциевых алюминатов, алюмоферритов, силикатов). Таким образом именно минеральный состав клинкера играет главную роль при протекании химических реакций, определяющих скорость затвердевания промывочного тампонажного раствора и финишных функциональных свойствах полученного бетона.

На месторождениях с АВПД (аномально высоким давлением) работы по цементажу скважин производятся многоступенчатым методом, при этом плотность бурового тампонажного раствора увеличивают до максимально возможной величины. Помимо этих технологических приемов, во избежание заколонных нефтегазоводопроявлений, используют седиментационноустойчивые тампонажные компоненты, обеспечивающие ускоренное «схватывание» цементной смеси. В результате обработки стенки скважины успешно противостоят проницаемости пластов.

Добавки, улучшающие свойства тампонажных растворов

Для улучшения рабочих характеристик промывочного тампонажного раствора в качестве дополнительно используемых добавок используются:

• хлористый кальций и карбонат натрия. Применяются для сокращения сроков схватывания бетона. Добавление ускорителей в воду или в сухие компоненты позволяет получить БСС (быстросхватывающиеся смеси), которые используются при температуре скважины в пределах до 50-65°С. БСС с расширительными свойствами получают, добавляя к исходному сырью до 10-30% гипсоглиноземистого цемента. БСС на основе пуццолановых цементов отличаются низкой плотностью и высоким порогом интенсивности загустевания;
• гипс. Добавление гипса позволяет сократить срок твердения, в результате чего высокопрочный камень получается уже через 3-4 часа после закачки промывочного тампонажного раствора. Чтобы процесс схватывания не начался уже в бурильных трубах, в них специально добавляются замедлители процесса. Гипсо-цементные тампонажные суспезии гораздо более стойки к разбавлению водой, чем обычные цементные и применяются при наличии водяных пропластков;
• бентонит, применение которого увеличивает стартовую подвижность промывочного тампонажного раствора, что оптимизирует работу по закачке, особенно при необходимости применения высокой плотности цементирующего материала. Глиноцементные смеси обеспечивают стабильную вязкость рабочего материала во время продавливания его в зону поглощения, после чего происходит резкое увеличение параметра и наступление периода пластической прочности. Для улучшения характеристик бентонитовых смесей и нивелирования воздействия пластовых вод до начала твердения возможно добавление в раствор натриевого или калиевого силиката, в количестве 3-10% от массы цемента ;
• цементно-смолистая композиция (ЦСК) с использованием пластификатора ТЭГ-1 (эпоксидной алифатической смолы). Смола представляет собой вязкую жидкость желтого цвета, способную растворяться в воде. Используется при наличии осложнения скважины в виде близкорасположенных водоносных пластов;
• углеводородные добавки (дизельное топливо, добавляемое в количестве 30%). Соляро-цементные смеси используют при необходимости закачки раствора на большую глубину. Цементная составляющая инертна к углеводородам и раствор приобретает вязкость и пластическую прочность только после замещения дизтоплива водой. Для усиления прочности бетона и снижения материальных затрат допускается введение в массу до 50% кварцевого песка.

Общим недостатком практически всех цементных смесей является низкая коррозионная стойкость полученного цементного камня, усадка его во время дальнейшей эксплуатации и возможность проникновения вод через поры.

Комбинированные полимерно-цементные растворы

Комбинированные растворы получаются путем сочетания в тампонажном растворе цементной суспензии и раствора полиакриламида или гипана. Для приготовления комбинированной смеси используются следующая пропорция компонентов:

• ¾ тампонажный цемент;
• ¾ вода в соотношении 60% от массы сухого цемента;
• ¾ хлористый кальций (2,5-5%);
• ¾ полиакриламид (0,15-0,20%).

Из-за высокой вязкости полиакриламид предварительно разводят до концентрации трехпроцентного раствора и вводят в цементную массу непосредственно в буровых трубах, чтобы избежать преждевременного схватывания.

Тампонажные растворы на основе «Ультрацемета»

Регулирование свойств цементных растворов

N2, 2000

Исследование прочностных свойств грунтов, закрепленных цементными растворами по струйной технологии.Некоторый опыт строительства
на слабых грунтах

Исследования по укреплению грунтов различными методами ведутся достаточно давно отечественными и зарубежными учеными (С.Д. Безрук, Л.М. Гончарова, Б.А. Ржаницын, П.А. Ребиндер, В.Е. Соколович, А.Н. Токин и др.). Первый опыт применения цементогрунта в фундаментостроении в нашей стране относится к середине 50 -х — началу 60 -х годов. Использование методов искусственного улучшения свойств грунтов позволило получить фактически новый строительный материал. В дорожном строительстве, технической мелиорации, и в фундаментостроении при буросмесительном способе устройства свай применялся цементогрунт с содержанием цемента до 20-25%. Новый этап использования цементогрунта начался в последние десятилетия в связи с развитием струйной технологии, при которой содержание цемента доходит до 50% и более.

Практически уже тридцать лет струйная технология широко применяется в ряде стран для решения различных геотехнических задач, возникающих как при новом строительстве так и реконструкции. За рубежом этот метод получил название High Pressure Injection (HPI), в нашей стране эта технология больше известна как струйная.

Усиление фундаментов зданий, устройство котлованов вблизи существующих зданий, устройство свай повышенной несущей способности, закрепление грунтов, создание противофильтрационных завес может быть решено с использованием струйной технологии. По струйной технологии могут выполняться как цилиндрические сваи, анкера, колонны закрепленного грунта диаметром до 5м, так и плоские горизонтальные и вертикальные элементы в грунте при подъеме монитора без вращения (панельные, щелевые).

При выполнении работ по струйному закреплению практически всех типов грунтов применяются та или иная из трех технологических схем устройства конструкций в грунтах:

Рис. 1. 1-однокомпонентная технология; 2- двухкомпонентная технология;

3- трехкомпонентная технология.

однокомпонентная, предусматривающая размыв грунта струей твердеющего раствора (цементного, глинистого, глиноцементного) давлением порядка 70 МПа;

двухкомпонентная, в которой размыв грунта осуществляется струей твердеющего раствора под защитой струи воздуха;

трехкомпонентная схема, заключающаяся в размыве грунта струей воды под защитой струи воздуха, и заполнение размытой полости твердеющим цементно-песчаным раствором.

Рис. 2. Реализация струйной технологии в Санкт-Петербурге. Устройство противофильтрационной завесы вдоль подземного пространства на пл. Труда.

Перспективность струйной технологии закрепления грунтов заключается в возможности полной механизации работ, экологической чистоте, возможности ведения работ в стесненных условиях, сокращении сроков и конечной стоимости строительства. Нами разрабатывается комплексная методика модификации грунтов оснований посредством струйной технологии при реконструкции городской застройки Санкт-Петербурга (Пример работы установки показан на рис.2). Для успешного применения технологии необходимы, прежде всего, исследования свойств закрепленного грунта.

В исследованиях Л.М. Гончаровой [3], посвященных модификации грунтов отмечается, что продукты гидратации и гидролиза портландцементов, взаимодействуя с поверхностью минеральных частиц, коагулируют и агрегируют наиболее дисперсную его часть, в процессе роста и кристаллизации образуют прочную коагуляционную и кристаллизационную структуру цементогрунта. На основе анализа многочисленных работ по определению прочности цементогрунта при сжатии М.Т. Кострико (1950г.) принимая плотность грунта постоянной, установил зависимость:

R_сж=, (1)

где R_ц— предел прочности цементного камня при сжатии;

Ц- дозировка цемента; R_ц— активность цемента; В- количество воды затворения;

k- коэффициент стабилизации, зависящий от гранулометрического состава грунта и изменяющийся в зависимости от содержания глинистых частиц (0,3 до 1,8). Качество получаемого модифицированного грунта зависит от свойств исходного грунта и от свойств инъецируемого цементного раствора. В.М.Безрук [1] отмечал, что формула (1) справедлива лишь при условии неизменности качественного состава и коллоидно-химического состояния тонкодисперсной части грунта.

Закрепление песчаных грунтов цементами производится достаточно хорошо. При закреплении цементами глинистых грунтов, насыщенных ионами Na + (с повышенным содержанием глинисто-колоидных частиц), обладающих гидрофильными свойствами, для получения материала с необходимыми прочностными свойствами требуется повышенный расход цемента.

На прочностные свойства цементогрунта существенное влияние оказывает прочность цемента. По данным А.Н. Адамовича (1967г.) исходная прочность цементного камня зависит от удельной поверхности цемента (рис.3).

Рис. 3. Зависимость прочности цементного камня от удельной поверхности цемента.

2. Лабораторные исследования закрепления пылеватых грунтов цементами

Хорошо известными преимуществами струйной технологии являются высокая прочность закрепленного грунта, достигаемая практически во всех типах грунтов, высокая производительность, минимальные динамические воздействия на конструкции здания.

Для закрепления песчаных грунтов хорошо зарекомендовала себя однокомпонентная технологическая схема, когда размыв грунта осуществляется цементным раствором. Для устройства цементогрунтовых конструкций в глинистых грунтах за рубежом применяют, как правило, трехкомпонентную схему. При трехкомпонентной технологии твердеющий цементно-песчаный раствор подается по специальному каналу монитора в предварительно размываемую скважину. При этом может быть произведено практически полное замещение природного грунта цементно-песчаным раствором. Трехкомпонентная технологическая схема существенно сложнее в техническом исполнении. Применение одно- или двух- компонентной технологий снижает возможность регулирования прочностных свойств цементогрунта в условиях пылевато-глинистых грунтов, но не требует для реализации сложного оборудования (рис.1). В этом случае увеличение прочностных и деформационных характеристик получаемого материала возможно путем снижения водоцементного отношения цементного раствора, увеличения активности и дисперсности вяжущего материала и введением в раствор специальных химических добавок (рис.4). Для снижения интенсивности перехода частиц размываемого глинистого грунта в цементный раствор и повышения прочности цементного камня, могут применяться ингибирующие добавки, снижающие размокаемость и диспергирование глинистых грунтов в результате уменьшения поверхностной гидратации за счет замены катионов обменного комплекса на менее гидратирующие, уменьшения межплоскостной гидратации и др. В качестве ингибирующих добавок могут быть применены нейтральные соли одновалентных KCl, NaCl, двухвалентных CaSO₄, CaCl₂ и трехвалентных Al₂(SO₄)₃, AlCl₃ металлов или их силикаты, гидроокиси, а также кремнеорганические соединения. Широко применяемой ингибирующей добавкой является силикат натрия Na₂SiO₃.

В большинстве публикаций [2] по струйной технологии указывается что размыв проводится цементным раствором с В/Ц=0,9-1. Информация о применяемых химических добавках, как правило, отсутствует.

Проведенные нами исследования показывают, что введение специальных добавок в инъекционные цементные растворы повышают прочностные свойства цементного камня. Влияние химических добавок на прочностные свойства цементного камня определялось на цементных растворах различных водоцементных соотношений с добавками: жидкого стекла Na₂SiO₃, хлористого кальция CaCl₂ и суперпластификатора С3.

Рис.4. Прочность цементного камня в возрасте 2 -х суток.

Типичные значения прочности, которые могут быть достигнуты в различных грунтах (МПа) [4,5] приведены в табл. №1. Эти данные получены для размывающего раствора на основе портландцемента М300-400.

Прочность грунтов закрепленных по струйной технологии цементными растворами.

Сопротивление сжатию R за-крепленного грунта, МПа

Свойства строительных растворов на основе цемента

Последнее обновление статьи — 2018-09-02 14:22:02

В зависимости от свойств примененных вяжущего и заполнителя, а также в зависимости от дозировки составных частей раствора (вяжущее, добавка, заполнитель, вода) могут существенно меняться нижеследующие свойства свежей массы неотвердевшего раствора:

1) Консистенция раствора, характеризующая общую подвижность массы и измеряемая, например, величиной осадки конуса, глубиной внедрения металлического стержня или конуса и т.п. приемами.

2) Внутренняя связность, предохраняющая раствор от сепарации, т. е. от разделения на составные части при транспортировании и при обработке в моменты укладки.

3) Тестообразность (пластичность) или наоборот грубозернистость массы, зависящая в основном от относительного содержания в растворе мелких частиц и, в частности, от содержания в нем вяжущего и добавки, а также от их способности делать смесь более или менее пластичной.

Известно, что растворы одной и той же консистенции и даже при одной и той же степени внутренней связности (вязкости) могут быть грубозернистыми (по определению каменщиков «жесткими») или весьма пластичными («мягкими»).

Мягкий пластичный раствор при укладке на неровную поверхность кирпича или камня стремится заполнить неровности, благодари чему создается наиболее плотное соприкосновение раствора со штучными элементами кладки. Слой же жесткого раствора, даже имеющего достаточно ровную внешнюю поверхность, плохо заполняет неровности и углубления, давая лишь весьма неплотное соприкосновение со штучными элементами кладки в отдельных местах или точках. Подобным же образом плотное или неплотное примыкание раствора может иметь место при применении мягких или жестких растворов для заполнения вертикальных швов.

4) Удобоукладываемость, представляющая как бы результирующую трех вышеперечисленных частных свойств, зависит и от консистенции, и от внутренней связности, и от степени пластичности раствора. Под удобоукладываемостью следует понимать способность раствора плотно заполнять предназначенное для него пространство с наименьшими затруднениями при укладке в заданных условиях.

5) Водоудерживающая способность раствора, наличие которой делает раствор удобоукладываемым как на плотных, так и на пористых поверхностях.

При укладке на плотных или на невсасывающих воду поверхностях водоудерживающая способность предохраняет раствор от разделения на составные части и, в частности, от выделения сверху слоя воды. При укладке же на пористых поверхностях эта способность предохраняет раствор от быстрой потери им удобоукладываемости и от обезвоживания, весьма вредного для развития должной плотности, прочности и сцепления.

В целом можно констатировать, что свежая масса раствора, по меньшей мере должна обладать двумя важнейшими свойствами: удобоукладываемостью и водоудерживающей способностью, так как только последняя может обеспечить сохранение удобоукладываемости раствора при укладке его в швы кладки (на поверхности, способные отсасывать воду из раствора). Можно сказать, что является недостаточным получение раствора, вообще удобоукладываемого (например, удобоукладываемого в форму для кубиков).

Эту удобоукладываемость необходимо сохранить в течение всего времени пребывания раствора в приборах перемещения и хранения, а также в течение всего периода укладки. Раствор, обладающий помимо общей удобоукладываемости еще и высокой водоудерживающей способностью, останется удобоукладываемым в момент применения его в дело, что и является одним из важнейших свойств свежезатворенной массы хорошего раствора.

Легко видеть, что требования к строительному раствору для кладки, в общем, несколько более сложны, чем обычные требования к крупнозернистым бетонным массам, употребляемым для бетонных и железобетонных работ. Для растворов, употребляемых для штукатурки, требования являются еще более сложными: помимо вышеуказанных свойств, масса для штукатурного раствора должна обладать в свежем состоянии определенной способностью прилипания к поверхности, на которые она наносится (свойство «липкости»).

Это свойство для кладочных растворов является менее важным, чем для штукатурных, однако, оно является желательным и при применении раствора для каменной кладки, так как наличие такого свойства обеспечит плотное заполнение вертикальных швов и плотное соприкосновение между кирпичом и раствором. Что касается общего влияния на вышеперечисленные свойства характера компонентов раствора и их относительного содержания в смеси, то в общем можно указать, что подвижность смеси (консистенция) в основном зависит от содержания в растворе воды, от адсорбционной способности вяжущего, а также от гранулометрического состава смеси. Увеличение содержания воды и увеличение содержания относительно более крупных частиц ведут к повышению подвижности массы, однако, за счет одновременного понижения внутренней связности массы, ухудшения ее пластичности (усиление грубозернистости) и за счет понижения водоудерживающей способности, а следовательно, за счет увеличения склонности раствора к сепарации. Увеличение содержания вяжущего вещества, тонко измельченной добавки и в некоторой степени тонких частиц песка увеличивает внутреннюю связность, водоудерживающую способность и пластичность раствора, но понижает его подвижность. Кроме того, увеличение содержания этих компонентов может вести к возникновению значительных объемных изменений в готовом растворе и по этой причине должно быть ограничено.

Особенно сильное увеличение внутренней связности, водоудерживающей способности и пластичности вызывает введение в раствор извести, глины и других добавок, содержащих значительное количество мельчайших частиц, имеющих весьма большую удельную поверхность и обладающих высокой сорбционной способностью. Помимо вышеуказанных свойств, естественно, свежая масса раствора должна обладать в высокой степени равномерностью качества, что достигается как за счет точной дозировки, так и главным образом за счет тщательного смешивания. Тщательность смешивания компонентов в строительных растворах, особенно содержащих добавки, должна считаться одним из основных условий получения высококачественного раствора. Недостаточное время или недостаточная интенсивность смешивания могут свести на нет полезную роль добавок, превратив их из необходимых составных частей смеси в вредные примеси, понижающие прочность и стойкость растворов, а следовательно и прочность кладки.

Если данная статья была для Вас полезной и интересной, пожалуйста нажмите на одну или несколько социальных кнопочек. Благодарим за Ваш большой вклад в поддержку нашего проекта. Желаем Вам крепкого здоровья, счастья, успехов в профессиональной деятельности и дальнейшего процветания Вашего бизнеса. Огромное спасибо.

Ускорители и замедлители схватывания и твердения цементных сухих строительных смесей

Кафедра строительных и специальных вяжущих веществ СПГТИ
Корнеев Валентин Исаакович, проф., д-р техн.наук, заведующий кафедрой

Сроки схватывания (время потери пластичности) и скорость твердения (темп набора прочности) цементных растворных и бетонных смесей, в том числе сухих строительных смесей, являются основными характеристиками, определяющими условия их применения в строительстве. Строго говоря, понятие «сроки схватывания» относится исключительно к вяжущему веществу — портландцементу и определяется в тесте 1:0 (ГОСТ 310); для смесей цемента с заполнителями и наполнителями пользуются характеристиками: потеря пластичности, подвижности, удобоукладываемости.

Для характеристики потери пластичности растворных смесей, полученных затворением сухих строительных смесей, более информативно понятие «живучесть (жизнеспособность) смесей». Это понятие более ёмкое и базируется не только на определении времени загустевания растворной смеси, но и на определении максимального времени, в течение которого растворная смесь может быть использована без потери свойств, предполагая возможность получения из этой смеси проектных показателей готовых изделий (растворов) при использовании растворной смеси в период, соответствующий времени её живучести. В этом случае живучесть характеризует не только время загустевания смеси, но и является гарантией качества при долгосрочных испытаниях. Очевидно, что показатели живучести смеси и скорости набора прочности прежде всего зависят от характеристик использованного в сухой строительной смеси цемента, однако, далеко не исчерпываются этим фактором и зависят от значения В/Ц, соотношения цемент:заполнитель:наполнитель, их природы и гранулометрии, наличия в смеси примесных компонентов и функциональных добавок, и от условий твердения (температуры и влажности). Влияние этих факторов может привести к тому, что смесь, приготовленная на основе нормально-схватывающегося цемента (45 мин.-10 час. по ГОСТ 10178) может оказаться как быстро-, так и медленно-схватывающейся. Тем не менее, в тех случаях, когда сроки схватывания (живучесть) смеси оказываются неприемлемыми, их регулирование (замедление или ускорение) осуществляют путем регулирования процесса гидратации цемента. Этот подход справедлив и в тех случаях, когда нужно повысить, или, наоборот, понизить скорость нарастания прочности или абсолютное значение прочности цементных сухих смесей. Наряду с изменением состава смеси (соотношения и вида заполнителей и наполнителей) и минимизации значения В/Ц основным приёмом регулирования скорости твердения, как и в случае регулирования сроков схватывания, является регулирование процессов твердения цемента. Сроки схватывания и кинетика нарастания прочности цемента, при прочих равных условиях, зависят от его вещественного состава (соотношения клинкер-минеральные добавки), минералогического состава клинкера (прежде всего от содержания фаз алита и алюмината), тонкости помола цемента и содержания частиц определённых фракций, содержания в цементе гипса, щелочных соединений, примесных фаз и др.

Однако, эти факторы складываются у производителя цемента, а потребитель цемента не может на них влиять и эффективным способом регулирования этих характеристик цемента становится введение в состав твердеющих цементных смесей (сухих строительных смесей) добавок — регуляторов схватывания и твердения цемента (ускорителей или замедлителей). Такие добавки, применительно к технологии сухих строительных смесей, в качестве отличительных признаков от добавок для традиционных растворов и бетонов, должны быть сухими, негигроскопичными и быстрорастворимыми в воде. Необходимость введения в состав цементных смесей ускорителей схватывания и твердения чаще всего возникает:

• для интенсификации твердения смесей, используемых при низких и отрицательных температурах;
• при производстве смесей, предназначенных для ремонтных и восстановительных работ;
• при производстве смесей для специальных работ: торкрет-масс, набрызг-растворов, инъекционных составов и др.
• для ускорения оборачиваемости форм при производстве изделий;

для ликвидации побочного эффекта замедления гидратации цемента при использовании функциональных добавок некоторого типа (суперпластификаторов, редиспергируемых полимерных порошков, эфиров целлюлозы и др.). Необходимость в замедлении схватывания и твердения цемента путём применения добавок-замедлителей может возникнуть при проведении работ в жаркое время года или в горячих цехах, при необходимости формования ослабленного («жертвенного») слоя при отделочных работах, при тампонировании горячих скважин и др.

Добавки — ускорители схватывания и твердения сухих смесей на основе портландцемента чаще всего представляют собой неорганические соли, соли органических кислот или продукты на их основе. Перечень солей — ускорителей схватывания включает многие соединения: K₂CO₃, Na₂SO₄, NaAlO₂, NaF, Na₂O·nSiO₂·mH₂O, Ca(NO₃)₂, Li₂CO₃. В качестве ускорителя схватывания используют также формиаты кальция и натрия, щавелевую кислоту, технические продукты, содержащие алюминаты кальция, оксиды и гидроксиды алюминия. Поскольку в ряде случаев применение ускорителей схватывания приводит к некоторой потере конечной прочности изделий, выбор ускорителя схватывания является ответственным решением.

Общей тенденцией в настоящее время является применение веществ и соединений, не содержащих хлора и вредных веществ, в том числе вызывающих коррозию оборудования или арматуры, а также ограничение в ряде случаев применения щелочных соединений, обычно снижающих марочную прочность цементных растворов (бетонов).

Распространённым приёмом сокращения сроков схватывания смесей на основе портландцемента является введение в их состав алюминатных цементов (глинозёмистых и высокоглинозёмистых), а также ускорителей схватывания на основе g-Al₂O₃ [1].

Конкретный перечень добавок — ускорителей твердения, многие из которых являются также ускорителями схватывания, не включает классический ускоритель твердения СаCl₂ из-за его гигроскопичности и ограничений, связанных с отрицательным влиянием ионов хлора на коррозию арматуры. Применение в сухих смесях других известных ускорителей (например, триэтаноламина) невозможно, поскольку они являются жидкостями. Из-за этих обстоятельств список рекомендуемых добавок — ускорителей твердения для сухих строительных смесей весьма ограничен и включает формиат кальция — СаС₂Н₂О₄ (кальциевую смесь муравьиной кислоты), формиат натрия, нитрат кальция, тиосульфат кальция. Имеются сведения об использовании в качестве ускорителя твердения роданида (тиоцианата) кальция — Са(NСS)₂. Ускорителем твердения для алюминатных (глинозёмистых) цементов и их комбинаций с портландцементом, используемых в качестве быстросхватывающихся композиций, является карбонат лития — Li₂CO₃. Действие перечисленных добавок в бoльшей степени проявляется в начальной стадии твердения (1-3 сут.) и в мeньшей степени в длительные сроки (28 сут.). Добавками-модификаторами сухих строительных смесей, в отличие от индивидуальных химических соединений перечисленных выше, могут быть комплексные добавки. По классификации В.Г.Батракова такие вещества относятся к полифункциональным модификаторам (ПФМ), основы технологии и состав которых, применительно к традиционным растворам и бетонам, приведён в [2].

В последние годы интенсивно развивается направление, связанное с применением в качестве упрочнителя растворов и бетонов различных форм микрокремнезёма в активном состоянии. Это могут быть синтетические формы кремнезёма, типа белой сажи и аэросила, а также промышленные отходы в виде тонкодисперсного кремнезёма или высококремнезёмистого стекла (конденсированная микрокремнезёмная пыль), например, золы уноса от сжигания твёрдого топлива на ТЭС, «микрокремнезём» в виде продуктов возгонки при синтезе кремния, карбида кремния, ферросплавов и др. Поскольку присутствие активного кремнезёма в сухой смеси увеличивает водоцементное отношение, эту добавку обычно применяют совместно с водопонизителями (суперпластификаторами) в виде комплексных добавок. Определённую перспективу применения в качестве добавок — ускорителей схватывания цемента представляют активные формы глинозёма и гидроксида алюминия. Производство добавки на основе аморфного гидроксида алюминия (АмГА) осваивает ОАО «Бокситогорский глинозём».

Иллюстрацией влияния микрокремнезёма (МК) на скорость нарастания прочности цементов, полученных совместным размолом клинкера, гипса и микрокремнезёма (ПО «Металлург», г.Пикалёво) являются результаты, приведённые в таблице 1 (испытания по ГОСТ 310).

Таблица 1. Свойства портландцемента, содержащего микрокремнезём (МК)

Перечень некоторых индивидуальных соединений — добавок ускорителей схватывания и твердения, применяемых в составе сухих строительных смесей, приведён в таблице 2.

Таблица 2. Добавки ускорители схватывания и твердения для сухих строительных смесей (примеры)

Следует различать «ускорители схватывания», т.е. добавки сокращающие период начала и конца схватывания цемента, и «ускорители твердения», хотя в отдельных случаях добавка может быть ускорителем как схватывания, так и твердения. Ускорители схватывания могут не только не изменять скорость гидратации после схватывания, но в некоторых случаях даже замедлять гидратационные процессы и снижать прочность цементного камня. Так, например, действуют такие известные ускорители схватывания как карбонаты калия и натрия (поташ, сода), гидросиликат натрия, алюминат натрия. В отличие от ускорителей схватывания, ускорители твердения или существенно не влияют на начало и конец схватывания, или, являясь ускорителями схватывания, повышают прочность камня как в начальные сроки (1-3 сут.), так и в более длительные.

Механизм действия добавок-ускорителей схватывания и твердения цемента достаточно сложен и не может считаться надёжно установленным. Влияние их сводится к ускорению гидратации цементных минералов, добавки этого типа не влияют на состав C-S-H геля (отношение СаO/SiO 2 , H 2 O/SiO 2 ), однако в их присутствии меняется морфология образующихся гидросиликатов. Существенное влияние на твердение оказывают обменные реакции добавок с фазой портландита (Са(ОН) 2 ) твердеющего цемента, что ведёт к образованию труднорастворимых гидроксидов, основных солей или солей кальция. Этот процесс является превалирующим, например, при введении в состав твердеющего цемента активных форм аморфного кремнезёма, глинозёма и Al(OH) 3 . Влияние добавок на свойства цементного теста достаточно разнообразно и зависит от концентрации соли, вида катиона и аниона. Так, например, ускоряющее действие карбонатов объясняют увеличением диффузионной проницаемости защитного слоя и удалением ионов Са 2+ из раствора. Формиат кальция увеличивает степень протекания начальной стадии гидратации C 3 S, но заметно не влияет на продолжительность индукционного периода и последующие стадии реакции гидратации [3].

Добавки — замедлители схватывания используют при твердении бетонов в условиях повышенных температур, а также для компенсации ускоряющего эффекта других функциональных добавок. Примерами составов, требующих применения замедлителей схватывания цементных смесей, могут быть смеси для устройства полов, некоторые ремонтные растворы. Перечень некоторых добавок-замедлителей приведён в таблице 3.

Таблица 3. Добавки — замедлители схватывания и твердения (примеры)

Добавки — замедлители схватывания достаточно эффективны в небольших концентрациях, при этом замедление схватывания вызывается адсорбцией добавок на продуктах гидратации цемента, особенно на Са(ОН) 2 , а также на поверхности исходных негидратированных минералов. Бoльшая часть введённого замедлителя расходуется на алюминатные фазы цемента, поэтому эффект действия добавок в большей степени проявляется в низкоалюминатных цементах, а также в цементах с минимальным содержанием щелочей, поскольку последние разрушают добавку. Следует иметь в виду, что во многих случаях замедление схватывания смесей на основе портландцемента является побочным эффектом введения других целевых добавок, причём их влияние может оказаться весьма значительным. Например, замедление сроков схватывания может быть результатом введения добавок-пластификаторов (водопонизителей), водоудерживающих и загущающих и др.

Список литературы:

1. Сари М., Лекселлент Дж. «Регулирование процессов схватывания и отверждения минеральных вяжущих».-Mix Build, СПб, 3-5 декабря 2002 г.
2. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. 2-е изд.-М.:Технопроект,1998.-768с.
3. Тейлор Х. Химия цемента.-М.:Мир,1996.-560с.

Строительный цемент: свойства и применение

Цемент является одним из основных связующих материалов, которые используются в строительстве. Качество цемента, решающим образом определяющее долговечность возводимого объекта, а также уровень расходов на его эксплуатацию, всегда может быть эффективно подтверждено современными методиками испытаний. Такими методиками и соответствующим лабораторным оборудованием располагает лаборатория «СтройЭкспертЭкология».

В России для производства строительного раствора должен использоваться цемент, характеристики которого регламентируются ГОСТ 25328-82. В частности, его основой является клинкер на основе портландцемента, куда вводятся корректирующие добавки – гипс, активные минеральные вещества и компоненты, играющие роль наполнителей. После тщательного измельчения и перемешивания, составляющие цемента могут применяться для кладки стен зданий и сооружений, а также для приготовления штукатурных или облицовочных растворов.

Разновидности строительного цемента определяются составом добавок, среди которых:

• Гранулированные шлаки, являющиеся отходами или побочными продуктами металлургического производства;
• Различные виды каменного гипса, предусматриваемые ГОСТ 4013-82;
• Кристаллическая мраморно-известняковая пыль, которую извлекают из электрофильтровых установок;
• Пластификаторы и гидрофобизаторы (их количество ограничено, и не должно превышать 0,3…0,5 % по массе).

Стандартом допускаются и другие добавки, свойства которых не ухудшают конечное качество продукта. Сюда включаются борогипс, некоторые разновидности фосфоритов и прочие добавки, способствующие улучшению процесса приготовления цемента.

Основа любого вида цемента – кварцевый песок по ГОСТ 8736-93, который предназначен для строительных работ. Содержание в нём кварцита не может быть меньше 90%, а посторонних веществ – глины или ила (даже особо мелких фракций) не должно превышать 3 %.

Производителям строительного цемента разрешается вводить в его состав технологические добавки на основе активных минеральных веществ, при условии, что они не ухудшают свойств продукта.

Физические свойства строительного цемента

1. Размеры частиц. Они обеспечиваются размолом клинкера на последнем этапе процесса производства цемента. Степень дисперсности частиц определяет скорость гидратации цемента в процессе приготовления растворов.
2. Объёмная прочность. Характеризует способность цемента не давать усадки при затвердевании. Цемент хорошего качества сохраняет свой объем после схватывания без замедленного расширения, что обусловлено содержанием свободной извести и оксида магния.
3. Консистенция – способность свежеприготовленной цементной пасты к текучести.
4. Прочность. Во внимание принимаются три типа прочности цемента – на сжатие, на растяжение и на изгиб. ГОСТ 25328-82 оговаривает прочность строительного цемента не ниже 19,6 МПа. На прочность влияют различные факторы: соотношение воды и цемента, соотношение цемента и мелкого заполнителя, условия отверждения, размер и форма образцов, способ формования и смешивания, условия загрузки и время приготовления цементной смеси.
5. Продолжительность схватывания. Цемент застывает и затвердевает при добавлении воды. Время схватывания может варьироваться в зависимости от множества факторов, таких как размер фракций, соотношение цемент-вода, химический состав добавок. Цемент, используемый в строительстве, должен иметь начальное время схватывания не слишком низкое, и конечное время схватывания не слишком высокое.
6. Тепло гидратации – реакции, которая происходит при добавлении к цементу воды. Гидратация генерирует тепло (которое может влиять на качество продукта), а также способствует поддержанию температуры отверждения в холодную погоду. Однако избыточное тепло, особенно при строительстве высотных зданий и сооружений, может вызвать нежелательные напряжения. На тепло гидратации больше всего влияют активные добавки, присутствующие в цементе, а также водоцементное соотношение, размеры частиц и температура отверждения..
7. Потеря веса. Нагревание образца цемента при 900…1000 ° C вызывает потерю веса вещества. Неправильное (или длительное) хранение или транспортировка продукта или транспортировке могут привести к предварительной гидратации и карбонизации цемента.
8. Объёмная плотность. Когда цемент смешивается с водой, она заменяет участки, где обычно находится воздух. Из-за этого насыпная плотность цемента обычно не оценивается, а конечный продукт имеет различный диапазон плотности (1100…1300 кг/м 3 ) в зависимости от процентного содержания компонентов.
9. Удельный вес. Этот параметр обычно используется в расчетах дозирования смеси. Стандартный портландцемент имеет удельный вес 3100…3200 кг/м 3 , но другие виды цемента (например, портланд-доменный шлак или портланд-пуццолановый цемент) могут иметь удельный вес около 2900 кг/м 3 .

Лаборатория «СтройЭкспертЭкология» располагает всеми необходимыми методиками, оборудованием и специалистами, для того, чтобы качественно и оперативно проверить качество и соответствие техническим требованиям всех марок цемента и цементных растворов. Это гарантирует безопасную эксплуатацию возведённых зданий и сооружений.

Химические составляющие цемента

Сырьем для производства цемента являются известняк (кальций), песок или глина (кремний), боксит (алюминий) и железная руда. В ограниченных количествах огут включаться также ракушечник, мел, мергель, сланец, глина, доменный шлак, сланец. Химический анализ цементного сырья даёт представление об эксплуатационных свойствах цемента. Вещества, которые входят в состав цементного сырья:

1. Трикальций алюминат. Его пониженное содержание делает цемент устойчивым к сульфатам. Гидратация вещества снижается при увеличенном содержании гипса, при этом одновременно снижается и тепловыделение, особенно на ранних стадиях.
2. Силикаты кальция. Трикальций силикат вызывает быструю гидратацию и затвердевание. Он также отвечает за раннее повышение прочности цемента при укладке строительного раствора. Двухкальциевый силикат в цементе способствует повышению его прочности при отверждении (примерно через неделю).
3. Феррит. Является флюсующим агентом, обеспечивающим снижение температуры плавления сырья в обжиговой печи ( примерно с 1650°С до 1430°С). Феррит быстро гидратируется, поэтому не вносит большой вклад в прочность.
4. Окись магния/магнезит. Процесс производства портландцемента использует данное вещество в качестве сырья для сухих технологических установок. Небольшое количество магнезита (до 6 % по массе) способствует повышению прочности цемента, и обеспечивает снижение выбросов двуокиси углерода в атмосферу.
5. Оксиды железа. Повышают прочность и твёрдость цемента, в больших количествах могут изменять цвет конечного продукта на слабо-розовый.
6. Щёлочи. Содержание щёлочи в цементе определяет количество оксида калия (K₂O) и оксида натрия (Na₂O). Цемент, содержащий большое количество щёлочи, может вызвать определенные трудности в регулировании времени схватывания. Низкощёлочной цемент, при совместном применении (в бетоне) с хлоридом кальция, может вызвать изменение цвета. В шлаково-известковом цементе измельченный гранулированный доменный шлак сам по себе не является действующим веществом, поскольку активируется лишь с добавлением щелочей. Обычно считается, что предел общего содержания щелочи в конечном продукте не должен превышать 0,60%.
7. Кремнезёмная пыль. Она добавляется в цемент с целью улучшения таких эксплуатационных показателей, как прочность на сжатие, сопротивление истиранию и прочность сцепления. Одновременно увеличивается продолжительность схватывания, поэтому применение кремнезёма (в количестве 5…20%) оправдано лишь для реализации строительных проектов, где важна именно повышенная прочность цемента.
8. Глинозём. Обязательно присутствует в цементе, который используется при возведении зданий и сооружений в холодную пору года.

Из нежелательных добавок к строительному цементу, количество которых технологически ограничивается, стоит выделить триоксид серы и неконтролируемое наличие извести.

Строительная лаборатория «СтройЭкспертЭкология» (г. Краснодар) выполняет самые сложные исследования химического состава строительных цементов, а также обеспечит проверку правильного подбора бетонной смеси для разных типов ее применения, что гарантирует последующее качество возведения объектов любой степени сложности.

Также проводим независимую судебную и досудебную строительно-техническую экспертизу объектов и строительных материалов с заключением сертифицированного эксперта.