Цементные растворы, их виды и свойства

Цементные растворы, их виды и свойства

Цемент — удивительное вещество, которое позволяет изготавливать различные смеси и растворы для любых типов строительных, отделочных и ремонтных работ.

Цемент — порошкообразное вяжущее вещество водного твердения. Это означает, что только в присутствии воды в нем происходят реакции гидратации, необходимые для химического преобразования порошкового компонента в твердый материал, имеющий кристаллическую структуру. Поэтому для работы с цементом из него замешивают растворы и смеси с добавлением воды.

Основными типами таких материалов являются бетонные смеси и цементные растворы.

Обзорная характеристика и маркировка связующего

Чтобы понять, какой цемент нужен для фундамента, необходимо разобраться в разнообразии материалов. Так, основой для производства связующего является горная известковая порода. Она подвергается обжигу, а готовый клинкер методом дробления обращают в порошок. Полученную массу с добавлением различных компонентов поставляют как готовый к применению продукт.

Основная классификация цементов проводится по составу:

• ЦЕМ I. Портландцемент с гипсом и присадками в количестве до 5%.
• ЦЕМ II. ПЦ с минеральными добавками (шлак, зола, глина и пр.) до 35%.
• ЦЕМ III. Шлакоцемент в составе может содержать от 35 до 65% ПЦ, остальное шлак с добавками (до 5%).
• ЦЕМ IV. Пуццолановый цемент на 21-35% состоит из вулканического пепла.
• ЦЕМ IV. Композиционный цемент изготавливают из ПЦ (40-78%), Ш (11-30%), вулканических пород (11-30%) и дополнений (до 5%).

Маркировка товарного цемента содержит информацию о характере сильных сторон продукта. Вот несколько примеров, которые пользуются большим спросом:

• ПЦ– портландцемент (универсальный строительный материал);
• БЦ– белый цемент для отделочных работ;
• НиБ– нормированный состав или быстро твердеющий;
• ПЛи ГФ– пластифицированный или гидрофобный (медленно впитывающий влагу) с усиленной стойкостью к морозам:
• СС, ВРЦ– устойчив к агрессивным условиям с сульфатами или расширяющийся при контакте с водой, что делает продукт паронепроницаемым.

Дополнительно на упаковке указывают содержание минеральных добавок в смеси с клинкером. Так, Д0 – это отсутствие или наличие присадок до 5%. Д20 – минимальное количество дополнений равно 20%. Стоит отметить, что примеси положительно сказываются на удешевлении готового состава, но это не касается качества продукта. То есть, решая, какой цемент лучше для фундамента дома, отдать предпочтение стоит материалу с меньшим значением «Д».

Портландцемент ПЦ 400-Д20 для железобетонных конструкций, требующих повышенной прочности

Также в конце маркировочной строки пишут ГОСТ 10178 от 1985 года или 31108 от 2003 года. На основании первого после букв цифры указывают на плотность сухого остатка (ПЦ 400, ШПЦ 500). Второй стандарт создан с учётом европейских норм (EN 197-1). В этом случае отражают информацию о классе прочности с точностью до 95% (ЦЕМ I 42,5Н, ЦЕМ IV/А (П-З-МК) 32,5Н). Дополнительно в скобках содержатся данные о природе минералов (Пуццолан, Зола, МикроКремнезем).

Схватывание цемента

Стандартные сроки схватывания цемента:

• При комнатной температуре – до 3 часов
• При низкой температуре – до 20 часов
• При высокой температуре (если бетон находится в камере пропаривания) – до 20 минут

Существуют разные типы цемента, которые выделяют в соответствии со временем схватывания. Медленный цемент начинает схватываться по истечении 2 часов после замеса, средний – через 45-120 минут, быстрый – через 45 минут. Даже если условия неблагоприятные для прохождения реакции, цемент схватывается максимум за сутки.

После того, как бетон схватился, он еще не обладает всеми параметрами по стандарту и продолжать строительные работы запрещено. Бетон может разрушаться даже при минимальных нагрузках, терять характеристики, неравномерно застывать и т.д. Поэтому в процессе набора прочности цемента нужно прекратить работы и обеспечить идеальные условия.

Область и технология применения

Отличительной особенностью тампонажного цемента является высокая степень крепости с самого начала затвердения. Это качество и обусловило главную сферу применения данного материала — цементирование (либо тампонирование) нефтегазовых скважин при одновременном вытеснении буровой смеси. В жилищном строительстве этот вид цемента не применяется. Исключение составляет установка буровых свай в сложных условиях.

Тампонажный цемент закачивается насосами, поэтому раствор используют в достаточно жидком виде: к сухой цементной смеси добавляется вода в пропорции 2:1. После затворения большими объемами жидкости цемент преобразуется в подвижную массу, именуемою пульпой, ее и закачивают в скважину. По окончании этапа транспортировки масса затвердевает и становится безусадочным плотным монолитом, который хорошо скреплен со стенками ствола скважины и обсадной трубой.

Полученный слой надежно защищает от грунтовых вод, либо сдвижек пластов разной плотности. Учитывая свойства грунта, заполнение бывает либо полным, либо частичным. Кроме обеспечения защиты, тампонажный цемент может сократить глубину и укрепить дно скважины, а также ликвидировать повреждения на обсадных колоннах.

Подбор каждой конкретной марки ПЦТ осуществляется с учетом условий использования и глубины скважины. Бурение на болоте или в песчаном грунте, либо закладка скважин глубже 2000 м предполагает применение облегченных видов (в данной ситуации — рекомендована марка ПЦТ-III-об-5-100).

Важное значение при работе с ПЦТ имеет температура в шахте. При высокой температуре, пульпа затвердевает в период от 90 минут до 10 часов. Более горячая температура способствует быстрейшему схватыванию раствора. При использовании в холодной скважине (либо если материал применяется для гидроизоляции при возведении сооружений зимой) затвердение начинается по истечении 120-180 минут и может завершиться через двадцать часов. Более длительный период застывания у солестойкого цемента.

Техническое решение: укрепление грунта

Инъектирование грунта проводят перед началом строительства, чтобы повысить твердость основания под объектом, увеличить плотность, уменьшить способность пропускать воду. В результате обеспечивается безопасность строительной конструкции. Качество укрепления грунта во многом зависит от подбора оборудования для инъекционных работ.

Какие грунты инъектируют

Перед строительством жилого или промышленного объекта на местности проводят геологические изыскания. Если грунт слабый или подвижный, то его укрепляют, изменяя свойства введением затвердевающих растворов. Чаще всего инъекционное вмешательство требуется, если грунты на участке проблемные для строительства:

• Подвижные. К этой категории относят песчаники и супеси, не содержащие вяжущих глинистых включений.
• Заболоченные и водонасыщенные почвы, которые постепенно размываются водой.
• Раздробленные скальные породы с нарушенной структурой, не обладающие достаточной прочностью.
• С водоносными пластами, которые могут размывать твердые породы. Особенно важно предотвратить размытие пластов при строительстве подземных сооружений.

Инъектирование грунтов проводят при строительстве наземных и подземных сооружений.

Основные способы инъектирования

Укрепить грунтовое основание можно разными способами. Отличия заключаются в выборе затвердевающего материала и технологии его ввода. В зависимости от состава материала выделяют типы инъектирования:

• Цементация. В пробуренную скважину вводится цементный раствор, который после застывания прочно связывает породу.
• Силикатизация подразумевает ввод под землю силиката натрия, смешанного с кислотными или щелочными отвердителями.
• Смолязация грунта. Для инъекции применяют полимерные смолы, предварительно смешанными со слабокислотными отвердителями.

Укрепляющие материалы вводятся разными способами – стандартным инъектированием или струйными цементированием. Какой метод подходит лучше для решения задачи, специалисты определяют на этапе проектирования после проведения инженерных и гидротехнических геоизысканий.

Составы инъекционных растворов

Составы для усиления грунтов инъектированием определяются ГОСТами. Нормативы позволяют использовать растворы с минеральными и полимерными вяжущими:

• разноплановые цементные смеси:с добавлением глины (цементно-глинистые), песка (цементно-песчаные), полимерных добавок (цементно-полимерные), силикатов (цементно-силикатные),
• тонкодисперсионные растворы, в состав которых входит высокомарочный цемент с силикатными добавками;
• на основе полимерных смол;
• силикатные.

После выбора подходящего материала и определения его состава изготавливается опытная партия раствора, проводятся пробные испытания. Это делают для того, чтобы правильно определить необходимый для инъектирования объем раствора, выяснить радиус действия состава, посмотреть, какими свойствами будет обладать грунт после его укрепления. Специалисты рассчитывают оптимальное гидротехническое давление для нагнетания раствора при инъектировании, наглядно видят расход состава на единицу объема грунта.

Особенности составов

Цементация грунтов выполняется цементными растворами с минеральными вяжущими или тонкодисперсионными с силикатными добавками. Метод цементации применяют:

• для укрепления сыпучих песчаников с мелкозернистым и пылевым составом;
• при наличии трещин в скальных породах, которые надо закрыть;
• в случаях, когда полимерные затвердители запрещено использовать законодательством в сфере экологии или нормами СанПин.

Силикатные растворы используют в случаях, когда кроме укрепления нужно повысить водостойкость подземных пластов. Силикатные составы вводят в пористые грунты с высоким коэффициентом фильтрации (от 0,5 до 80 м/сутки). Иногда силикаты применяют для заполнения трещин в скальных породах или после цементации, чтобы дополнительно повысить водоотталкивающие свойства пласта.

При смолизации под землю вводят синтетические полимерные составы. Обычно это двухкомпонентные смеси: в полимерные смолы добавляют специальный кислотный отвердитель. После тщательного перемешивания смол с отвердителем полученный раствор вводят под землю. Смолами укрепляют несвязные песчаные грунты. Геополимерное инъектирование может ограничиваться необходимостью соблюдения экологического законодательства.

Для ликвидации вымывания пластов водой и их стабилизации, герметизации подземных сооружений иногда для инъектирования используют вспененные полимерные составы – полиуретановые или силикатные инъекционные смолы.

Геолого-инженерные изыскания и проектирование

Инъектирование выполняется на основе предварительно составленного проекта. Перед разработкой проекта проводят разведочное бурение, берут образцы грунта, проводят лабораторные исследования:

• изучают геологическое строение участка;
• определяют состав подземных вод;
• анализируют физико-механические параметры грунтовых образцов: плотность материала, пористость, коэффициент фильтрации жидкости, проницаемость, способность выдерживать гидротехническое давление.

На основе результатов геологических и гидрологических исследований специалисты решают, какой цементирующий материал лучше использовать для инъектирования грунта, определяют состав и количество рабочего раствора.

Расположение скважин

Точки бурения скважин на местности указывают в проекте. Скважины располагают таким образом, чтобы после инъектирования цементирующего состава в землю получить сплошное затвердение основания. Диаметр скважины зависит от вида инъекционного оборудования и проектной глубины, на которую вводится раствор.

Способы погружения инъекторов

Методы ввода инъекторов в скважину для нагнетания раствора зависит от характера грунта, глубины введения, наличия рядом окружающей застройки. Инъекторы могут забиваться, вдавливаться в землю или просто вводится в пробуренные скважины. Для каждого вида работ используют определенное оборудование. Для ввода инъектора в мягкие несвязные почвы используют перфорированные трубы.

Оборудование для инъектирования

На выбор оборудования влияют особенности участка, способ вмешательства (инъектирование или струйная цементация), состав и объем вводимого вещества, давление нагнетания. Для каждого вида работ подбирают определенный тип оборудования:

• Кондукторы используются для инъектирование в скальные породы, в которых есть трещины.
• Пакеры герметизируют скважины при нагнетании раствора и позволяют локализовать участок.
• Манжетные колонны представляют собой трубу из стали или жесткого пластика с отверстиями по всей длине, закрытыми резиновыми манжетами. Манжетные колонны применяются для обработки несвязных грунтов. С их помощью в одну скважину можно многократно вводить любые вещества вне зависимости от состава и объема. Инъекция тонкодисперсионными цементными составами выполняется только манжетными колоннами.
• Буровой став также используется для работы с несвязными грунтами.
• Забивные инъекторы и инъекторы-тампоны применяют для цементации, силикатизации или полимеризации гравийных грунтовых пластов, пород, содержащие крупные скальные обломки.

Подобрать подходящее по техническим характеристикам оборудование (насосы для подачи раствора, инъекторы и материал) для укрепления грунтов инъектированием поможет сотрудник нашей компании.

Особенности выполнения работ

Инъектирование выполняется в определенной последовательности:

• На участке бурят скважины на проектную глубину. Точки ввода определены проектом.
• В скважину вводят манжетную колонну.
• По колонне подают раствор, который выходит в отверстия в манжете и заполняет зазор между стенками скважинного отверстия и колонной.
• После застывания и набора раствором прочности приступают к инъектированию.

Если раствор нагнетается в скважину пакером или кондуктором, то инъектирование выполняется по всей глубине ниже места посадки кондуктора.

Инъекционные растворы для грунтов нагнетают насосами с регулируемым приводом. Если регулируемого привода нет, то на насос устанавливают регулятор, позволяющий плавно менять давление и скорость подачи раствора. Технически обоснованный выбор оборудованиядля инъектирование грунта, правильно приготовленный состав, введение его с соблюдением технологий позволит качественно укрепить грунт.

Оборудование, предлагаемое нашей компанией, обеспечит грунту проектную прочность.

Усадка и набухание бетона

При твердении на воздухе происходит усадка бетона, т.е. бетон сжимается и линейные размеры бетонных элементов сокращаются. Усадка слагается из влажностной, карбонизационной и контракционной составляющих.

Вследствие усадки бетона в железобетонных и бетонных конструкциях возникают усадочные напряжения, поэтому сооружения большой протяженности разрезают усадочными швами во избежание появления трещин. Ведь при усадке бетона 0,3 мм/м в сооружении длиной 30 м общая усадка составляет около 10 мм. Массивный бетон высыхает снаружи, а внутри он еще долго остается влажным. Неравномерная усадка вызывает растягивающие напряжения в. наружных слоях конструкции и появление внутренних трещин на контакте с заполнителем и в самом цементном камне.

Для снижения усадочных напряжений и сохранения монолитности конструкций стремятся уменьшить усадку бетона. Наибольшую усадку имеет цементный камень. Введение заполнителя уменьшает количество вяжущего в единице объема материала, при этом образуется своеобразный каркас из зерен заполнителя, препятствующий усадке. Поэтому усадка цементного раствора и бетона меньше, чем цементного камня.

Бетон наружных частей гидротехнических сооружений, цементно-бетонных дорог периодически увлажняется и высыхает. Колебания влажности бетона вызывают попеременные деформации усадки и набухания, которые могут вызвать появление микротрещин и разрушение бетона.

Практическое применение бетона и цементно-песчаного раствора

Бетон и раствор применяются в строительстве в разных целях. Растворами зачастую заполняют швы между отдельными элементами, а также обрабатывают и выравнивают поверхности (например, штукатурят). Бетон используется для изготовления средних и крупных деталей несущих конструкций, а также для закладки фундаментов. Помимо того бетон используется в производстве железобетонных изделий разного назначения.

Еще одной отличительной особенностью бетона является его долговечность. Изготовленная по всем правилам бетонная конструкция с годами становится только прочнее, тогда как даже самый качественный цементно-песчаный раствор со временем начинает крошиться, трескаться, осыпаться.