3.4.2. Цементы на основе портландцементного клинкера

Классификация портландцементов. На основе портландцементного клинкера, нормируя его минеральный состав и вводя различные добавки, получают портландцемент и его разновидности. По вещественному составу их классифицируют следующим образом: без активных минеральных добавок — портландцемент; с активными минеральными добавками не более 20% — портландцемент с минеральными добавками; с активными минеральными добавками свыше 20% — пуццолановый портландцемент; с добавками гранулированного шлака свыше 20% — шлакопортландцемент.

По специальным свойствам их подразделяют на быстро твердеющие, сульфатостойкие, расширяющиеся и напрягающиеся, для строительных растворов, белые и цветные, пластифицированные и гидрофобные и др.

Химический состав клинкера. Основным составляющим портландцемента является клинкер. От его качества в первую очередь зависят свойства цемента. Химический состав клинкера характеризуется содержанием основных оксидов в следующих количествах, %:

Оксид кальция СаО 63–67

Кремнезем SiO₂ 19–24

Глинозем Аl₂O₃ 4–7

Оксид железа Fe₂O₃ 2–6

Оксид магния Мg₂О₃ 0,5–5,0

Сернистый ангидрит SO₃ 0,3–1,0

Оксиды щелочных металлов

N₂O + K₂O 0,4–1,0

Оксид хрома и оксид титана

TiO₂ + CrO₃ 0,2–0,5

Фосфорный ангидрит

P₂O₅ 0,1–0,3

Минеральный состав клинкера. Перечисленные оксиды образуют силикаты, алюминаты и алюмоферриты кальция. Силикаты преимущественно в виде кристаллов, между которыми размещается промежуточное вещество, состоящее из алюминатов и алюмоферритов кальция в кристаллическом и аморфном виде.

Относительное содержание этих минералов в % составляет: трехкальциевый силикат (алит) 3CaO·SiO₂(C₃S) — 45–60; двухкальциевый силикат (белит) 2СaO·SiO (С₂S) — 15–35; трехкальциевый алюминат 3СаО ·А1₂О₃(С₃А) — 4–14; четырехкальциевый алюмоферрит (целит) 4СаО ·А1₂О₃Fе₂О₃(С₄АF) — 10–18.

Кроме перечисленных в клинкере имеется небольшое количество других минералов — алюминатов, алюмоферритов и ферритов кальция, а также оксида кальция СаО в количестве 0,5–1% и оксида магния МgО — до 5% в свободном состоянии, щелочных оксидов Na₂О и К₂О — до 1%.

Свойства портландцементов оценивают по минеральному составу клинкера. Портландцементы с высоким содержанием в клинкере минерала C₃S и умеренным содержанием минерала С₃А быстро твердеют, такой состав характерен для быстро твердеюших портландцементов. Цементы с повышенным содержанием в клинкере минералов С₂S и С₄АF твердеют медленно и мало выделяют тепла. Это низкотермичные портландцементы.

Повышенное содержание в клинкере минерала С₃А позволяет получить быстро схватывающиеся и твердеющие в ранние сроки цементы. Однако они имеют пониженную морозостойкость и сульфатостойкость.

Сырьевые материалы и технология изготовления портландцементов. Производство портландцементов включает изготовление клинкера, измельчение его совместно с гипсом, активными минеральными и другими добавками. Добавки могут и не вводиться. Сырьем для получения клинкера служат карбонатные и глинистые горные породы. Могут применяться вторичные ресурсы, корректирующие добавки и другие материалы. Соотношение между карбонатными и глинистыми породами принимается 3:1. Из карбонатных пород используют известняк, мел, мергели. Известняк и мел состоят в основном из углекислого кальция CaCО3. С ними в клинкер вводят оксид кальция СаО.

Из глинистых пород применяют чаще всего глины, реже — глинистые сланцы и лессы. С ними вводится кремнезем SiO₂, глинозем Аl₂O₃ и оксид железа Fе₂О₃.

Мергели представляют собой природную смесь углекислого кальция и глинистых минералов. При содержании в мергелях СаСО3 — в количестве, соответствующем искусственно составленной сырьевой смеси, их называют натуральными.

Из вторичных ресурсов для изготовления клинкера используют нефелиновый шлам, получаемый при производстве глинозема. Имеется опыт применения доменных, мартеновских, цветной металлургии и топливных шлаков, что позволяет повысить производительность печей.

Если в сырьевой шихте не хватает какого-либо оксида, то дополнительно вводятся корректирующие добавки. Недостаток SiO₂ компенсируется введением трепела, опоки, диатомита, кварцевого песка, Fе₂О₃ — введением колчеданных огарков или железной руды.

Добавкой, замедляющей сроки схватывания цемента, является природный двуводный гипс, который вводится до 3,5% в пересчете на SO₄.

Активные минеральные добавки в составе портландцемента улучшают их свойства. Они бывают природные и искусственные. Природные подразделяют на материалы осадочного и вулканического происхождения.

К осадочным относят: диатомит, трепел, опоки, которые близки по химическому составу и состоят из 70–90% аморфного кремнезема, 3–10% — глинозема, 1–3% — оксида кальция и 1–3% оксидов щелочных металлов; глиежи — обожженные глины, образовавшиеся в результате самовозгорания угля под землей, по химическому составу подобны глинам.

К материалам вулканического происхождения относят вулканические пеплы, туфы, пемзы, трассы. По химическому составу они состоят из 70–90% кремнезема, 2–4% — оксида кальция и магния, 3–8% — оксидов щелочных металлов, по фазовому — из 50–80% стекла и 50–20% кристаллических силикатов, алюмосиликатов и их гидратов.

К искусственным добавкам относят кремнезернистые отходы, получаемые при извлечении глинозема из глины; глинит, пемянки, пылевидные отходы обжига керамзита и аглопорита, представляющие обожженную глину; топливные шлаки и золы, являющиеся минеральными отходами сжигания угля, сланцев, торфа; золы-уноса — пылевидные отходы от сжигания некоторых видов топлива, улавливаемые электрофильтрами. Шлаки представляют собой побочные продукты, получаемые при плавке черных, цветных металлов, сжигании твердых видов топлива, при переработке фосфатного сырья. В цементной промышленности применяют, в основном, гранулированные доменные и электротермофосфорные шлаки, хотя в последние годы начали применять шлаки сталеплавильные, цветной металлургии и ферросплавов.

Доменные шлаки образуются при выплавке чугуна из железной руды. На 1 т чугуна приходится 0,5–0,7 т шлака. Состоят они в основном из CaО, SiO₂, А1₂О₃ и МgО. После быстрого охлаждения (грануляции) шлаки затвердевают в стекло и после тонкого измельчения способны взаимодействовать с водой как портландцемент.

Степень гидравлической активности шлаков зависит от модуля основности, который определяется как отношение в процентах основных оксидов к кислотным:

МО = (СаО + MgO) / (SiO₂ + Al₂O₃).

Гидравлическая активность шлаков повышается при увеличении МО.

Электротермофосфорные шлаки получают при электротермической переработке фосфоритов и апатитов при температуре 1450–1500 ^oС. На 1 т фосфора приходится 10–12 т шлака. Он состоит на 80–85% из оксидов кальция и кремнезема. После грануляции измельченный шлак приобретает способность к гидратному твердению. В цементном производстве он заменяет доменные шлаки.

Производство портландцемента включает следующие операции: добычу известняка, глины, гипса, при необходимости — корректирующих добавок, подготовку сырьевых материалов, их обжиг до спекания для получения клинкера, помол клинкера в порошок совместно с гипсом и при необходимости с добавками. Наиболее ответственный процесс — получение клинкера с заданным минеральным составом.

В настоящее время применяют три способа подготовки сырьевой смеси: сухой, мокрый и смешанный. Наиболее экономичным является сухой способ. На получение 1 т клинкера по этому способу расходуется 130–165 кг условного топлива. Менее эффективен мокрый способ, при котором идет 230 кг условного топлива.

Сухой способ производства клинкера. Сухой способ изготовления клинкера применяют при влажности сырьевых материалов до 10–15%. Исходные материалы — известняк и глина — дробят и затем загружают в мельницы шаровые, валковые или мельницы самоизмельчения “Аэрофол”, где совмещается измельчение и сушка отходящими газами. Подсушивание сырья может выполняться и в дробилках.

Полученную сырьевую муку вначале подвергают предварительной тепловой обработке при температуре до 800–850 ^oС в циклонных теплообменниках, а дальше — в специальных реакторах при температуре 920–950 ^oС. В них происходит декарбонизация до 85–90%.

Обжигают сырьевую муку при температуре 1500 ^oС в коротких вращающихся печах.

Мокрый способ производства клинкера. Этот способ целесообразно применять при использовании мягкого и влажного сырья. Измельчение и смешивание известняка или мела и глины осуществляют в воде. Жидкотекучая масса с влажностью 35–45% называется шламом.

Глину перерабатывают в водную суспензию в глиноболтушках и подают совместно с дробленым известняком или мелом и корректирующими добавками в шаровую мельницу, где производят смешивание и помол. Далее известково-глиняный шлам подается в резервуары для хранения.

При комбинированном способе перед обжигом шлам обезвоживают, что позволяет уменьшить расход топлива на 20–30%. Обжиг сырьевой смеси осуществляют, в основном, во вращающихся печах. Длина печей — от 95 до 230 м и диаметр — 5–7 м. Располагаются они с уклоном. Работают по принципу противотока. С верхнего конца поступает порошок при сухом способе или шлам при мокром. С нижнего подается топливо (газ, мазут или молотый уголь), которое сгорает в виде 20–30-метрового факела, создавая температуру до 1450 ^oС. Сырье в печи, которая вращается со скоростью 1–2 об/мин, движется к нижнему концу навстречу горячим газам, проходя зоны с различными температурами. Их условно выделяют шесть: I — испарения, II — подогрева и дегидратации, III — декарбонизации, IV — экзотермических реакций, V — спекания, VI — охлаждения.

При сухом способе производства отсутствует зона испарения.

В зоне испарения при температуре от 70 до 200 ^oС происходит удаление свободной воды. Материал комкуется, а затем распадается на более мелкие частицы. В зоне подогрева и дегидратации при температуре от 200 до 700 ^oС выгорают органические примеси и начинается дегидратация каолинита Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O и других глинистых минералов. Образуется каолинитовый ангидрид Al₂О₃·2SiО₂.

В зоне декарбонизации в интервале температур 900–1200 ^oС происходит диссоциация углекислого кальция СаСО₃ с образованием свободного оксида кальция СаО и продолжается разложение глинистых минералов на оксиды SiO₂, Al₂О₃ и Fе₂О₃. Происходит также образование новых соединений: 2СаО ·SiO₂(С₂S), СаО ·Аl₂О₃(СА) и 2СаО ·Fe₂O₃(С₂F).

В зоне экзотермических реакций при температуре 1200–1300 ^oС происходит ускорение реакций в твердом состоянии с выделением теплоты. Материал в основном состоит из C₂S, С₃А, С₄АF и небольшого количества СаО в свободном состоянии.

В зоне спекания при температуре 1350–1450–1300 ^oС образуется 20–30% расплава. В него вначале переходят С₃А, С₄АF, СаО и МgО, а потом и С₂S. Затем С₂S вступает во взаимодействие с СаО и образуется основной минерал цементного клинкера С3S. Он плохо растворяется в расплаве и выделяется в виде кристаллов. При понижении температуры до 1300 ^oС жидкая фаза затвердевает, образуя кристаллы С₃А, С₄АF и MgO частично — стекла. Этот процесс продолжается в следующей зоне.

В зоне охлаждения при температуре 1300–1000 ^oС заканчиваются все процессы и формируется состав клинкера из кристаллов С₃S, С₂S, С₃А, С₄АF, МgО, СаО и стекловидной фазы, состоящей из С₃А и С₄АF. Затем клинкер охлаждают до температуры 100–200 ^oС и выдерживают на складе до двух недель. Внешне он представляет собой камневидные зерна размером до 40 мм.

Помол цементов. Портландцемент представляет собой темно-серый или зеленовато-серый порошок с удельной поверхностью зерен чаще всего от 2800 до 5000 см²/г. Тонкое измельчение клинкера совместно с гипсом и активными минеральными добавками осуществляется в шаровых (трубных) мельницах. Мельница представляет собой барабан размерами 3,95x11; 4,5x16,4 м и др., разделенный дырчатыми перегородками на две-четыре камеры, каждую из которых заполняют стальными шарами определенных размеров, а последнюю — цилиндрами. При вращении шары и цилиндры падают, истирая подаваемые материалы. На выходе из мельницы портландцемент имеет температуру 80–120 ^oС. Для охлаждения, а также гашения остатков несвязанного оксида кальция цемент выдерживают в силосах вместимостью 4–10 тыс. т, а затем отправляют потребителю в вагонах-цементовозах и автоцементовозах или затаривают в мешки.

Твердение портландцементов. При смешивании портландцемента с водой образуется тесто, которое постепенно густеет и превращается в камневидное тело. Эти изменения происходят при взаимодействии клинкерных минералов с водой и образовании новых соединений в результате реакций:

3СаО·SiO₂ + (n + 1) Н₂О = 2СаО·SiO₂·nН₂О + Са(ОН)₂;

2CaO·SiO₂ + nH₂О = 2CaO ·SiO₂·nН₂О;

3CaO·Al₂О₃ + 6Н₂О = 3СаО·Аl₂О·6НО;

4СаО+Аl₂О₃Fe₂O+ mH₂O = 3СаО·Al₂O₃·6H₂O + CaO₃ + 3Fe₂O₃·nH₂O.

Молотый клинкер схватывается в течение нескольких минут. Растворные и бетонные смеси на нем не жизнеспособны. Это происходит из-за быстрой гидратации трехкальциевого алюмината. Для замедления сроков схватывания вводится сульфат кальция, чаще всего в виде двуводного гипса, который взаимодействует с трехкальциевым гидроалюминатом и образует комплексное соединение — трехкальциевый гидросульфоалюминат:

3CaO ·Аl₂О₃ + 3(CaSО₄·2H₂O) + 25–26Н₂О = 3CaO·Аl₂О₃·3CaSO₄·31–32H₂О.

Это соединение располагается в виде защитного слоя и замедляет схватывание на 3–5 ч. Кроме того, гипс ускоряет твердение цемента в начальный период.

Активные минеральные добавки несколько изменяют характер твердения портландцементов. Их действие более полно проявляется в цементах с повышенным содержанием добавок — пуццолановых портландцементах и шлакопортландцементах. При введении добавок осадочного происхождения кроме гидратации минералов клинкера происходит взаимодействие продуктов гидратации и в первую очередь гидроксида кальция Са(ОН)₂ с активной составляющей добавок — аморфным кремнеземом SiO₂ с образованием водостойкого гидросиликата кальция CaO ·SiO₂·Н2О. При взаимодействии гидроалюминатов и SiO₂ образуются гидрогранаты типа 3CaO·A1₂О₃·nSiO₂(6–2n)Н₂О.

При твердении портландцементов с добавками доменных или электротермофосфорных гранулированных шлаков вначале происходит гидратация и гидролиз клинкерных минералов. Ионы Са2+, ОН-, а также SO^2-₄ в растворе создают среду, вызывающую щелочное и сульфатное возбуждение зерен шлака, которые вовлекаются в гидратацию. Гидроксид кальция связывается шлаковыми минералами. Преобладающими минералами становятся СаО·SiO₂·Н₂О, 2СaO·Аl₂О₃·8Н₂О, 2СаО·Аl₂О₃, SiO₂·8Н₂О.

Теория твердения портландцемента была изложена в 1923 году А.А. Байковым и в дальнейшем развита П.А. Ребиндером, А.К. Щепкиным и др. По современным представлениям процесс твердения происходит следующим образом.

В первый период при смешивании цемента с водой образуется насыщенный раствор, содержащий ионы Са²⁺, SO^2-₄, ОН⁺, К⁺. Из него создаются гидросульфоалюминат и гидроксид кальция.

Во второй период образуются тонкодисперсные кристаллы гидросиликатов кальция. Они растут в виде длинных волокон и вместе с гидросульфалюминатом образуют рыхлую матрицу. Подвижность смеси уменьшается, происходит схватывание.

В третий период увеличивается количество гидросиликатов, поры заполняются продуктами гидратации. Повышается плотность и прочность цементного камня.

Затвердевший цементный камень состоит из кристаллических и коллоидных гидратных веществ, не до конца гидратированных зерен цемента, пор, заполненных воздухом, и химически не связанной воды.

Портландцемент (без минеральных добавок). Портландцементом (без минеральных добавок) называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое помолом клинкера и двуводного гипса. Гипс вводят от 1,5 до 3,5% в перерасчете на ангидрид серной кислоты.

К основным свойствам портландцемента относят истинную и насыпную плотности, водопотребность, сроки схватывания, равномерность изменения объема, прочность, тепловыделение.

Истинная плотность составляет 3,1–3,2 г/см³. Более экономичны цементы с пониженной плотностью. Они дают более высокий выход цементного теста.

Насыпная плотность в рыхло насыпанном состоянии равна 900–1100 кг/м³, в уплотненном — 1400–1700 кг/м³. Чем тоньше измельчен цемент, тем он имеет меньшую насыпную плотность.

Водопотребность характеризуется количеством воды в процентах к цементу, необходимой для получения теста нормальной густоты. Она составляет 24–28%. Цементы с меньшей водопотребностью образуют более плотный цементный камень. Их качество более высокое. Водопотребность цемента можно уменьшить введением в его состав пластифицирующих добавок ЛСТ, ЛСТМ, С-3 и др.

Начало схватывания портландцемента должно наступать не ранее 45 мин, конец — не позже 10 ч. Сроки схватывания можно отрегулировать. Ускоряет их добавка CaCl₂, Ca(NO₃)₂, Nа₂SO₄, замедляют — Nа₃РО₄, Nа₂В₄О₇. На скорость схватывания влияют водоцементное отношение, температура, тонкость помола цемента. При хранении цемента на них воздействуют пары воды и углекислого газа. На поверхности зерен образуются пленки гидратных веществ и карбоната кальция, которые препятствуют гидратации и замедляют сроки его схватывания.

Важнейшим свойством портландцемента является равномерность изменения объема. Неравномерность изменения объема цемента уменьшает прочность бетона и может привести его к разрушению. Она вызывается гидратацией СаОсвоб при содержании его более 1,5–2%, MgOсвоб более 5%, при избыточном введении гипса.

По прочности портландцементы подразделяют на марки 400, 500, 550 и 600, которые устанавливают по активности — пределу прочности образцов в 28-суточном возрасте. Нарастание прочности для большинства цементов происходит по логарифмической зависимости. Через трое суток она составляет 35, через 7 суток — 65, через 90 — 125, через 1 год — 150% от марочной. Твердение цемента продолжается годами и может превысить марочную прочность в 2–3 раза.

На прочность портландцемента оказывает влияние минеральный состав портландцементного клинкера. Это видно из данных, приведенных в табл. 5.2. Портландцементы с повышенным содержанием минерала C₃S имеют наибольшую конечную прочность. Меньшая прочность — у портландцементов с высоким содержанием в клинкере минерала С₂S.

Активность портландцемента в раннем возрасте зависит от тонкости его помола. Размер зерен портландцемента составляет от 15 до 40 мкм. Глубина гидратации их через 6–12 мес. не превышает 10–15 мкм. Таким образом, до 20% цемента не участвует в гидратации. Повышение тонкости помола с 3 до 4–4,5 тыс. см³/г увеличивает активность на 15–20%. Существенно влияет на активность цемента продолжительность его хранения. Через 3 мес. хранения она снижается на 15–20%, через 6 мес. — на 20–30%. Еще быстрее теряют активность тонкоизмельченные портландцементы. Это происходит в результате образования на поверхности зерен гидратных соединений и карбоната кальция. Температура среды оказывает большое влияние на скорость твердения портландцемента. Повышение ее при условии достаточной влажности ускоряет интенсивность реакций между клинкерными минералами и водой. Наиболее быстро набирает прочность цементный камень при температуре 175–200 ^oС и выше и давлении 0,8–1,8 МПа. Ускоряется твердение при температуре 70–100 ^oС и атмосферном давлении. Особенно широко эти способы применяются в заводских условиях. При температуре от 0 до 8^oС твердение портландцемента замедляется, а ниже 0 ^oС, при замерзании воды, вообще прекращается. Применение добавок солей — нитрита натрия NaNO₂, поташа К₂CO₃ и др., понижающих температуру замерзания воды, — обеспечивают твердение цемента в растворах и бетонах при отрицательных температурах.

Таблица 2 Зависимость прочности и скорости ее роста от минерального состава портландцемента

Минеральный состав, %				Предел прочности, МПа, через
С3S	С2S	С3А	С4АF	3 сут.	7 сут.	28 сут.	3 мес.	6 мес.
70	5	12,5	12,5	12,8	23,8	34,6	38,3	39,8
55	20	12,5	12,5	12,6	19,7	36,9	36,9
40	35	12,5	12,5	6,3	11,6	26,4	26,4
25	30	12,5	12,5	3,3	8,8	20,3	20,3	26,9
Минеральный состав, %				Скорость нарастания прочности, % от 28 суточной
С3S	С2S	С3А	С4АF	3 сут.	7 сут.	28 сут.	3 мес.	6 мес.
70	5	12,5	12,5	40	69	100	111	115
55	20	12,5	12,5	38	60	100	112	114
40	35	12,5	12,5	31	57	100	130	145
25	30	12,5	12,5	25	66	100	152	201

Добавки хлорида кальция СаСl₂, сульфата натрия Na₂SO₄ и др. применяют как ускорители твердения и при обычных температурах.

Тепловыделение цемента является результатом экзотермических реакций между клинкерными минералами и водой. Оно зависит от минерального состава клинкера, тонкости помола, вещественного состава цемента и составляет: через 3 суток — 113–376; 7 суток — 130–418; 28 суток — 176–553 и через три месяца — 192–570 Дж/г цемента. Наибольшее количество тепла выделяют цементы с повышенным содержанием в клинкере минералов С₃S и С₃А, меньшее — при более высоком количестве С₂S и С₄АF. Эта характеристика имеет большое практическое значение.

При бетонировании массивных конструкций рекомендуются цементы с меньшим тепловыделением. Бетонирование зимой требует применение цементов с высоким тепловыделением.

Портландцемент применяют для бетонов, эксплуатируемых внутри здания при любой относительной влажности воздуха, на открытом воздухе при воздействии атмосферных факторов. Допускается для бетонов подземных сооружений, гидротехнических сооружений подводной, надводной и внутренней зон.

Цементы для бетонов зоны переменного уровня воды должны содержать в своем составе не более 8% минерала С₃А.

Портландцемент с минеральными добавками получают помолом клинкера, двуводного гипса и активных минеральных добавок. Добавок разрешается вводить до 20%. Выпускают его марок 400, 500, 550 и 600. Допускается марка 300. Этот цемент имеет, в основном, такие же свойства, что и чисто клинкерный портландцемент. Добавки несколько повышают его водостойкость, сульфатостойкость. Морозостойкость же уменьшается. Замена клинкера более дешевыми минеральными добавками уменьшает его стоимость.

Он применяется в строительстве вместо портландцемента. Разновидностями портландцемента с минеральными добавками являются специальные цементы с минеральными добавками — быстротвердеющий и сульфатостойкий портландцементы.

Шлакопортландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, получаемое помолом портландцементного клинкера, гипса и гранулированных доменного или электротермофосфорного шлака. Шлаки вводятся от 21 до 80%. До 10% их может заменяться активной минеральной добавкой.

Истинная плотность шлакопортландцемента составляет 2,8–3 г/см³, насыпная в рыхлонасыпанном — 900–1200, а в уплотненном — 1400–1700 кг/м³.

Водопотребность и сроки схватывания шлакопортландцемента примерно такие же, как у портландцемента.

По прочности шлакопортландцемент выпускают марок 300, 400 и 500. Он характеризуется замедленной скоростью твердения в начальный период. В дальнейшем она нарастает, и к 6–12 месяцам прочность шлакопортландцемента сравнивается с портландцементом и даже ее превышает. Термообработка при температуре 80–95^oС активизирует твердение шлакопортландцемента. Поэтому его рекомендуют применять при заводском изготовлении изделий.

Тепловыделение шлакопортландцемента при твердении в течение первых 1–3 суток на 15–30% меньше, чем у портландцемента. Он медленно набирает прочность при пониженных положительных температурах. Поэтому он эффективен в массивных конструкциях и нежелателен при зимнем бетонировании.

Жаростойкость шлакопортландцемента из-за пониженного содержания в цементном камне гидроксида кальция выше, чем у портландцемента, и составляет 600–800 ^oС, поэтому его рекомендуют для жаростойких бетонов.

Морозостойкость шлакопортландцемента ниже, чем у портландцемента. Бетоны на этом цементе выдерживают 50–100 циклов испытаний.

Небольшое количество в цементном камне гидроксида кальция повышает стойкость его в мягких водах. Снижение гидроксида кальция в жидкой фазе твердеющего цемента препятствует образованию эттрингита 3СаО·Al₂О₃·3CaSO₄·31–32H₂О. Поэтому он имеет повышенную стойкость в сульфатных водах.

Шлакопортландцемент — одно из самых распространенных вяжущих. Выпускают его в количестве 25% от всех цементов. Применение шлака, который не следует обжигать, делает его стоимость на 15–20% ниже стоимости портландцемента.

Разновидностями шлакопортландцемента являются быстро твердеющий и сульфатостойкий шлакопортландцементы.

Специальные портландцементы. Цементная промышленность в основном выпускает портландцемент с содержанием в клинкере минералов C₃S — 45–55%, C₂S — 25–30%, С₃А — 8–13% и C₄AF — 12–18%. Он пригоден для большинства бетонных и железобетонных конструкций. Однако в отдельных областях строительства необходимы цементы со специальными свойствами.

Строительство при отрицательных температурах требует применения быстротвердеющих портландцементов и имеющих повышенное тепловыделение. Такие же цементы необходимы при заводском изготовлении бетонных и железобетонных изделий.

Для гидротехнических массивных сооружений подводной зоны должны применяться цементы с пониженным тепловыделением, для зоны переменного уровня воды — с повышенной морозостойкостью.

Портландцемент для бетонных покрытий автомобильных дорог должен иметь повышенную морозостойкость, небольшую усадку и набухание.

К специальным относят быстротвердеющие, сульфатостойкие, белый и цветные, расширяющийся и напрягающийся, пластифицированный и гидрофобный цементы.

Быстротвердеющие портландцементы. К ним относят: быстротвердеющий и особо быстро твердеющий портландцементы и быстротвердеющий шлакопортландцемент.

Портландцемент быстротвердеющий получают совместным измельчением портландцементного клинкера нормированного минерального состава с гипсом. Допускается вводить до 10% активных минеральных добавок и до 15% доменных или электротермофосфорных гранулированных шлаков.

Выпускают его марок 400 и 500. Для него дополнительно нормируется прочность в возрасте 3 суток. При изгибе она должна быть соответственно 4 и 4,5 МПа, при сжатии — 25, 28 МПа.

Интенсивный рост прочности в начальный период происходит за счет повышенного содержания в клинкере быстро твердеющих минералов и тонкости помола. Сумма минералов С₃S и С₃А должна быть не менее 60–65%, удельная поверхность зерен — 3500–4500 см²/г.

Быстротвердеющий портландцемент рекомендуется применять для изготовления бетонных и железобетонных изделий в заводских условиях, в особенности предварительно напряженных. Через 4–6 часов тепловой обработки бетон набирает прочность, равную 70–80% от марочной. Это позволяет ускорить оборачиваемость форм и камер тепловой обработки. Целесообразно применять его при пониженных температурах. Бетон быстрее набирает прочность за счет высокого тепловыделения цемента. Этот цемент не следует применять в гидротехнических сооружениях для подводной зоны в связи с пониженной водостойкостью, для зоны переменного уровня воды в связи с невысокой морозостойкостью, для внутренней зоны массивных сооружений в связи с большим тепловыделением. Тонкость помола его высокая, и он быстро теряет активность.

Особо быстро твердеющий портландцемент является разновидностью быстротвердеющего. Выпускают его марок 500, 550 и 600. Через сутки он набирает прочность не менее 30 МПа. Быстрота твердения достигается за счет высокого содержания минерала С₃S (60–65%), ограниченного (до 8%) минерала С₃А и повышенной тонкости помола. Применяют его в основном для аварийно-восстановительных работ.

Быстротвердеющий шлакопортландцемент получают совместным помолом портландцементного клинкера нормированного минерального состава с гипсом и доменным гранулированным шлаком. Шлака вводят 30–50%.

В клинкере должны содержаться быстро твердеющие минералы: С₃S — 55–65% и С₃А — 8–12%.

Тонкость помола должна составлять 4000–5000 см/г. Выпускают его марок 400 и 500. Предел прочности в возрасте 3 суток должен составлять соответственно: при изгибе — 4 и 4,5, при сжатии — 25–28 Мпа.

Применяют быстротвердеющий шлакопортландцемент для изготовления сборных и монолитных конструкций с повышенной начальной прочностью.

Сульфатостойкие портландцементы. К этой группе относят: сульфатостойкий портландцемент, сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками, сульфатостойкий шлакопортландцемент и пуццолановый портландцемент.

Сульфатостойкий портландцемент получают из клинкера нормированного минерального состава и гипса. Содержание СS не должно превышать 50%, С₃А — 5%, сумма С₃А + С₄АF — 22%. Высокая сульфатостойкость этих цементов объясняется ограниченным содержанием минералов С₃А, С₃S и С₄АF. Он имеет также высокую морозостойкость.

Выпускают его марки 400. Применяют для бетонов, подвергающихся воздействию агрессивных сульфатных вод, в том числе при попеременном замораживании и оттаивании, увлажнении и высыхании в зоне переменного уровня воды гидротехнических сооружений, подвергающихся воздействию отрицательных температур в суровых климатических условиях.

Допускается применять для бетона, эксплуатируемого внутри здания с любой относительной влажностью воздуха, на открытом воздухе при действии атмосферных факторов. По экономическим соображениям его нецелесообразно применять для бетонов, к которым не предъявляют требования по сульфатостойкости и морозостойкости.

Сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками получают помолом сульфатостойкого портландцементного клинкера, доменного либо электротермофосфорного гранулированного шлака или активных минеральных добавок и гипса. Шлака вводят от 10 до 20%, активных минеральных добавок осадочного происхождения — от 5 до 10%. Добавки значительно повышают сульфатостойкость цемента, морозостойкость же понижают.

Выпускают его марок 400 и 500. Применяют там же, где и сульфатостойкий портландцемент без минеральных добавок, за исключением гидротехнических бетонов зоны переменного уровня воды, эксплуатируемых в суровых климатических условиях.

Сульфатостойкий шлакопортландцемент получают из портландцементного клинкера нормированного минерального состава, доменного или электротермофосфорного гранулированного шлака и гипса.

При наличии в клинкере минерала С₃А до 5% следует применять от 21 до 60% шлака с содержанием оксида алюминия до 10%. Если же оксида алюминия в шлаке 10–12%, то шлака в цемент вводят от 40 до 60%.

Выпускают его марок 300 и 400. Применяют для изготовления сульфатостойких бетонов. Не рекомендуется — для морозостойких бетонов и бетонов, подверженных попеременному увлажнению и высушиванию.

Пуццолановый портландцемент — вяжущее вещество, получаемое совместным измельчением портландцементного клинкера с содержанием минерала С3А до 8%, активной минеральной добавки и гипса. Добавок осадочного происхождения (диатомита, трепела, опоки) берется от 20 до 30%, вулканического происхождения (зол, глиежей) — от 25 до 40%.

Добавки оказывают влияние на свойства пуццоланового портландцемента, и он отличается от портландцемента.

Истинная плотность его составляет 2,7–2,9 г/см³, насыпная — 900–1100 кг/м³, что меньше, чем у портландцемента.

Он имеет повышенную нормальную густоту цементного теста до 30–40%, вследствие чего его расход в бетонах по сравнению с портландцементом увеличивается на 15–20%.

По прочности пуццолановый портландцемент подразделяют на марки 300 и 400. Рост прочности в начальный период замедленный. При твердении выделяется меньше тепла, чем у портландцемента, поэтому его не следует применять при пониженных температурах и рекомендуется для массивных конструкций. Наиболее интенсивно он набирает прочность при автоклавной обработке.

При длительном хранении на складах пуццолановый портландцемент теряет активность быстрее портландцемента. Происходит это в результате поверхностной гидратации зерен цемента в связи с гигроскопичностью добавок.

Пуццолановые портландцементы с добавками осадочного происхождения имеют пониженную воздухостойкость. Пониженная влажность среды может привести к образованию усадочных трещин в бетоне. Их не следует применять для бетонов с относительной влажностью воздуха менее 60% и на открытом воздухе при действии атмосферных факторов.

При эксплуатации во влажной среде гелеобразные составляющие цементного камня набухают. Водонепроницаемость его повышается. Поэтому его рекомендуют применять для водонепроницаемых бетонов.

В связи с высокой водопотребностью бетоны на пуццолановых портландцементах имеют пониженную морозостойкость. Они выдерживают всего 25–50 циклов испытаний. Поэтому их не следует применять в гидротехнических сооружениях зоны переменного уровня воды, подверженных воздействию знакопеременных температур, для дорожных бетонов.

Декоративные портландцементы — это белые и цветные портландцементы.

Портландцементы белые получают совместным помолом маложелезистого клинкера с гипсом с добавками или без них.

Темно-серый цвет обычного цемента зависит от содержания в нем оксидов железа, марганца и др. Лучшие белые портландцементы не должны содержать F₂О₃ более 0,25–0,35%, а МnО — 0,05–0,15%. Это достигается пригленением мела или известняка с Fe2O3 до 0,15% и каолина с Fe₂O₃ до 1%.

Для повышения белизны клинкер обжигают в восстановительной атмосфере и отбеливают быстрым охлаждением водой.

По вещественному составу различают портландцемент белый без минеральных добавок и портландцемент белый с активными минеральными добавками и добавками-наполнителями не более 20%. В качестве активной минеральной добавки применяют белый диатомит.

По белизне эти цементы имеют три сорта, по прочности — две марки — 400 и 500. Применяют их для декоративных белых бетонов и растворов при наружной и внутренней архитектурной отделке зданий, сооружений, для приготовления цементных красок.

Портландцементы цветные получают совместным измельчением белого или цветного клинкера, минеральных или органических красителей, гипса и активной минеральной добавки. Пигмента вводят не более 15%, органического красителя — не более 0,5%. Добавкой служит белый диатомит (до 6%). Выпускают красного, желтого, зеленого, голубого, розового и черного цветов.

По прочности подразделяют на марки 300, 400 и 500. Применяют для изготовления цветных бетонов и растворов, цементных красок.

Расширяющиеся портландцементы. К этой группе относят расширяющийся портландцемент и напрягающийся цемент.

Расширяющийся портландцемент получают помолом 56–65% портландцементного клинкера, 5–7% высокоглиноземистого злака, 7–10% двуводного гипса и 20–28% активной минеральной добавки.

Степень расширения в трехсуточном возрасте должна быть не менее 0,1%. Гипс и высокоглиноземистый шлак при взаимодействии с водой образуют трехкальциевый гидросульфоалюминат, который приводят к расширению цементного камня. Гидравлическая добавка является стабилизатором.

Начало схватывания расширяющегося портландцемента должно наступать не ранее 30 мин, конец — не позднее 12 часов.

Выпускают его марок 400, 500 и 600. На этом цементе получают бетонные и железобетонные изделия повышенной водонепроницаемости, он быстро набирает прочность при пропаривании.

Применяют для безусадочных, расширяющихся и водонепроницаемых бетонов и растворов, а также целесообразно — для сборных изделий заводского изготовления.

Цементы напрягающие получают помолом 65–70% портландцементного клинкера, 16–20% высокоглиноземистого шлака и 14–16% гипса.

Для него нормируется энергия самонапряжения, которая в возрасте 28 суток для НЦ-20 должна быть не менее 2, для НЦ-40 — 4, для НЦ-60 — 6 МПа. Линейное расширение составляет 3–4%. Как и у расширяющегося портландцемента, оно вызывается образованием трехкальциевого гидросульфоалюмината. Энергии расширения достаточно для натяжения арматуры в железобетонных конструкциях.

Начало схватывания НЦ должно наступать не ранее 30 мин, конец — не позднее 4 ч. Замедлителями служат декстрин, борная кислота, ЛСТ и др.

По прочности в возрасте 3 суток этот цемент имеет марку 500, предел прочности через одни сутки должен быть не менее 20–30 МПа, через 28 суток — не менее 85 МПа.

Применяют напрягающий цемент для изготовления самонапряженных железобетонных изделий: труб, резервуаров высокой водонепроницаемости, для дорожных и аэродромных покрытий.

Портландцементы с добавками поверхностно-активных веществ. К этой группе относят пластифицированный и гидрофобный портландцементы.

Портландцемент пластифицированный получают введением в любой цемент пластифицирующих добавок, чаще всего — лингосульфонатов технических (ЛСТ) — отходов сульфатной варки целлюлозы. Их добавляют при помоле в количестве 0,1–0,3% от массы цемента. Адсорбируясь на поверхности зерен цемента, добавка улучшает смачиваемость их водой. Трение между зернами улучшается, водопотребность цемента уменьшается.

Применение пластифицированного цемента повышает удобоукладываемость бетонных смесей. За счет уменьшения расхода воды можно повысить плотность бетона и, как следствие, его прочность, водонепроницаемость и морозостойкость. При сохранении удобоукладываемости бетонной смеси на заданном уровне можно сократить расход цемента на 5–10%.

Вместе с тем пластифицирующая добавка замедляет гидратацию клинкерных минералов цементов в начальный период. Это ограничивает их применение при отрицательных температурах и заводском изготовлении изделий без ускорителей твердения.

Портландцемент гидрофобный получают введением в цемент при помоле гидрофобизирующих добавок в количестве 0,06–0,3%. Это мылонафт и асидол, получаемые из отходов очистки дистиллятов нефти, метилсиликонат и этилсиликонат натрия (ГКЖ-10 и ГКЖ-11) и др. Адсорбируясь на поверхности зерен, добавки образуют водоотталкивающую пленку, которая изменяет свойства цемента. Понижается гигроскопичность. Цемент не впитывает капель воды в течение 5 минут, в отличие от обычного, когда вода впитывается через 1–2 с.

Он не теряет активности при хранении длительное время, не комкуется. При перемешивании бетонных смесей пленка срывается, и гидрофобные цементы набирают прочность так же, как и обычные. Удобоукладываемость бетонных смесей и их однородность увеличиваются, повышаются водонепроницаемость и морозостойкость бетона, уменьшаются водопоглощение и капиллярный подсос. Его рекомендуется применять для гидротехнического и дорожных бетонов, при длительном хранении.

Цементы для строительных растворов. Их изготавливают совместным помолом портландцементного клинкера (не менее 20%), активных минеральных добавок (гранулированные доменные или электротермофосфорные шлаки), наполнителей (кварцевый песок, известняк, мрамор) и гипса. Выпускают его марки 200.

Применяют для изготовления строительных растворов и неармированных бетонов классов 30 и ниже. В связи с замедленным твердением его не рекомендуют применять при температуре воздуха ниже +10 ^oС.

Сланцезольный цемент. Этот цемент получают совместным помолом портландцементного клинкера, золы-уноса горючих сланцев и гипса. Золы вводят 20–30%. Прочность его в 26-суточном возрасте на 20–40% выше прочности чистоклинкерного цемента. Это объясняется тем, что сланцезольный цемент имеет микрокристаллическую структуру, в результате чего уменьшается его водопотребность и повышается прочность цементного камня бетона.