Разновидности портландцементов
Наряду с обычным портландцементом выпускают большое количество его разновидностей: быстротвердеющий, пластифицированный, гидрофобный, сульфатостойкий, белый и цветной. Эти цементы более дорогие и рекомендуются только в тех случаях, когда их специальные свойства могут быть использованы с максимальной эффективностью.
Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) характеризуется более быстрым нарастанием прочности в первые 3 сут. твердения. Более быстрое твердение цемента достигается за счет содержания в клинкере активных минералов (С3S + С3А = 60…65 %), а также за счет повышения тонкости помола клинкера до удельной поверхности 3500…4000 см/г. При помоле БТЦ допускается введение активных минеральных добавок (не более 15 %) или доменных гранулированных шлаков (до 20 % по массе цемента).
Быстротвердеющие портландцементы марок 400 и 500 целесообразно применять при изготовлении сборных высокопрочных обычных и предварительно напряженных железобетонных изделий и конструкций. Применение быстротвердеющего портландцемента при возведении сооружений из монолитного бетона позволяет значительно сократить сроки выдержки конструкций в опалубке. При хранении в течение 1…2 месяца БТЦ утрачивает свойство быстро твердеть и набирает прочность, как обычный портландцемент. Следовательно, хранить БТЦ длительное время нецелесообразно.
В ряде случаев применять БТЦ нельзя. Из-за высокого содержания в клинкере С3S и С3А при гидратации образуется большое количество Са(ОН)2 и гидроалюминатов кальция, что делает цементный камень не стойким к химической коррозии. Поэтому БТЦ применяют лишь для конструкций, работающих в неагрессивной среде.
Из бетона, изготовленного на БТЦ, не выполняют массивные конструкции. Чрезмерное тепловыделение вызывает сильный разогрев ядра таких конструкций, в то время как внешние поверхности охлаждаются. Из-за большого перепада температур в теле бетона могут возникнуть термические напряжения, что приводит к растрескиванию конструкции.
Для ускорения твердения бетона применяют также цементы с добавками — крентами. Они содержат безводный трехкальцие-вый сульфоалюминат, сульфоферрит, смесь сернокислого алюминия и сернокислого железа. При помоле клинкера обычного портландцемента вводят 2…5 % добавок. Они не только ускоряют твердение, но и повышают прочность цемента на 5… …10 МПа, т. е. на целую ступень. Применение таких цементов на заводах и стройках позволит отказаться от пропаривания изделий и тем самым сократить затраты топлива и электроэнергии.
Пластифицированный портландцемент (ППЦ) получают помолом портландцементного клинкера вместе с гипсом и пластифицирующими добавками в виде концентрата сульфитно-спиртовой барды (ССБ) или кальциевой соли лигносульфоновой кислоты (ЛСТ) и других добавок в количестве 0,15…0,25 % от массы цемента. Марки этого цемента 400 и 500. Пластифицированный цемент придает растворным и бетонным смесям повышенную подвижность по сравнению с обычным портландцементом при одинаковом расходе воды. Эффект пластификации используют для уменьшения воды в бетоне и растворе, повышения их плотности, морозостойкости и водонепроницаемости. ППЦ рекомендуется для изготовления бетонов, используемых в дорожном, аэродромном и гидротехническом строительстве.
Гидрофобный портландцемент (ГПЦ) получают путем введения при измельчении клинкера 0,1…0,3 % мылонафта, асидола, синтетических жирных кислот и других гидрофобизирующих добавок.
Цементные зерна, покрытые с поверхности тонким слоем гидрофобного вещества, не поглощают влагу из атмосферы, и, следовательно, при хранении на воздухе не происходит гидратация зерен цемента. При длительном хранении портландцемента с гидрофобизирующей добавкой активность его снижается незначительно.
ГПЦ должен удовлетворять тем же требованиям, что и обычный портландцемент. Дополнительное требование — невпитывание капли воды, нанесенной на поверхность пробы цемента, в течение 5 мин. При перемешивании с водой гидрофобные оболочки на зернах цемента разрушаются. Однако портландцемент этого вида несколько замедленно схватывается и набирает прочность по сравнению с обычным портландцементом. Его применяют в гидротехническом, дорожном и аэродромном строительстве.
Сульфатостойкий портландцемент (СПЦ) изготовляют тонким помолом из клинкера следующего минералогического состава: С3S — не более 50 %; С3А — не более 5; С3А + С4АF— не более 22; МgО — 5 %. Введение в цемент инертных и активных минеральных добавок не допускается. При таком минералогическом составе уменьшается возможность образования в цементном камне (бетоне) под действием сульфатных вод гидросуль-фоалюмината кальция — «цементной бациллы». Его выпускают марки 400. СПЦ применяют при изготовлении конструкций, подверженных действию сульфатных вод, а также морозостойкого бетона.
Белый портландцемент — вяжущее вещество, твердеющее на воздухе и в воде, получаемое измельчением белого маложелезистого клинкера, белых минеральных добавок и гипса. Выпускают марок 400 и 500. По степени белизны белый портландцемент подразделяют на три сорта с коэффициентом отражения соответственно не менее 80, 75 и 68 %. Начало схватывания цемента должно наступать не ранее чем через 45 мин, конец — не позднее чем через 12ч после затворения водой. Тонкость помола: через сито с сеткой N 008 должно проходить не менее 88 % массы просеиваемой пробы цемента.
Применяют белый портландцемент для архитектурно-отделочных работ, а также в качестве вяжущего при приготовлении окрасочных составов. На его основе при тщательном смешивании или совместном помоле со щелочестоикими пигментами получают цветные портландцементы.
Цветной портландцемент — вяжущее вещество, твердеющее на воздухе и в воде, получаемое путем совместного помола белого или цветного клинкера (не менее 80 %), минеральных (не более 15 %) и органических красителей, гипса и активной минеральной добавки (не более 6 %). Органические пигменты вводят в количестве не более 0,5 % от массы цемента. Красящие добавки должны быть свето- и щелочестоикими. Введение пигментов и красителей снижает активность портландцемента.
Цветной портландцемент выпускают марок 300, 400 и 500 желтого, розового, красного, коричневого, зеленого, голубого и черного цветов. Красный, желтый, коричневый цементы получают с использованием оксидов железа (охры, железного сурика, гематита), черный — диоксида марганца, углеродистых пигментов, зеленый — оксида хрома, фталоцианового пигмента, голубой — ультрамарина.
Цветной портландцемент применяют для архитектурно-отделочных работ, а также в качестве вяжущего при приготовлении окрасочных составов, для индустриальной отделки стеновых панелей, подоконников, лестничных ступеней, в дорожных работах.
Портландцементы с активными минеральными добавками
Портландцемент с минеральными добавками (ПЦД20) изготовляют тонким измельчением клинкера и минеральных добавок. В качестве добавок вводят доменные гранулированные шлаки или активные минеральные добавки осадочного происхождения, но не более 20 % массы цемента. Портландцемент с минеральными добавками в отличие от портландцемента без Добавок (ГЩДО) обладает повышенной водостойкостью, меньшими тепловыделением и морозостойкостью. Выпускают его тех же марок, что и портландцемент.
Пуццолановый портландцемент получают путем совместного помола или раздельного помола и последующего смешивания клинкера портландцемента (75…60 %), активной минеральной добавки (20…40 %) и небольшого количества природного гипса. В качестве активных минеральных добавок применяют вулканические пеплы (пуццоланы) и туфы, пемзу, диатомит, опоку, трепел, золу ТЭС и др. Такие добавки содержат кремнезем в аморфном состоянии. Активными минеральными добавками называют вещества, которые при смешивании с известью придают ей водостойкость или гидравлические свойства.
Активные добавки связывают образующийся при твердении цемента гидроксид кальция Са(ОН)2 в нерастворимые в воде гидросиликаты кальция, благодаря чему повышаются коррозионная стойкость и водостойкость цементного камня, бетона и раствора. Пуццолановый портландцемент выпускают марок 300 и 400.
Он рекомендуется для сооружения массивных бетонных конструкций, которые постоянно находятся во влажных условиях (под водой, в земле), а также для надземных сооружений, находящихся в условиях повышенной влажности. Его не следует применять при зимнем бетонировании (медленно твердеет) и для конструкций, подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию (из-за низкой морозостойкости).
Шлакопортландцемент (ШПЦ) получают тонким измельчением портландцементного клинкера (20…79 %), природного гипса (до 5 %) и доменного гранулированного (быстроохлаждснного, содержащего кремнезем в аморфном виде) шлака (20…80 %). Доменные шлаки — массовые побочные продукты при выплавке чугуна. Шлак переводят из огненно-жидкого в твердое состояние путем быстрого охлаждения в воде или с помощью водяного пара. Эта операция называется грануляцией, так как шлаковый расплав распадается на отдельные гранулы. Самостоятельно шлаки не твердеют, но в присутствии гипса и портландцемента они проявляют вяжущие свойства.
Шлакопортландцемент выпускают марок 300, 400 и 500. Он сероватого цвета с голубоватым оттенком, отличается от других видов цемента тем, что содержит большое количество металлических частиц, выявляемых магнитом.
Шлакопортландцемент применяют для бетонных и железобетонных надземных, подземных и подводных конструкций, сборных конструкций с использованием тепловлажностной обработки, приготовления кладочных и штукатурных растворов. Его не рекомендуется применять для конструкций, к которым предъявляются высокие требования по морозостойкости, а также подвергающихся систематическому увлажнению -и высушиванию, для зимнего бетонирования.
Цемент для строительных растворов изготовляют путем совместного помола портландцементного клинкера, активных минеральных добавок и добавок-наполнителей. Содержание клинкера в цементе должно быть не менее 20 % (считая от массы всего вяжущего). Для регулирования сроков схватывания при помоле компонентов вводят 3…5 % природного гипса.
Добавки-наполнители не обладают гидравлическими свойствами, или эти свойства выражены у них в очень слабой степени (кварцевый песок, мрамор, кристаллический известняк). Такие добавки необходимы для снижения активности вяжущего (пропорционально количеству введенной добавки), поскольку в строительных растворах применять высокомарочные цементы экономически не выгодно.
Для улучшения качества цемента допускается вводить при его помоле пластифицирующие (не более 0,5 %) или гидрофоби-зирующие (до 0,3 %) добавки. Такой цемент характеризуется следующими сроками схватывания: начало — не ранее 45 мин, конец — не позднее 12 ч от момента затворения. Цемент должен хорошо удерживать воду: водоотделение теста, изготовленного из равных количеств цемента и воды, должно быть не более 30 % по объему. Выпускают цемент марки 200.
В связи с замедленным твердением этот цемент используют, как правило, при температуре окружающей среды не ниже плюс 10 °С для изготовления кладочных и штукатурных растворов, а также низкомарочных неармированных бетонов, к которым не предъявляются требования по морозостойкости.
Глиноземистый цемент и его разновидности
Глиноземистый цемент — быстротвердеющее гидравлическое вяжущее, состоящее преимущественно из моноалюмината кальция (СаО — Аl2О3). Свое название этот цемент получил от технического названия оксида алюминия Аl2О3 — глинозем. Однако для его получения требуется иной клинкер (не портландцемент-ный). Этот цемент является быстротвердеющим вяжущим веществом, набирающим через сутки твердения прочность, которая составляет свыше 85 % марочной.
Получение. Сырьем для глиноземистого цемента служат бокситы и известняки. Бокситы — горная порода, состоящая из гидратов глинозема (А12О3•nН2О) и примесей (в основном Fе2О3, SiO2, СаО и др.). Бокситы широко используются в различных отраслях промышленности: для получения алюминия, абразивов, огнеупоров, адсорбентов и т. п., а месторождений с высоким содержанием А12О3 очень немного.
Производство глиноземистого цемента более энергоемко, чем производство портландцемента. Клинкер глиноземистого цемента получают либо обжигом до плавления брикетов в электрических или доменных печах при температуре 1400…1500 °С, либо обжигом шихты до спекания во вращающихся печах при температуре 1200…1300 °С. Затем следует тонкий размол продукта, который сильно затруднен из-за его высокой твердости.
Состав. Химический состав глиноземистого цемента, получаемого разными методами, следующий: СаО — 35…45 %; Аl2О3 — 30…50; Fе2О3 — О..15; SiO2 — 5…15 %. В минеральном составе клинкера глиноземистых цементов преобладает одно-кальциевый алюминат СаО•Аl2О3(СА), определяющий основные свойства этого вяжущего. Кроме того, в нем присутствуют: СА2, С12А7; двухкальциевый силикат С2S, отличающийся, как известно, медленным твердением; в качестве неизбежной балластной примеси — геленит 2СаО • Аl2О3 • 2SiO2.
Твердение. Процесс твердения глиноземистого цемента и прочность образующегося цементного камня существенно зависят от температуры твердения. При нормальной температуре(до +25 °С) основной минерал цемента СА взаимодействует с водой с образованием кристаллического гидроалюмината кальция и гидроксида алюминия в виде гелевидной массы
2(СаО • Аl2О3) + 11H2О= 2СаО • Аl2О3 • 8Н2О + 2Аl(ОН)3+Q
Суммарное тепловыделение у глиноземистого цемента немного ниже, чем у портландцемента (около 300…400 кДж/кг), но протекает оно в очень короткие сроки (в первые сутки выделяется 70… 80 % от общего количества теплоты). Поэтому возможен перегрев бетонов на глиноземистом цементе в случае больших объемов бетонирования.
Если же температура твердеющего глиноземистого цемента превысит 25…30 °С, то процесс твердения изменяется, и вместо С2АН8 образуется С3АН6; при этом прочность цементного камня будет ниже в 2…2,5 раза. Поэтому глиноземистый цемент не рекомендуется использовать для бетонирования массивных конструкций, где возможен саморазогрев бетона, а также в условиях жаркого климата. Изделия на глиноземистом цементе нельзя подвергать тепловой обработке. При работах в зимних условиях, напротив, саморазогрев и быстрое твердение делают глиноземистый цемент очень перспективным.
Свойства. Сроки схватывания глиноземистого цемента почти такие же, как у портландцемента: начало — не ранее 30 мин, конец — не позднее 12ч (реально 4…5 ч). После окончания схватывания прочность нарастает очень быстро (лавинообразно).
Глиноземистый цемент выпускают марок 400, 500 и 600, определенных в трехсуточном возрасте, но уже через одни сутки образцы набирают прочность при сжатии соответственно не менее 23, 28 и 33 МПа.
Усадка глиноземистого цемента при твердении на воздухе ниже, чем у портландцемента в 3…5 раз; пористость цементного камня ниже примерно в 1,5 раза. Это связано с тем, что при одинаковой с портландцементом водопотребности глиноземистый цемент при твердении химически связывает 30… 45 % воды от массы цемента (портландцемент — около 20 %).
Среда в процессе твердения и в затвердевшем цементном камне у глиноземистого цемента слабощелочная. Свободного Са(ОН)2 цементный камень не содержит. Это обстоятельство в сочетании с пониженной пористостью делает бетоны на глиноземистом цементе более устойчивыми к коррозии в пресной и минерализованной воде.
Применение. Глиноземистый цемент целесообразно использовать при аварийных и срочных работах, при зимнем бетонировании и в тех случаях, когда от бетона требуется высокая водостойкость и водонепроницаемость.
Специальная область применения глиноземистых цементов -жаростойкие бетоны. Объясняется это тем, что, во-первых, в продуктах твердения этого цемента отсутствует Са(ОН)2 (при нагреве переходит в СаО, который при контакте с водой гасится с увеличением объема) и, во-вторых, при высокой температуре (700…800 °С) между продуктами твердения цемента и заполнителями бетона начинаются реакции в твердой фазе, по мере протекания которых прочность бетона не падает, а повышается, так как бетон превращается в керамический материал.
Кроме того, глиноземистый цемент является компонентом многих расширяющихся цементов, которые даже при твердении на воздухе имеют небольшое увеличение в объеме. Безусадочные цементы — это расширяющиеся цементы, у которых расширение только компенсирует усадку. Поэтому такие цементы как бы сами уплотняют себя, делая бетон водонепроницаемым. Если расширяющиеся цементы используются в железобетонных конструкциях, то эффект расширения вяжущего может вызывать натяжение арматуры и сжатие самого бетона, что дополнительно защитит его от образования трещин. Такие цементы называют напрягающими.
Эффект расширения вяжущего может быть достигнут различными методами, например путем гашения свободного СаО, добавляемого в твердеющее вяжущее, либо с помощью образования эттрингита — гидросульфоалюмината кальция ЗСаО•А12О3•ЗСаSО4•(31…32)Н2О. Последнее возможно при взаимодействии алюминатов и сульфатов кальция в водной среде.
В твердеющем материале протекают два процесса — расширение, обусловленное процессом кристаллизации эттрингита (или гашения СаО) с увеличением объема новообразований и ростом внутренних растягивающих напряжений, и препятствующий расширению процесс — рост прочности самого цементного камня. Если рост расширяющихся новообразований будет протекать при недостаточной прочности цементного камня, то податливая гелеобразная масса будет сжиматься и заметного расширения не произойдет. И наоборот, если рост расширяющихся новообразований будет продолжаться, когда цементный камень набрал достаточно высокую прочность, то напряжения, обусловленные ростом кристаллов в ограниченном объеме, могут вызвать падение прочности и даже разрушение цементного камня.
В свою очередь деформации расширения могут быть свободными и связанными, т. е. когда расширение цементного камня ограничено арматурой или кондуктором (формой). Деформации бетона при свободном расширении выше, чем при связанном, что обусловлено низкой прочностью цементного камня в раннем возрасте и его неспособностью напрягать кондуктор, а в более позднем возрасте — появлением микро- и макротрещин, которые увеличивают свободное расширение, но не вызывают дополнительного самонапряжения.
Связанные деформации вызывают самонапряжение, противодействуют развитию усадочных деформаций и способствуют самоуплотнению цементного камня, усилению контакта камня с заполнителем и кристаллизационных контактов. При изготовлении преднапряженных железобетонных конструкций в этом случае меньше потери преднапряжения и выше трещиностойкость получаемых изделий.
Главной задачей при разработке составов расширяющихся и безусадочных вяжущих является правильный выбор не только вида и количества расширяющихся компонентов, но и момента их образования относительно процесса формирования структуры цементного камня. Для различных видов расширяющихся цементов период наиболее интенсивного и безопасного расширения цементного камня составляет от 12 ч до 3…7 сут. в зависимости от свойств основного структурообразующего вяжущего.
Для обеспечения образования эттрингита в смесях с безусадочными и расширяющимися цементами должна присутствовать вода в продолжение всего периода твердения. Кроме того, эти Цементы нельзя применять при работе конструкций при температурах выше 80 °С, так как постепенно разрушается важный кристаллический компонент цементного камня — эттрингит: он отдает кристаллизационную воду, что сопровождается падением прочности.
Расширяющийся водонепроницаемый цемент получают совместным помолом глиноземистого цемента (70 %), гипса (20 %) и высокоосновного гидроалюмината кальция С4АН13 (10 %). Он является быстросхватывающимся и быстротвердеющим гидравлическим вяжущим веществом (Лсж через 6 ч — не менее 7,5 МПа, через 3 сух. — не ниже 30 МПа).
Линейное расширение твердеющего цемента на воздухе составляет в возрасте 1 сут. не менее 0,05 %, в возрасте 28 сут. — не менее 0,02 %. Цемент используют при восстановлении железобетонных конструкций, для гидроизоляции подземных сооружений, зачеканки трещин и стыков.
Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент получают совместным помолом высокоглиноземистых шлаков (70 %) и двуводного гипса (30 %). Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент имеет начало схватывания не ранее 20 мин и конец схватывания не позднее 4 ч от начала затворения. При необходимости могут использоваться замедлители сроков схватывания -ЛСТ, бура, уксусная кислота и др. Линейное расширение твердеющего цемента в состоянии теста нормальной густоты при твердении на воздухе составляет в возрасте 28 сут. не менее 0,1 %. Предел прочности при сжатии через 1 сут. твердения составляет 35 МПа для марки 400 и 45 МПа — для марки 500. Марки цемента соответствуют трехдневному возрасту. Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент применяют для получения безусадочных и расширяющихся водонепроницаемых бетонов, гидроизоляционных штукатурных растворов, при бурении скважин и т. п. Он обладает морозо- и атмосферостойкостью в растворах и бетонах, изготовляемых на его основе.
Напрягающийся цемент (НЦ) получают совместным помолом клинкера портландцемента (65…75 %), двуводного гипса (6… 10 %) и высокоглиноземистого компонента (13…20 %). Сроки схватывания: начало — не ранее 30 мин, конец — не позднее 4 ч. Прочность через 1 сут. — не менее 15 МПа, через 28 сут. — не менее 50 МПа.
Напрягающий цемент обладает способностью к значительному расширению (до 4 %) при твердении в состоянии цементного теста нормальной густоты. В железобетоне НЦ создает после отвердевания в арматуре предварительное напряжение. Этим свойством как функцией химической энергии цемента пользуются при изготовлении предварительно напряженных железобетонных конструкций. С учетом величины достигаемой энергии самонапряжения, т. е. удельного давления в МПа, развиваемого при твердении НЦ в условиях ограничения свободного расширения, выделяют его разновидности НЦ-2, НЦ-4 и НЦ-6. Напрягающий цемент отличается также повышенными показателями водо- и газонепроницаемости, морозостойкости, прочности при растяжении и изгибе. Марки цемента (400 и 500) определяются испытанием образцов — балочек из цементно-песчаного раствора состава 1 : 1 в возрасте 28 сут.
Напрягающий цемент применяют для изготовления конструкций из самонапряженного железобетона, а также для гидроизоляции шахт, подвалов, зачеканки швов и т. д.
Перспективная область применения бетонов и растворов на расширяющихся и безусадочных вяжущих — бесшовные тонкослойные стяжки или лицевые покрытия полов большой площади. С помощью полимерных модификаторов таким смесям придают свойство самовыравнивания, а эффект безусадочности гарантирует трещиностойкость покрытия. Быстрое твердение и защитные полимерные добавки обеспечивают необходимое количество воды для протекания полной гидратации без какого-либо специального ухода.
Читать по теме:
- Минеральные вяжущие вещества
- Воздушная известь. Гидравлические известесодержащие вяжущие. Глина и гипсовые вяжущие вещества. Магнезиальные вяжущие. Жидкое стекло и кислотоупорный цемент
- Транспортировка и хранение цементов
- Глиноземистый цемент и его разновидности
- Разновидности портландцементов
- Портландцемент. Производство портландцемента. Схватывание и твердение портландцемента. Свойства портландцемента