3.2. Гідравлічні в’яжучі речовини

В групу гідравлічних в’яжучих входять гідравлічне вапно і вапновміщуючі в’яжучі, романцемент, портландцемент, шлакопортландцемент, пуцолановий і глиноземистий цементи і їх різновиди. Для будівництва найбільше значення мають портландцемент і похідні від нього в’яжучі матеріали.

Вапновміщуючі в’яжучі. Першими гідравлічними в’яжучими були гідравлічне вапно і романцемент. Гідравлічне вапно отримують помірним випалом мергелистих вапняків, які містять 8…20 % глинистих домішок (романцемент – не менше 25 %). Його здатність повільно твердіти у воді обумовлена вмістом, крім вільних оксидів СаО і МgО, ще і мінералів-силікатів, алюмінатів, феритів (2СаО·SiО₂, ЗСаО·Аl₂О₃, 2СаО·Fе₂О₃) та ін. Гідравлічне вапно розділяють на слабогідравлічне (СаО + МgО 40…65 %) і сильногідравлічне (СаО + МgО 5…40 %). Границя міцності зразків через 28 діб твердіння для слабогідравлічного вапна повинна бути не менш: на стиск 1,7, на згин 0,4 МПа, для сильно-гідравлічного відповідно 5 і 1 МПа. Гашення гідравлічного вапна проходить повільно, пластичність розчинів на його основі нижча, ніж на основі повітряного.

Суміш повітряного чи гідравлічного вапна з гранульованим шлаком або золою виносу та іншими активними мінеральними добавками дає змішані гідравлічні в’яжучі. Вміст вапна в них в перерахунку на активні СаО + МgО повинен бути в межах 10…50 % за масою. Для них характерний початок тужавлення не раніше 25хв., кінець – не пізніше 24 год. від початку затворення. Марки цих в’яжучих, які визначаються границею міцності через 28 діб зразків-балочок розмірами 40×40×160 мм з розчину складу 1:3 (по масі) з нормальним піском, – 50, 100, 150, 200. Розглянуті в’яжучі застосовуються в основному для приготування низькомарочних будівельних розчинів і бетонів.

П о р т л а н д ц е м е н т - гідравлічна в'яжуча речовина, що твердіє у воді і на повітрі. Його отримують шляхом сумісного тонкого помелу клінкеру, необхідної кількості гіпсу та інших добавок. П о р т л а н д ц е м е н т н и й к л і н к е р - продукт спікання сировинної суміші певного хімічного складу, що забезпечує після випалювання переважання силікатів кальцію.

Цементна промисловість випускає значну кількість цементів на основі портландцементного клінкеру, які умовно можна поділити на цементи загальнобудівельного і спеціального призначення.

Згідно державного стандарту, який діє на Україні (ДСТУ Б В.2.7-46-96), цементи загальнобудівельного призначення поділяють на 5 типів за речовинним складом і міцністю на стиск в 28-добовому віці:

Тип І - портландцемент (від 0 до 5% мінеральних добавок, марки 300,400, 500, 550, 600);

Тип II - портландцемент з добавками (від 6 до 35% мінеральних добавок), марки 300,400, 500,550, 600;

Тип III - шлакопортландцемент (від 36 до 80% доменного грану­льованого шлаку), марки 300,400, 500;

Тип IV - пуцолановий цемент (від 21 до 55% мінеральних доба­вок), марки 300, 400, 500;

Тип V - композиційний цемент (від 36 до 80% мінеральних доба­вок), марки 300, 400, 500.

За міцністю в ранньому віці (після двох або семи діб тверднен­ня) цементи марок 400 і 500 поділяють на два види: цемент із звичай­ною міцністю в ранньому віці і швидкотверднучий.

При умовному позначенні цементу вказують його тип і спеціаль­ні ознаки (висока міцність в ранньому віці - Р; пластифікація і гідрофобізація – ПЛ, ГФ, нормованість мінералогії – Н). Наприклад, портландцемент марки 400 з добавкою до 20% шлаку, пластифікований, швидкотверднучий позначається ПЦ-ІІ/А-Ш-400Р-ПЛ ДСТУ…

К л і н к е р – напівфабрикат для виробництва цементу. Його отримують випалом до спікання сировинної суміші певного хімічного складу.

Для портландцементу сировиною служать карбонатні і глинисті породи (крейда, вапняк, глини, суглинки та ін.) і їх природні суміші – мергелі. Застосовують також побічні продукти інших галузей промисловості – доменні шлаки, золи, нефеліновий шлам та ін. Склад сировинної суміші підбирається таким чином, щоб забезпечити в клінкері вміст оксидів в наступних межах, %:

CaO – 63…66; SiO₂ – 21…24; Аl₂О₃ – 4…8; Fе₂О₃ – 2...4; МgО – 0,5…5; SO₃ – 0,3…1; Na₂O + K₂O – 0,3…1; ТіО₂ + Сr₂О₃ – 0,2…0,5; Р₂О₅ – 0,1…0,3.

Виробництво портландцементу полягає в добуванні, подрібненні і змішуванні сировинних матеріалів, випалі однорідної сировинної суміші до спікання, подрібненні отриманого клінкеру з гіпсом і, при необхідності, з іншими добавками до порошкоподібного продукту – цементу. Можливі два основних способи виробництва портландцементу – мокрий і сухий. При найбільш поширеному в нашій країні мокрому способі в процесі подрібнення сировинних матеріалів вводиться вода, і сировинна суміш поступає на випал у вигляді водяної суспензії – шламу вологістю 33…42 %. Введення води в сировинну суміш полегшує її помел, досягається висока однорідність, однак при цьому (в 1,5…2 рази) підвищується витрата палива. При сухому способі сировинні матеріали після подрібнення висушуються і поступають на випал в порошкоподібному або гранульованому вигляді. Цей спосіб завдяки високим техніко-економічним показникам отримує все більше поширення.

П ри випалі сировинної суміші по мірі підвищення температури проходить ряд фізичних і хімічних процесів. Випал клінкеру завершується при температурі приблизно 1450 °С. Помел клінкеру проводиться в трубних млинах (рис. 3.1) з мелючими тілами – стальними кулями і циліндрами.

Фізико-механічні властивості портландцементу залежать від багатьох факторів, з яких головними є його хіміко-мінералогічний склад і тонкість помелу. Портландцемент – багатомінеральний продукт (рис. 3.2). Основним мінералом портландцементу є а л і т – трикальцієвий силікат 3СаО·SiО₂, який містить 2…4 % Аl₂О₃, МgО та ін. Із збільшенням вмісту аліту, який складає 45…60 % маси клінкеру, підвищується міцність, прискорюється твердіння, однак затруднюється випал портландцементу. На відміну від аліту б е л і т – двокальцієвий силікат β-2СаО·SіО₂,з домішками Аl₂О₃, Fe₂О₃ та ін. Він складає 15…30 % маси клінкеру, твердіє повільно і отримує високу міцність л ише у віддалені терміни – 1..2 роки.

Крім мінералів-силікатів у портландцемент входять трикальцієвий алюмінат 3СаО·Аl₂О₃ (5…15 %) і твердий розчин алюмоферитів, близький по складу до 4СаО·Аl₂О₃·Fe₂О₃ (10…20 %). Т р и к а л ь ц і є в и й а л ю м і н а т сприяє швидшому твердінню портландцементу, однак знижує його морозостійкість і стійкість в мінералізованих водах. Чотирикальцієвий алюмоферит, так само, як і беліт, отримує велику міцність лише протягом довгого проміжку часу. До складу портландцементу входять в невеликих кількостях лужні сполуки, вільні оксиди кальцію і магнію та ін. Основну масу портландцементу складають зерна 5…40 мкм. При просіюванні через сито №008 повинно проходити не менше 85 % маси просіюваної проби. Більш загальним показником тонкості помелу є питома поверхня цементного порошку (як правило, вона складає 2500…3000 см²/г), однак при тонкому помелі зростають витрати електроенергії. Для інтенсифікації помелу вводять спеціальні добавки, які не погіршують якість цементу.

Густина портландцементу 3…3,2 г/см³, насипна густина в розсипчастому стані складає 900…1100, а в ущільненому - 1400…1700 кг/м³, Основними фізико-механічними якостями портландцементу є водопотреба, строки тужавлення, рівномірність зміни об’єму і міцність.

Водопотребу цементів оцінюють кількістю води замішування в процентах від маси цементу, необхідної для утворення тіста нормальної густоти. Нормальна густота цементного тіста – це така його консистенція, коли голка приладу Віка не доходить на 5…7 мм до пластини, на якій встановлено кільце, заповнене тістом. Нормальна густота портландцементу 24…29 %. Вона зростає із збільшенням вмісту С₃А, при введені добавок осадового походження – опоки, трепелу, діатоміту і ін., а зменшується за рахунок пластифікуючих поверхнево-активних добавок. Із збільшенням водопотреби цементу збільшується необхідна витрата води в бетонних сумішах заданої рухливості, і в результаті росте витрата цементу, погіршуються якості бетону.

Т у ж а в л е н н я – це перша стадія твердіння цементного тіста. Воно характеризується початком – часом від моменту зачинення до початку загустіння (голка приладу Віка не доходить до пластинки на 1…2 мм) і кінцем – часом від моменту зачинення до повної втрати цементним тістом пластичності (голка приладу Віка занурюється в тісто не більше ніж на 1 мм). Строки тужавлення цементу нормуються у межах, зручних для виготовлення бетонів і розчинів, і регулюються добавками, які містять двоводний гіпс (не більше 3,5 % по SО₃). Початок тужавлення портландцементу повинен наступати не раніше 45 хв. для цементу марок М550 і М600 і 60 хв. - для марок 300, 400, 500, а кінець – не пізніше 10 год.

Процес твердіння портландцементу супроводжується зміною об’єму в результаті деформацій усадки на повітрі чи набуханні у воді. При цьому обов’язковою вимогою є р і в н о м і р н і с т ь з м і н и о б ’ є м у цементу, яка визначається оглядом зразків з тіста нормальної густоти, що тверділи добу у ванні з гідравлічним затвором, а потім витриманих 3 год. в киплячій воді. На зразках не повинно бути тріщин, викривлень і інших ознак пошкодження. Нерівномірність зміни об’єму цементу може бути викликана напруженнями розширення в затверділому цементному камені при надлишку оксидів кальцію і магнію, сульфатів і інших шкідливих компонентів. Важливою якістю цементу, яка визначає його придатність до виготовлення бетонів і розчинів, є міцність, яку визначають випробуванням зразків-балочок розміром 4×4×16 см спочатку на згин, а потім утворених половинок - на стиск. Зразки виготовлюють вібрацією з розчинної суміші яка містить по масі одну частину цементу і три частини нормального (Вольського) піску. Консистенція суміші при водоцементному відношенні, рівному або меншому 0,4, повинна характеризуватися розпливом конуса 106…115 мм. Границя міцності при стиску зразків, які тверділи протягом 28 діб, називається активністю цементу. В залежності від активності і границі міцності при згині для портландцементу і портландцементу з мінеральними добавками встановлені марки 300, 400, 500, 550 і 600 (табл. 3.3).

Таблиця 3.3. Вимоги до міцності цементів

Марка	Межа міцності через 28 діб, МПа, не менше
	2 доби	7 діб	28 діб
300	—	15	30
400	—	20	40
400Р	15	—	40
500	15	—	50
550	20	—	55
600	25	—	60

Крім хіміко-мінералогічного складу і тонкості помелу, на міцність цементу впливає ряд інших факторів. Позитивно впливають рівномірно зерниста структура клінкеру, легуючі добавки деяких оксидів та ін. Активність цементу знижується при довгому зберіганні під дією вологи і СО₂ повітря.

Твердіння портландцементу. В результаті взаємодії мінералів, які містяться в цементі, з водою утворюються нові сполуки – гідрати. При гідратації мінералів-силікатів такими сполуками є гідросилікати. Так, процес гідратації С₃S можна представити рівнянням: 2(3СаО·SiO₂) + 6Н₂О = 3СаО·2SiO₂·3Н₂О + 3Са(ОН)₂.

Склад утворюваних при реакції гідросилікатів залежить від температури і концентрації гідроксиду кальцію.

Трикальцієвий алюмінат С₃А в присутності гіпсу, який міститься у цементі, і води утворює гідросульфоалюмінат кальцію (етрингіт), який сповільнює процес тужавлення цементного тіста:

3СаО·Аl₂О₃ + 3CaS0₄·2Н₂О + 25Н₂О = 3СаО·Аl₂О₃·3CaSО₄·31Н₂О.

При гідратації C₄AF поряд з гідросульфоалюмінатом утворюється і гідросульфоферит кальцію або твердий розчин цих двох сполук. Хімічні реакції починають протікати зразу після змішування цементу з водою. Компоненти цементу розчиняються, і вже через кілька хвилин утворюється розчин, який заповнює простір між зернами і пересичений по відношенню до гідроксиду кальцію, що виділяється при гідролізі аліту. Першими гідратними новоутвореннями є етрингіт і гідроксид кальцію. Потім утворюються дуже дрібні гідросилікати кальцію.

Механізм твердіння цементу дуже складний. У відповідності з сучасними уявленнями, розвинутими під керівництвом акад. П. О. Ребіндера, з пересиченого розчину новоутворення кристалізуються в два етапи. Протягом першого проходить формування каркасу з появою контактів зростання між кристалами новоутворень. При цьому можливий також ріст кристалів, які зростаються між собою. Протягом другого етапу нові контакти не виникають, а проходить лише обростання вже існуючого каркасу, тобто ріст складаючих його кристалів. В результаті підвищується міцність цементного каменю, однак можуть виникнути і внутрішні розтягуючі зусилля. Вирішальну роль грає пересичення розчину. При малому пересиченні кількість кристалів невелика, вони не зростаються. Для найбільшої міцності штучного каменю необхідні оптимальні умови гідратації, які забезпечують виникнення новоутворень достатньої величини при мінімальних напруженнях.

Другий напрямок в теорії цементів оснований роботами акад. О. О. Байкова, у відповідності з якими можна виділити три періоди твердіння: 1) розчинення в’яжучого у воді до утворення насиченого розчину; 2) пряме (без розчинення) приєднання води до цементу і виникнення колоїдних гідратів; 3) перекристалізація колоїдних частинок в більш крупні і ріст міцності.

Твердіння портландцементу залежить в значній мірі від температурно-вологісних умов. Так, пониження температури від 20 °С до 5 ºС сповільнює твердіння в 2…3 рази, а підвищення до 80 °С збільшує швидкість гідратації в 6 разів. При температурах нижчих –10 °С гідратація цементу практично припиняється.

Нормальне протікання процесів твердіння можливе лише при достатній вологості середовища, підвищення температури не повинно супроводжуватися висиханням. Прискорення фізико-хімічних процесів твердіння портландцементу при тепловій обробці (пропарювання, елктропрогрів та ін.) дозволяє отримувати в короткий строк бетонні і залізобетонні вироби з необхідною відпускною міцністю.

Корозія цементного каменю. Цементний камінь, який є основою бетону, при впливі агресивного середовища кородує - руйнується. Для споруд з бетону і залізобетону найбільш небезпечна хімічна корозія в природних водах. За В. М. Москвіним хімічні корозійні процеси при впливі водного середовища можна розділити на три види.

Корозія першого виду пояснюється розчиненням деяких компонентів цементного каменю, і в першу чергу гідроксиду кальцію – продукту гідролізу трикальцієвого силікату (корозія вилуговування). Вона іде інтенсивно в м’яких водах, особливо при фільтрації води через бетон. При вилуговуванні Са(ОН)₂ поряд із зменшенням щільності і порушенням структури цементного каменю починається розклад інших гідратів, стійких лише при певній концентрації СаО.

Корозія другого виду основана на обмінних хімічних реакціях взаємодії між цементним каменем і агресивним водним розчином з утворенням легкорозчинних, вимиваємих солей чи аморфних продуктів, які не мають в’яжучі якості. До неї можна віднести кислотну, вуглекислу і магнезіальну корозії. Кислотність природних вод обумовлена в основному присутністю в них СО₂ і гумінової кислоти. Гідроксид кальцію, що міститься в цементному камені, спочатку взаємодіє з СО₂ з утворенням малорозчинного СаСО₃, а потім при його надлишку утворює розчинний гідрокарбонат, що вимивається з бетону:

Са(ОН)₂ + СО₂ + Н₂О = СаСО₃ + 2Н₂О,

С аСО₃ + СО₂+ Н₂О Са(НСО₃)₂.

При збільшенні жорсткості води кількість вільного CO₂ зменшується і вуглекисла корозія менш небезпечна.

Корозія третього виду також викликана обмінними реакціями речовин, розчинених у воді з компонентами цементного каменю, однак продуктами їх є малорозчинні солі, кристалізація яких іде в порах і капілярах із збільшенням об’єму. Типовим прикладом корозії цього виду являється сульфатна корозія. Вона викликається іонами SO₄^2–, джерелом яких є сульфати кальцію, магнію і натрію. Різновиди сульфатної – сульфоалюмінатна і гіпсова корозія. При сульфоалюмінатній корозії іде реакція між сульфатом кальцію, який знаходиться у воді, та гідроалюмінатами в цементному камені з утворенням етрингіту 3СаО·Аl₂О₃·3CaSО₄·31Н₂О, що супроводжується значним збільшенням об’єму і виникненням руйнівних напружень. При більшій концентрації сульфатів (більше 1000 мг/л SO₄^2–) в капілярах цементного каменю кристалізується гіпс (гіпсова корозія).

Корозію цементного каменю викликає також взаємодія лугів цементу з активним кремнеземом, який міститься в таких мінералах, як опал, халцедон та ін., що зустрічаються в заповнювачах бетону. Небезпечні напруження при цьому є наслідком утворення драглеподібних лужних силікатів.

Хімічну корозію цементного каменю викликають не тільки природні води. Його руйнують різні хімічні продукти в конструкціях промислових і сільськогосподарських підприємств (органічні кислоти, масла, розчини гліцерину і цукру та ін.).

Вияснення причин і механізму корозії цементного каменю дозволяє вибрати спосіб підвищення його стійкості. У всіх випадках позитивно впливають підвищення густини бетону за рахунок зменшення водовмісту і водоцементного відношення бетонної суміші, а також введення пластифікуючих, полімерних та ін. добавок. Більш стійкими до корозії вилуговування і сульфатної корозії є цементи, які містять активні мінеральні добавки (пуцолановий і шлакопортландцемент). Для антикорозійного захисту застосовують просочування конструкцій бітумом, петролатумом і іншими смолами, обробку поверхонь розчином силікату натрію, кремнефтористих солей, а також гідроізолюють бетон мастичними або рулонними бітумними і полімерними матеріалами, облицьовують його природним каменем, пластмасами , керамічними та іншими матеріалами.

Р і з н о в и д и ц е м е н т у. Різні умови служби бетонів та розчинів в різноманітних середо­вищах та конструкціях обумовили необхідність виробництва широко­го асортименту різних видів цементу на основі портландцементого клінкеру. Більша частина всього обсягу випуску цементу в нашій краї­ні припадає на портландцемент з мінеральними добавками (тип II). Використання різних мінеральних добавок призводить до економії найдорожчого та енергоємного напівфабрикату - портландцементного клінкеру та утилізації різних промислових відходів. Цей цемент більш водостійкий та корозійностійкий, ніж бездобавочний, має менше теп­ловиділення. Для виробництва надміцних, морозостійких бетонів і в ряді інших випадків використовують бездобавочний портландцемент або портландцемент, що містить до 5% мінеральних добавок (тип І).

Ш в и д к о т в е р д і ю ч і т а н а д м і ц н і цементи. Для виробництва збір­ного залІзобетона раціональним є використання швидкотвердіючих та надміцних цементів, що забезпечують прискорений ріст міцності ви­робів та зниження витрат в'яжучого на 1 м³ бетону.

Для швидкотвердіючого портландцементу до­датковою вимогою є досягнення через 2 доби твердіння міцності на стиск не менше 15...25 МПа залежно від марки. Клінкер швидкотвердіючого цементу містить підвищену кількість (60...65%) найбільш ак­тивних мінералів - трьохкальційового силікату С_зS та трьохкальційового алюмінату С₃А. Тонкість помолу його вища, питома поверхня досягає 3500 см²/г.

Збільшення в цементному клінкері вмісту С_зS до 60...65% та пи­томої поверхні до 4000 см²/г і більше дозволяє отримати особливо швидкотвердіючі надміцні цементи з міцністю на стиск 25...ЗО МПа через 1 добу і 80...90 МПа у віці 28 діб. Однак при цьому різко зростають енерговитрати, знижується продуктивність обладнання.

В останні роки розроблено ряд нових способів прискорення твердіння та підвищення активності цементів. До них відносять моди­фікування структури клінкерних мінералів або їх легування шляхом введення до цементу кристалізаційних затравок, так званих к р е н-

т і в. Кренти отримують з каоліну та сірчаної кислоти або сірчанокис­лого заліза, а також з випаленого алуніту. До крентів відносять також деякі відходи хімічної промисловості (сульфоалюмінати, гідроксид та сульфат алюмінію та ін.). При введенні до цементу 45...60 кг/т крентів міцність його зростає на одну марку.

Розроблено технологію н а д ш в и д к о т в е р д і ю ч о г о п о р т л а н д ц е м е н т у, що містить фтор. Як сировинні матеріали для нього використовуються вапняк, шлаки вторинної переплавки алюмінію, фториду кальцію та спеціальна добавка для утримування фтору у клінкері. Цемент, модифікований фтором, досягає через 6 год. нормального твердіння міцності на стиск 5...8 МПа. Використання фторовміщуючого цементу дозволяє забезпечити при виробництві за­лізобетонних виробів необхідної міцності вже через 1 годину теплової обробки.

Перспективним напрямком отримання швидкотвердіючих в'яжу­чих є виробництво сульфоалюмінатних клінкерів шляхом введення су­льфатів до сировинних сумішей у кількості понад 5%. Сульфоалюмі­нати кальцію, що утворюються при цьому, надають клінкеру здатність до швидкого твердіння, високу гідравлічну активність. Джерелом су­льфатів для виробництва сульфоалюмінатного клінкеру можуть бути фосфогіпс та інші гіпсові відходи.

Надшвидкотвердіючий цемент - б е с а л і т отримують помелом клінкеру спеціального складу (сульфоалюмінатнобелітового) та гіпсу. Через 6 год. після затворювання бесаліт при температурі 20°С набу­ває міцність 7...15 МПа і більше, що дає можливість використовувати його для виготовлення збірних виробів та конструкцій без тепловоло-гісної обробки. Для бесаліту характерні короткі строки тужавлення -початок не раніше 5 хвилин, кінець не пізніше 1 год., що потребує ви­користання бетонної суміші відразу після виготовлення.

Технологія в'яжучих н и з ь к о ї в о д о п о т р е б и (ВНВ) грунтується на тонкому подрібненні портландцементу з додатковим вве­денням мінеральних добавок або без них і підвищених дозах сухого суперпластифікатору. Це в'яжуче має низьку нормальну густоту це­ментного тіста (в середньому 18%) і в залежності від вмісту мінераль­ної добавки розподіляється на ВНВ-100, ВНВ-50, ВНВ-30. Викорис­тання ВНВ-100 дозволяє отримати бетони міцністю до 100 МПа і ви­ще, а ВНВ-50 економити значну кількість цементу (до 45%). Водночас виробництво ВНВ зв'язане з певними труднощами, до числа яких в першу чергу належить необхідність використання сухого суперплас­тифікатору, а також його рівномірного розподілу в процесі помолу. Як більш простий та дешевий варіант розроблено спосіб, заснований на виготовленні тонкомелених багатокомпонентних цементів з різними мінеральними добавками (ТБЦ) і питомою по­верхнею 4500...5000 см²/г та наступним введенням рідких суперпластифікаторів з водою при приготуванні бетонної суміші.

Ш л а к о п о р т л а н д ц е м е н т - це гідравлічна в'яжуча речо­вина, яку отримують шляхом тонкого помолу клінкеру, необхідної кількості гіпсу та гранульованого шлаку. У шлакопортландцементі може міститися 36...80% гранульованого доменного шлаку.

Якість доменного шлаку характеризується основним чином зна­ченням коефіцієнту якості, що виражає відношення сумарного про­центного вмісту оксидів СаО, МqО, АІ₂О₃ до сумарного вмісту SіО₂ та Fе₂О₃. Цей коефіцієнт повинен бути не менше 1,65; 1,45 та 1,2 для до­менного шлаку відповідно - першого, другого та третього сортів.

Шлакопортландцемент, порівняно з портландцементом, має ви­щу стійкість у м'яких та мінералізованих водах, підвищену жаростій­кість, що пояснюється незначним вмістом у цементному камені віль­ного гідроксиду кальцію. Він більш інтенсивно твердіє при теплово-логісній обробці і повільніше тужавіє та твердіє при пониженій темпе­ратурі, в нього нижча морозостійкість. Марки шлакопортландцементу М 300, М 400 та М 500.

Поряд із звичайним виготовляють також швидкотвердіючий та сульфатостійкий шлакопортландцемент. Для останнього використову-

ють клінкер, що містить не більше 8% С₃А та шлак, що містить не більше 8% АІ₂О₃.

Шлакопортландцемент використовується основним чином для бетонних та залізобетонних наземних, підземних та підводних кон­струкцій, які піддаються дії прісних вод, а також для виготовлення збірних конструкцій з використанням тепловологісної обробки, для приготування будівельних розчинів. Не допускається використовувати цей цемент для конструкцій, експлуатація яких потребує підвищеної морозостійкості і для будівельних робіт при знижених температурах без штучного підігріву, а також в жарку та суху погоду без ретельного додержання вологісного режиму твердіння.

Шлакопортландцемент - економічно ефективний вид цементу. В середньому 1 т сухого гранульованого шлаку майже втричі дешевше клінкеру. Витрати умовного палива на виробництво 1 т шлакопорт­ландцементу на 97...117 кг менші, ніж на виробництво бездобавочного портландцементу тієї ж марки. Енергоємність шлакопортландцементу всередньому на 25% нижче енергоємності портландцементу з міне­ральними добавками.

С у л ь ф а т о с т і й к і ц е м е н т и. До цієї групи цементів входять суль­фатостійкі портландцемент та портландцемент з мінеральними добав­ками, пуцолановий портландцемент та сульфатостійкий шлакопорт­ландцемент.

С у л ь ф а т о с т і й к и й п о р т л а н д ц е м е н т відрізняється від звичайного підвищеною стійкістю по відношенню до сульфатної агресії в умовах систематичного поперемінного заморожування та від-таювання або зволоження та висушування. Ця головна особливість су­льфатостійкого портландцементу, що враховується при використанні його в бетонних та залізобетонних конструкціях, забезпечується за­стосуванням клінкеру нормованого мінералогічного складу з низьким вмістом трьохкальцієвого алюмінату С₃А. Розрахунковий мінералогіч­ний склад такого клінкеру повинен відповідати трьом умовам: 1) вміст С₃А не більше 5%; 2) вміст С₃S не більше 50%; 3) сума С₃А+С₄АF не більше 22%.

Поряд з сульфатостійким портландцементом, до якого не дозво­ляється вводити мінеральні добавки, промисловість випускає суль­фатостійкий портландцемент з мінеральними добавками, котрими можуть виступати гранульовані доменні та електротермофосфорні шлаки (10...20% при вмісті Аl₂О₃ до 8% та осадові породи, крім глієжів - природно випалених глинистих порід (5...10%).

Занижений вміст С₃S та С₃А викликає порівняно невисокі швид­кість росту міцності та тепловиділення сульфатостійкого портландце-менту. Для нього характерна звичайно марка М 400.

В клінкері сульфатостійкого портландцементу з мінеральними добавками вміст С₃S не нормується. Цей цемент випускається марок М 400 та М 500. Сульфатостійкість цементів, як і ряд інших їх власти­востей, покращується при введенні поверхнево-активних речовин.

П у ц о л а н о в и й п о р т л а н д ц е м е н т - гідравлічна в'яжу­ча речовина, яку отримують шляхом сумісного тонкого подрібнення клінкеру, кислої активної мінеральної (гідравлічної) добавки та гіпсу.

Значна кількість активних мінеральних добавок у пуцолановому цементі також, як і в шлакопортландцементі, підвищує водо- та сульфатостійкість. В пуцолановому портландцементі цьому сприяє також об­меження трьохкальцієвого алюмінату (С₃А8%). Понижена густина пуцоланового портландцементу (2,7...2,9 г/см³) призводить до підви­щеного виходу з нього цементного тіста. Це, а також ущільнення це­ментного каменю внаслідок набухання добавок, забезпечує більш ви­соку водонепроникність бетонів на пуцолановому портландцементі. По мірі розбавлення цементів мінеральними добавками знижується їх тепловиділення при твердінні та тріщиноутворення в масивному гід­ротехнічному бетоні.

Пуцолановий портландцемент при звичайних і особливо при ни­зьких температурах твердіє повільно. Ріст міцності цього цементу осо­бливо сповільнюється при твердінні його на повітрі. При введенні до цементу деяких мінеральних добавок (діатоміту, трепелу тощо) збіль­шуються витрати води і відповідно цементу у бетонних сумішах. Бе­тони та розчини на пуцолановому портландцементі неморозостійкі. Їх недоліками також є велика усадка, низька стійкість до поперемінного зволоження та висушування.

Найбільш раціональним є використання пуцоланового портлан­дцементу для підземних та підводних конструкцій підвищеної водоне­проникності та стійкості як у м'яких, так і у мінералізованих водах. Можна використовувати його і для наземних конструкцій, що знахо­дяться в умовах підвищеної вологості, але не зазнають заморожування та відтавання. Проміжне положення між шлакопортлапрцементами і пуцолановими цементами займають к о м п о з и ц і й н і ц е м е н т и, в які вводять композицію мінеральних добавок: доменний шлак і пу-цолани.

Цемент для будівельних розчинів виготовляють сумісним по­мелом портландцементного клінкеру, активних мінеральних добавок та наповнювачів.

Вміст клінкеру повинен бути не менше, ніж 20% від маси всього в'яжучого. Як тонкомелені добавки - наповнювачі використовують зо­лу - винос, кварцевий пісок, вапняк тощо. Випускають такий цемент марки М200.

У зв'язку із сповільненим твердінням цей цемент використову­ють, як правило, при температурі повітря не нижче 10°С для виготов­лення кладочних та штукатурних розчинів, а також низькомарочних бетонів, до яких не висувають вимог на морозостійкість.

Ц е м е н т и з д о б а в к а м и П А Р. До портландцементів різних видів та марок при подрібненні дозволяється вводити поверхнево-активні речовини (ПАР) у кількості не більше 0,3% за масою. В процесі подрі­бнення цементу ПАР адсорбуються на його зернах та надають йому ряд властивостей. Розрізняють гідрофілізуючі та гідрофобізуючі ПАР.

Гідрофілізуючі ПАР поглинаються на поверхні зерен цементу та утворюють гідрофільні плівки, які сприяють кращому змочуванню ча­стинок водою, зменшенню їх зчеплення та підвищенню пластичності цементного тіста. З гідрофілізуючих ПАР найширше використовують технічні лігносульфати (ЛСТ). При введенні цих, а також інших плас­тифікуючих добавок, як правило, у кількості 0,15...0,3% в процесі по­дрібнення отримують пластифікований портландце­мент.

Пластичність цементів визначають за ступенем розпливу конусу з цементно-піщаного розчину на струшуючому столику. Розчин із су­міші пластифікованого портландцементу з нормальним (вольським) піском складу 1:3 (за масою) при водоцементному відношенні (В/Ц), рівному 0,4 після 30 струшувань на струшуючому столику має розп-лив конуса не менше 135 мм. Для непластифікованого портландце­менту цей показник становить 106...115 мм.

Використання пластифікованого портландцементу дозволяє без збільшення витрат води отримати бетонну суміш більшої рухливості та полегшити її укладання або при незмінних рухомості та водоцемент­ному відношенні знизити на 8...12% витрати цементу. При збереженні встановленої витрати цементу та необхідної рухливості зменшується

водоцементне відношення бетонної суміші, що призводить до підви­щення міцності, морозостійкості та водонепроникності бетону.

Г і д р о ф о б і з о в а н и й (г і д р о ф о б н и й) п о р т л а н д ц е м е н т запропонований М.І.Хігеровичем та Б.Г.Скрамтаєвим. На відміну від пластифікованого, його одержують при введенні до складу цементу в процесі подрібнення гідрофобізуючих добавок (милонафту, асидолу, синтетичних жирних кислот тощо). Гідрофобізуючі добавки утворюють на зернах цементу найтонші адсорбційні шари - водонез-мочувані оболонки. Крапля води на поверхні гідрофобних цементів не повинна всмоктуватися протягом 5 хвилин. Гідрофобність цементу обумовлює його головну перевагу - (рис. 3.3) здатність до тривало­го зберігання. Гідрофобізовані цементи не знижують активність протягом 1...2 років навіть у несприятливих умовах, в той час як звичайні цементи вже через 3...6 місяців втрачають до 30% і більше початкової міцності. При перемішуванні з водою цих цементів гідрофобні обо­лонки руйнуються, що забезпечує нормальне протікання процесів гід­ратації та твердіння.

Гідрофобізація цементу сприяє підвищенню щільності та покра­щенню структури цементного каменю, що дозволяє досягти більшої морозостійкості та водонепроникності бетонів, їх стійкості в агресив­них водах, зменшити висолоутворення в штукатурно-оздоблювальних

розчинах і т.д. Адсорбційно-змащувальна дія гідрофобізуючих ПАР сприяє більш високій рухомості бетонних сумішей та розчинів.

Гідрофобізовані та пластифіковані цементи випускають таких самих марок, що й звичайні; добавки ПАР можуть дещо сповільнити ріст міцності у перші строки твердіння.

Р о з ш и р н і т а н а п р у ж у ю ч і ц е м е н т и. Для звичайних цементів при твердінні на повітрі характерна усадка, яка викликає розтягуючі напруження в бетоні навіть до утворення тріщин. Спеціальні цементи, що дають при твердінні приріст об'єму, називають р о з ш и р н и м и. Розширення цементів, характерне при твердінні в ранньому віці, ком­пенсує негативний вплив усадочних деформацій в майбутньому. Це­менти, що розширюються, як правило є змішаними і складаються з ос­новної в'яжучої речовини та добавки, яка розширюється. Розширення цементного каменя відбувається, як правило, за рахунок хімічної взає­модії компонентів добавки та утворення гідросульфоалюмінатів каль­цію, а також Са(ОН)₂ та Мq(ОН)₂.

Для отримання розчинів і бетонів, що розширюються, та безусадочних розчинів і бетонів, заробки швів та стиків використо­вують розширний портландцемент, який отримують сумісним тонким подрібненням 58...65% портландцементного клінкеру, 5...7% високогли-ноземистого шлаку, 7... 10% двоводного гіпсу та 23...28% активної мі­неральної добавки. Його випускають марок М400, М500 та М600. Початок тужавлення настає не раніше ніж через 30 хвилин, а кінець - не пізніше 12 год. після затворення. Лінійне розширення зразків це­ментного каменя з тіста нормальної густоти через одну добу повинно бути не менше 0,15%, а через 28 - не менше 0,2% і не більше 2%.

Н а п р у ж у ю ч і ц е м е н т и є різновидом цементів, що роз­ширюються. Вони мають енергію розширення, достатню для натягу­вання арматури в залізобетонних конструкціях. Їх поділяють на це­менти з малою НЦ-10 (до 1 МПа), НЦ 20 (до 2 МПа), середньою НЦ 40 (до 4 МПа) та високою НЦ 60 (до 6 МПа) енергією розширення. Цементи, що напружуються, випускають як для умов теплової оброб­ки (НЦТ), так і для нормального твердіння (НЦН). Використання цих цементів дозволяє створювати ефективні двох- і навіть трьохвісно по-передньонапружені конструкції. Їх використання дозволяє до 30...50% зменшити витрати арматури, у ряді випадків відмовитися від спеціаль­них гідроізоляційних покрить.

Напружуючий портландцемент отримують шляхом тонкого по­дрібнення 65...70% портландцементного клінкеру, 16...20% високо-глиноземистого шлаку та 14...16% гіпсу. У цементі НЦ-10 частина глиноземистих шлаків замінена гранульованими доменними шлаками. Відносне лінійне розширення становить 3...4%. Початок тужавлення спостерігається через 2...8 хвилин, кінець - через 6...15 хвилин після замішування. Міцність зразків, що твердіють у воді, віком у 1 добу до­сягає 20...3О МПа. Затверділі зразки мають повну водонепроникність під тиском води до 2,1 МПа.

Розроблено технологію напружуючого цементу на основі суль-фоалюмінатного клінкеру, що містить як основний мінерал сульфоа-люмінат кальцію.

Такий клінкер отримують випалюванням каоліну або золи ТЕС в суміші з вапняком та гіпсом.

Б і л и й п о р т л а н д ц е м е н т отримують шляхом сумісного помолу білого малозалізистого клінкеру, мінеральних добавок та гіп­су. За ступенем білизни його поділяють на три сорти. К о л ь о р о в і п о р т л а н д ц е м е н т и одержують додатковим введенням пігмен­тів.

Крім розглянутих вище цементів на основі портландцементного клінкеру виготовляють ряд інших різновидів: тампонажні, для азбес­тоцементних виробів, дорожні цементи та ін.

Глиноземистий цемент. Глиноземистий цемент – швидкотвердіюча гідравлічна в’яжуча речовина, яка отримується тонким помелом клінкеру, в якому переважають низькоосновні алюмінати кальцію. Щоб отримати потрібний мінералогічний склад глиноземистого цементу, необхідно в сировинній суміші забезпечити переважання оксидів Аl₂О₃ (35…50 %) і СаО (30…45 %). З цією метою як вихідні матеріали застосовують високоглиноземисту сировину – боксити і вапняки. Подрібнюють глиноземистий цемент до проходження через сито №008 не менше 90 % маси проби. Водопотреба глиноземистого цементу така сама, як і в портландцементу (23…28 %), початок тужавлення наступає не раніше 30 хв. Через 5…6 год. твердіння міцність глиноземистого цементу досягає 30 %, а в добовому віці – 80…90 % марочної. На відміну від портландцементу і його різновидів марочна міцність глиноземистого цементу визначається не у віці 28 діб, а через 3 доби з моменту виготовлення зразків. Марки його М400, М500 і М600.

Глиноземистий цемент твердіє порівняно швидко не тільки при нормальних, але і при понижених позитивних температурах. Цьому сприяє його високе тепловиділення при гідратації. Бетони на глиноземистому цементі мають високу водо-, сульфато-, морозо- і жаростійкість. Глиноземистий цемент значно дорожчий від портландцементу, тому його застосовують тільки при аварійних роботах. На основі глиноземистого цементу випускають основні види розширних цементів: гіпсоглиноземистий і водонепроникний. Гіпсоглиноземистий отримують сумісним помелом клінкеру глиноземистого цементу і гіпсу в співвідношенні 70:30 (по масі), а водонепроникний – сумісним помелом або змішуванням 73…76 % глиноземистого цементу, 20…22 % гіпсу і 10…11 % високоосновних гідроалюмінатів кальцію. Особливістю цього цементу е короткі строки тужавлення: початок – не раніше 4 хв., кінець – не пізніше 10 хв.

Транспортування і зберігання в’яжучих матеріалів. В’яжучі матеріали відвантажують в клапанних паперових мішках або навалом в спеціальних транспортних засобах: авто- або залізничних цементовозах, критих вагонах і т.д. Цементи повинні зберігатися роздільно за видами і марками в стаціонарних або пересувних автоматизованих складах (силосах), чи в спеціальних контейнерах або бункерах, які мають пристосування для прийому і видачі цементу. В паспорті на цемент, який видає завод-виробник, вказуються номер партії, повне найменування цементу і його гарантована марка, вид і кількість добавок, нормальна густота цементного тіста, середня активність цементу при пропарюванні та інші дані.