logo
конспект лекций по ТВ

3.2.Основные виды цементов. Разновидности, условные обозначения, свойства, применение

Цементы – общее название большой группы минеральных вяжущих веществ, которые, за исключением некоторых специальных видов, обладают гидравлическими свойствами. Нормируются показатели минералогического состава (минеральных вяжущих), степени дисперсности, прочности на сжатие и соответствия марке, водостойкости и коррозионной устойчивости, а также сроки схватывания.

Перспективным направлением развития номенклатуры вяжущих является применение композиций с полимерными добавками (смол, эмульсий), что повышает прочность и сопротивляемость действию агрессивных сред.

Романцемент, в отличие от гидравлической извести, не содержит свободной окиси кальция и магния, обладает невысокой прочностью. Портландцемент (сокращенное наименование, предусмотренное стандартом, ПЦ) (ГОСТ 10178-85) – наиболее распространённое в мире гидравлическое вяжущее вещество – порошкообразный продукт тонкого измельчения портландцементного клинкера (для замедления схватывания цемента добавляют гипс – 3-5%), который получают путем обжига до спекания природного сырья или искусственной сырьевой смеси определенного состава, обеспечивающей в цементе преобладание силикатов кальция. Он имеет серо-зеленый цвет, среднюю плотностью в рыхлом состоянии – 1000-1100 кг/м3, в уплотненном – 1400-1700 кг/м3, истинная плотность – 3,05-3,15 г/см3. Название «портландцемент» связано с географическим названием полуострова Портланд на юге Великобритании.

Портландцемент – наиболее совершенный вид гидравлических вяжущих, необходимый для получения бетона, железобетонных конструкций, высококачественных растворов для каменных кладок и штукатурок. Его свойства формируют клинкерные минералы – 3CaO·SiO2; 2CaO·SiO2; 3CaO·Al2O3; 4CaO·Al2O3·Fe2O3, которые образуются при обжиге сырьевой смеси до спекания при температуре 1450-1480 ºС и при твердении создают прочный искусственный камень. При обжиге материал частично плавится и спекается, происходит химическое взаимодействие между его составляющими с образованием силикатов и алюминатов кальция; свободной окиси кальция не остается. Образовавшиеся в результате обжига твердые камнеподобные куски(цементный клинкер) размалывают в шаровых мельницах и получают цемент. Для регулирования сроков схватывания при помоле клинкера всегда добавляется небольшое количество двуводного гипса (3,5-5% по массе цемента) и активные минеральные добавки (до 15% по массе цемента). Для регулирования сроков схватывания цемента при помоле клинкера добавляют до 3,5% гипса по массе цемента. Для получения специальных свойств портландцемента вводят активные минеральные добавки. Марки портландцемента: 250, 300, 400, 250, 500, 600, 900, 1000.

Недостатки портландцемента – склонность цементного камня к коррозии под действием агрессивных сред - пресных и минерализованных вод, содержащих минеральные кислоты, соли(особенно опасна сульфатная коррозия).

Разновидности портландцемента:

Портландцемент и свойства его компонентов

Портландцемент – важнейшее и наиболее распространенное гидравлическое вяжущее вещество, для которого основным сырьем для производства служит известняк(мел) и глина, подобранные в соотношении примерно 3:1(в весовых частях).

Свойства цемента определяются в основном его химическим, минералогическим составом. Портландцементный клинкер имеет следующий минералогический состав:

Трехкальциевый силикат – основной минерал ПЦ клинкера; он быстро твердеет и при этом набирает высокую прочность. Поэтому высокое содержание алита имеет важное значение для качества цемента. Высокомарочные и быстротвердеющие цементы должны содержать большое количество алита.

Двухкальциевый силикат – второй по важности и содержанию минерал клинкера; твердеет и набирает прочность очень медленно, но в течение нескольких лет в благоприятных условиях прочность его постоянно возрастает.

Суммарное содержание алита и белита в клинкере портландцемента может доходить до 80%, что дает основание называть его силикатным цементом.

Трехкальциевый алюминат – самый активный из клинкерных материалов; твердеет он очень быстро, но продукт его гидратации имеет повышенную пористость, низкую прочность и долговечность.

Четырехкальциевый алюмоферрит по скорости твердения и прочности занимает промежуточное положение между алитом и белитом но не обладает высокой прочностью.

Таким образом, изменяя количественное содержание клинкерных минералов, можно изменять определенные свойства цемента.

Твердение портландцемента после смешивания его с водой — сложный физико-химический процесс. Образовавшееся пластичное цементное тесто через несколько часов начинает загустевать(схватываться), а затем твердеть с постепенным нарастанием механической прочности цементного камня. Процесс твердения цементного камня продолжается несколько лет и его можно разделить на три периода.

Первый период – взаимодействие клинкерных материалов с водой с образованием гидратных соединений по реакциям: 3CaO·SiO2 +5Н2О =2СаО •SiO2•4Н2О+Са(ОН)2; 2CaO·SiO2 +4Н2О =2СаО·SiO2·4H2O: 3СаО·А12О3 +6Н2О =3СаО·А12О3·6Н 2О; 4CaO·A12O3·Fe2O3 + 6H2O = 4CaO·A12O3·Fe2O3·6H2O.

Второй период — коллоидационный. Из-за низкой растворимости гидратных соединений раствор оказывается перенасыщенным, и они начинают выделяться в коллоидном состоянии. При сближении между коллоидными частичками проявляются силы межмолекулярного взаимодействия, цементное тесто теряет подвижность, начинается его схватывание.

Третий период — кристаллизационный. В это время гидрат окиси кальция Са(ОН)2и трехкальциевый гидроалюминат3СаО•А12О3•6Н2О из коллоидного состояния переходят в кристаллическое. Кристаллы срастаются между собой, образуя прочный кристаллический сросток, пронизывающий коллоидную массу, состоящую главным образом из двухкальциевого гидросиликата 2CaO·SiO2·4H2O. Со временем прочность кристаллического сростка увеличивается, так как из него постепенно удаляется вода, поэтому прочность цементного камня спустя несколько лет в несколько раз превышает марочную.

Производство портландцемента. Природным сырьем, пригодным для получения портландцемента, являются известняковые мергели, известняки, мел, ракушечник, известняковый туф и глинистые горные породы, которые должны содержать около 75-78% известняка и 22-25% глины. В зависимости от способа подготовки сырьевой смеси различают следующие способы производства портландцемента:

Мокрый способ производства портландцемента (рис 3.4).

Сырьевые материалы, доставляемые из карьера на завод в кусках, подвергают предварительному измельчению (до размеров не более 5 мм): твердые породы измельчают в дробилках, шаровых мельницах, более мелкие (глина, мел) перемешивают в бассейнах (болтушки с водой).

После измельчения сметанообразная смесь известняка, глины и воды в виде шлама насосами подается в коррекционные шламбассейны (стальные или железобетонные резервуары цилиндрической формы), где окончательно корректируется химический состав шлама. Шлам перекачивают в горизонтальные шлам бассейны большей емкости, в которых создается запас шлама на 3.-..4 суток для бесперебойной работы печей. Из бассейнов шлам равномерно подается на обжиг во вращающуюся печь – длинный стальной цилиндр, внутри футерованный огнеупорным материалом. Длина печи 150...185 м, диаметр до 5 м. Печь расположена под небольшим уклоном к горизонту (3...4) и медленно вращается вокруг своей оси. Шлам загружают в верхней стороне печи, и он передвигается к нижнему ее концу.

Горячие газы нагревают его до требуемой температуры, при этом в шламе протекают следующие физико-химические процессы:

При 800-1000°С происходит интенсивный процесс диссоциации карбоната кальция с образованием оксида кальция и углекислого кальция, который удаляется вместе с продуктами горения. Оксид кальция СаО вступает в химические реакции с оксидами глины.

Рис. 3.4.Технологическая схема производства портландцемента мокрым способом:

1 – шнековая дробилка; 2 – молотковая дробилка; 3 – объединенный склад; 4 – валковая дробилка; 5 – болтушки; 6 – ковшовый питатель; 7 – бункера сырьевых мельниц; 8 – тарельчатые питатели; 9 – сырьевая мельница; 10 – коррекционные вертикальные шламбассейны; 11– горизонтальные шламбассейны; 12 – вращающаяся печь; 13 – холодильник; 14 – цементные силосы; 15 – упаковочная машина; 16 – отгрузка цемента

Наиболее интенсивно реакции химического соединения СаО происходят при 1200-1250°С, при этом образуются двухкальциевый силикат, трехкальциевый алюминат и четырехкальциевый алюмоферрит. При температуре 1300°С трехкальциевый алюминат 3СаО·А12О3 и четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО·Аl2О3·Fе2О3 расплавляются и образуют клинкерную жидкость, в которой растворяются СаО и 2СаО·SiO2 с образованием трехкальциевого силиката 3СаО·SiO2, который кристаллизуется из расплава при 1450°С.

Трехкальциевый силикат - важнейший минерал клинкера. При понижении температуры до 1300°С жидкий расплав застывает, заканчивается процесс спекания.

Клинкер представляет собой зерна серовато-зеленого цвета, твердые, размером до 25 мм. Раскаленный клинкер поступает в холодильник, где охлаждается до 80-100 °С холодным воздухом, затем его отправляют на склад, где находится в течение 1-2 недель. За этот период снижается твердость зерен клинкера, что в дальнейшем облегчает помол. Клинкер размалывают совместно с гипсом и активными минеральными добавками в трубных шаровых мельницах. Готовый цемент направляется в силосы на 2 недели, а затем его упаковывают в бумажные мешки по 50 кг. ГОСТ 10178-85 предусматривает выпуск трех видов портландцемента:

Мокрым способом перерабатывают мягкое сырье с повышенной влажностью (мел, глина). Этот способ отличается в худшую сторону высокой энергоемкостью обжига, связанной с испарением содержащейся в шламе воды.

Сухой способ производства портландцемента применяют в случае, если сырье имеет невысокую влажность 8-10%. Технологические операции не меняются, однако производство сухим способом проще, экономичнее, чем мокрым из-за отсутствия процесса образования шлама. Кроме того, можно совместить помол и подсушку сырья.

Сырьевые материалы дробят, сушат, измельчают. Получаемый в результате порошок (сырьевая мука) должен иметь остаточную влажность не более 2%. Сухой порошок гранулируют или формуют в брикеты. Гранулы обжигают в циклонных теплообменниках, вращающихся печах, брикеты – в шахтных печах.

Сухой способ экономичнее и особенно выгоден при использовании однородного сырья с невысокой естественной влажностью.

После помола цемент хранят в силосах — металлических или железобетонных емкостях цилиндрической формы диаметром 10-15 м и высотой 25-30 м. Во время хранения цемент постепенно остывает после помола; свободный оксид кальция гасится влагой, содержащейся в воздухе. Потребителям цемент отправляют в защищенном от увлажнения виде либо навалом в автоцементовозах, крытых железнодорожных вагонах, либо упакованным в многослойные бумажные или полиэтиленовые мешки.

Комбинированный способ: подготовку сырья осуществляют по схеме мокрого способа, затем полученную жидкую сметанообразную массу (шлам) частично обезвоживают, приготовляют из нее гранулы и обжигают по схеме сухого способа.

Отличительной особенностью портландцемента является то, что он имеет относительно постоянный химический и минералогический состав, обусловливающий стабильные физико-механические свойства.

При твердении цемента на воздухе за счёт кристаллизации и коллоидизации повышается прочность цементного камня и выделяется тепло. В первые 3-7суток прочность нарастает довольно быстро (70%), затем в интервале 7-28 суток — рост прочности замедляется (30%). Через 28 суток наступает марочная прочность (100%). В дальнейшем повышение прочности относительно невелико, но может продолжаться в течение многих лет, особенно во влажной и теплой среде.

Свойства портландцемента:

Истинная плотность портландцемента составляет 3,05-3,15 г/см .

Насыпная плотность в зависимости от степени уплотнения равняется: в рыхлонасыпном состоянии– 1,1 г/см3, в уплотненном– 1,5-1,6 г/см3.

Тонкость помола влияет на скорость схватывания. Чем тоньше измельчен цементный клинкер, тем быстрее и полнее протекает взаимодействие цемента с водой и тем выше будет его прочность. С повышением дисперсности цемента возрастает скорость твердения, полнота использования вяжущего, а также прочность искусственного камня.

Тонкость помола можно определить двумя способами:

Удельная поверхность – это величина поверхности зерен (в см2) в 1 г цемента. Остаток на сите № 008 составляет не более 15%. Удельная поверхность должна быть 2500...3000 см 2/г.

Водопотребностъ и нормальная густота.

Водопотребность – то количество воды (в %), которое необходимо ввести в цемент для получения теста нормальной густоты(затворения). Водопотребность портландцемента находится в пределах 22-26% в зависимости от минерального состава и тонкости помола. Определение нормальной густоты производят с помощью прибора Вика (рис.3.5).

Рис. 3.5. Прибор Вика: а — вид сбоку; 6 — вид спереди; 1 — стержень с грузом; 2 — дополнительный груз; 3 — обойма; 4 — шкала; 5 — указатель;6 — зажимный винт; 7 — кольцо для цементного теста; 8 — пестик

Нормальной густотой теста является такая его консистенция, при которой пестик прибора, погружаясь в кольцо, заполненное тестом, не доходит до дна кольца на 5-7 мм. Нормальная густота цементного теста составляет 24-28% от массы цемента.

Сроки схватывания. Начало схватывания согласно ГОСТу не ранее 45 мин(обычно наступает через 1-2ч). Окончание схватывания не позднее 10ч от начала затворения (обычно через 4-6 ч). Начало и конец характеризуют быстроту нарастания пластической прочности цементного теста.

Окончание твердения – через 28 суток.

Равномерность изменения объема цемента – показатель, характеризующий его доброкачественность. Твердение цемента сопровождается объемными деформациями: на воздухе происходит усадка, в воде — набухание. Важно, чтобы изменения объема были равномерными. Причиной неравномерного изменения объема являются местные деформации, вызванные гидратацией с увеличением объема свободных СаО и О в виде пережога. Это свойство определяется на образцах-лепешках, которые не должны искривляться или растрескиваться после кипячения в воде и выдерживании над паром, до испытания лепешки одни сутки твердеют во влажном воздухе. При неравномерном изменении объема снижается не только предел прочности, но и разрушается цементный камень.

Цемент, не выдержавший испытание на равномерность изменения объема, нельзя применять в строительстве.

Тепловыделение при твердении. Взаимодействие цемента с водой сопровождается выделением большого количества теплоты в течение длительного времени; заметного повышения температуры твердеющей смеси обычно не происходит. Но при возведении массивных бетонных конструкций (фундаменты, толстые стены, плотины) потери теплоты в окружающее пространство незначительны по сравнению с общим количеством выделяющейся теплоты и возможен разогрев бетона внутренней части конструкции до 60С и более, что может вызвать его растрескивание. С другой стороны, при бетонировании в холодное время года повышенное тепловыделение способствует поддержанию положительной температуры бетона. Кроме того, тепловыделение и его скорость зависят от минерального состава и тонкости помола цемента. Трехкальциевый алюминат и алит обладают высокой экзотермией и выделяют много теплоты в ранние сроки твердения. Белит характеризуется низкой экзотермией и выделяет тепло очень медленно. Тепловыделение ускоряется при повышении тонкости помола цемента.

Прочность характеризуется маркой, которую устанавливают по пределу прочности при изгибе образцов-балочек размером 40x40x160 мм и при сжатии их половинок, изготовленных из цементно-песчаного раствора нормальной консистенции состава 1:3(по массе) на стандартном песке и испытанных через 28 суток. Первые сутки после изготовления образцы твердеют в форме во влажном воздухе, последующие 27 суток – без формы в воде комнатной температуры. Через 28 суток балочки испытывают на изгиб, а образовавшиеся половинки – на сжатие. Предел прочности при сжатии в возрасте 28 суток называют активностью цемента. Согласно ГОСТ 10178–85 портландцемент имеет следующие марки: М400, 500, 550, 600. В целях унификации требований российских и европейских стандар-тов вводится деление цементов по прочности на классы (МПа): 22,5; 32,5; 42,5; 52,5.

Условное обозначение портландцемента должно состоять из:

Например, ПЦ-400Д20 ГОСТ 10178-5 – портландцемент марки 400, добавок 20%.

Химическая стойкость цементного камня определяется скоростью и глубиной коррозионных процессов, вызванных действием агрессивных веществ на его составляющие, главным образом на Са(ОН)2 и гидроалюминат кальция 3СаО•А1203•6Н20. Агрессивные жидкости и газы проникают в цементный камень благодаря развитой системе сообщающихся капиллярных пор.

Коррозия цементного камня. Коррозия портландцемента (в бетонах и растворах) происходит под действием агрессивной среды, создаваемой различными жидкостями и газами. На практике обычно одновременно протекает несколько видов коррозии.

Различают три основных вида коррозии цементного камня:

Коррозия первого вида возникает в результате воздействия пресных вод на цементный камень путём растворения и вымывания выделяющейся при твердении портландцемента Са(ОН)2, которая больше растворяется в воде по сравнению с другими продуктами гидратации и разлагает другие гидраты, вследствие чего бетоны становятся более пористыми и постепенно разрушаются.

Коррозия второго вида – процессы, происходящие под действием вод, содержащих химические вещества (соли), вступающие в обменные реакции с составными частями цементного камня. Например, коррозия бетона под действием углекислых вод(углекислота имеется во многих природных водах), сточных вод(в них часто содержится соляная кислота), разрушающих подземные бетонные конструкции(фундаменты и др.).

Коррозия третьего вида - процессы, связанные с образованием малорастворимых продуктов, которые постепенно накапливаются в капиллярах, порах и других пустотах цементного камня. По мере увеличения объема этих отложений, цементный камень сначала уплотняется, а затем начинает разрушаться. Например, сульфоалюминатная коррозия – разрушение цементного камня под действием вод, в которых растворены соли сульфатов. В результате обменных реакций образуется труднорастворимый гидросульфоалюминат кальция, так называемая«цементная бацилла» (названа из-за внешнего сходства игольчатых кристаллов гидросульфоа-люмината кальция с некоторыми бактериями), которая при кристаллизации увеличивается в объеме в 2,86 раза и разрушает цементный камень.

Возможность сульфоалюминатной коррозии необходимо учитывать при строительстве морских сооружений, возведении фундаментов и других подземных конструкций в районах с высоким содержанием сульфатиона в грунтовых водах. Магнезиальная коррозия возникает при взаимодействии Са(ОН)2 с магнезиальными солями, встречающимися в растворенном виде в грунтовых водах и содержащимися в морской воде в больших объёмах.

Для предотвращения коррозии цементных материалов нужно правильно выбирать вид цемента, изготавливать особо плотные растворы и бетоны и предохранять их от воздействия агрессивных жидкостей, создавая гидроизоляционные покрытия.

Меры борьбы с коррозией:

  1. Обеспечение гидроизоляции (в этом случае вода не проникает внутрь цементного камня и разрушающих процессов не происходит);

  2. Применение цементов определенного минералогического состава(сульфатостойкий цемент);

  3. Введение активных минеральных добавок (пуццолановый и шлакопортландцемент);

  4. Тщательное уплотнение бетонной смеси;

  5. Применение защитных облицовок и покрытий – полимерными пленками, битумными обмазками, керамическими и стеклянными плитками, которые исключают воздействие агрессивной среды на конструкции.

Применение, транспортирование и хранение цементов. Благодаря универсальности, высокой прочности, способности сравнительно быстро твердеть на воздухе и в воде области применения портландцемента обширны и разнообразны. Применяют его при возведении бетонных и железобетонных конструкций, работающих в подземных, подводных и наземных условиях; для изготовления сборных и монолитных бетонных и железобетонных конструкций для жилищного, промышленного, дорожного, сельского и других видов строительства. На основе ПЦ изготавливают бетоны различного вида, высокомарочные строительные растворы, теплоизоляционные материалы и т.д.

Транспортируют портландцемент в крытых или специальных железнодорожных вагонах и в автомобилях-цементовозах, приспособленных для механической разгрузки. Загружают цемент в такие емкости главным образом пневматическим способом. Перевозят портландцемент и в многослойных бумажных мешках, которые удобны при транспортировке. ПЦ необходимо хранить в закрытых складах с плотной крышей, стенами и деревянным полом, возвышающимся над землей, защищенных от увлажнения и загрязнения. Но в любом случае даже в самых благоприятных условиях при длительном хранении активность цемента снижается в результате частичной гидратации и карбонизации цемента из-за его высокой гигроскопичности. Частицы с поверхности взаимодействуют с водой и слипаются, образуя комья. Снижение марочной прочности при продолжительном хранении составляет: за 3 месяца — 15-20%, через 6 месяцев – 20-30%, за год — до 40%. В большей степени снижают прочность тонкомолотые цементы.

Портландцемент и его разновидности

Портландский цемент, который является высококачественным и достаточно дорогим материалом, необходимо расходовать экономно, заменяя, где это возможно, более дешевыми вяжущими – известью, гипсовыми вяжущими, смешанными цементами

На основе ПЦ клинкера промышленность изготавливает многочисленные разновидности цементов, обладающих специальными, строительно-технологическими свойствами и используемых в самых различных целях. К таким цементам относятся: быстротвердеющий и гидрофобный, белый и сульфатостойкий и др.

Специальные цементы

Специальные цементы отличаютс от портландцемента и его разновидностей видом исходного сырья, технологией производства, химическим и минералогическим составами, свойствами и областями применения. В эту группу гидравлических вяжущих входят глиноземистый, расширяющийся, безусадочные цементы и гипсоцементно-пуццолановое вяжущее вещество, напрягающий цемент.

Глиноземистый цемент (ГОСТ 969-77) по минералогическому составу и техническим свойствам отличается от портландцемента. Глиноземистый цемент – быстротвердеющее и высокопрочное гидравлическое вяжущее, получаемое обжигом и последующим тонким измельчением сырьевой смеси известняков СаСO3 и бокситов (Аl2О3) и состоящее преимущественно из алюминатов кальция(ГЦ) часто называют алюминатным), придающих вяжущие свойства.

Сырьем для его производства служит смесь известняка или извести и пород с высоким содержанием гидрата глинозема Аl2О3·пН2О, чаще бокситов. Сырье обжигают до плавления в электрических дуговых или доменных печах при температуре более 1500 °С или реже до спекания при 1200-1300°С во вращающихся печах. В процессе твердения, протекающего аналогично твердению ПЦ, образуется высокопрочное вещество двухкальциевый гидроалюминат 2СаО·Аl2О3·8Н20 в кристаллической форме и гелевидная масса гидроксида алюминия А1(ОН)3.

Полученный продукт после охлаждения размалывают в порошок. Тонкость помола глиноземистого цемента должна быть такой, чтобы остаток при просеве на сите с сеткой № 008 не превышал 10% массы пробы. Вследствие высокой твердости помол сплава(клинкера) требует больших затрат электроэнергии, что является причиной, наряду с дефицитностью бокситового сырья, высокой стоимости и ограниченного производства глиноземистого цемента(он в 4-5 раз дороже портландцемента).

Химический состав ГЦ определяет быстрое твердение и другие свойства глиноземистого цемента. Уже в первые сутки твердения глиноземистый цемент набирает более 50% марочной прочности. При столь быстром твердении он обладает нормальными сроками схватывания: начало схватывания не ранее 30 мин., конец – не позднее 12 ч от начала затворения. Марки ГЦ, определяемые по результатам испытания образцов 3-х суточного возраста по прочности на сжатие: 400, 500 и 600. Портландцемент набирает такую прочность только через 28 суток нормального твердения.

Преимущества:

Недостатки:

Применение – в специальных сооружениях, для изготовления быстротвердеющих и жаростойких бетонов и строительных растворов, при аварийно-ремонтных и монтажных работах, а также зимнем бетонировании, для изготовления расширяющегося и безусадочного цементов.

Расширяющиеся и безусадочные цементы (расширение 0,2...1,0%) – цементы, способные, в отличие от других видов цементов, обеспечить водонепроницаемость при заполнении швов между панелями, заделке трещин, гидроизоляции туннелей, стволов шахт и других работах. Кроме того, эти цементы отличаются способностью при твердении во влажных условиях незначительно расширяться или не давать усадки при твердении на воздухе.

Расширяющиеся цементы

Твердение большинства гидравлических вяжущих на воздухе сопровождается усадкой(уменьшение линейных размеров и объема), способной привести к растрескиванию бетона или раствора, особенно в протяженных монолитных конструкциях. Эту проблему могут решить расширяющиеся, водонепроницаемые и напрягающие цементы, которые расширяются или хотя бы не дают усадки в начальный период твердения. Из них можно получить практически непроницаемый бетон.

Расширяющиеся цементы – смешанные вяжущие, состоящие из глиноземистого или ПЦ и компонентов, обеспечивающих образование такого количества гидросульфоалюмината кальция, которое необходимо для получения эффекта расширения. Наиболее широко используются:

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент получают, измельчая совместно высокоглиноземистый клинкер (сплав) 70% и природный гипс (30%). Сроки схватывания цемента удобны для строительных работ: начало должно быть не ранее 20 мин., конец — не позднее 4 ч. Прочность стандартных растворных образцов после трех суток твердения составляет не менее 28 МПа. Расширение проявляется только при твердении в воде; набухание через трое суток твердения находится в пределах 0,1-0,7%.

Расширяющийся портландцемент (РПЦ) получают совместным помолом портландцементного клинкера (60-65%), высокоглиноземистого доменного шлака или глиноземистого клинкера (5-7%), двуводного гипса (7-10%) и активной минеральной добавки – диатомита или трепела (20-25%). Введение последних ускоряет образование гидросульфоалюмината кальция до схватывания цементного теста и обеспечивает расширение твердеющей системы в пластическом состоянии без возникновения опасных внутренних напряжений.

Отличительные особенности:

  1. РПЦ отличается более быстрым нарастанием прочности, чем ПЦ, особенно при кратковременном пропаривании, высокой плотностью и водонепроницаемостью цементного камня — до 1,2 МПа и более;

  2. РПЦ расширяется при твердении в воде и на воздухе при постоянном увлажнении в первые трое суток. Расширение в суточном возрасте составляет 0,2 ... 1,0%.

Выпускают три вида расширяющихся цементов:

Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) — быстросхватывающий и быстротвердеющий цемент, изготовленный совместным помолом глиноземистого цемента 70-76%, гипса – 20-22% и высокоосновного гидроалюмината кальция. Является гидравлическим вяжущим; сроки схватывания: начало схватывания не ранее 4 мин., окончание - не позднее 12 мин. Приобретает марочную прочность 500 через 28 суток, но уже через 6 ч. твердения набирает прочность не менее 7,5 МПа. Отличается высокой плотностью, водонепроницаемостью, пониженной морозостойкостью и может применяться только при положительных температурах для зачеканки и гидроизоляции тюбингов, раструбных соединений, создания гидроизоляционных покрытий, заделки трещин и стыков в железобетонных конструкциях и т.д.

ПЦ и его разновидности имеют существенный недостаток – они медленно схватываются и медленно твердеют. Гипсовые вяжущие, наоборот, быстро схватываются и быстро твердеют, но обладают низкой водостойкостью. В 60-е годы профессором А.В. Волженским было предложено смешанное вяжущее, обладающее достоинствами гипса и цемента – быстрым ростом прочности, характерным для полуводного гипса, и способностью твердеть во влажных условиях подобно гидравлическим цементам – гипсоцементно-пуццолановое вяжущее (ГЦПВ).

Гипсоцементно-пуццолановое вяжущее (ГЦПВ) – продукт тщательного смешивания гипсового вяжущего – полуводного гипса (50-75%), портландцемента или шлакопортландцемента (15-25%) и активной минеральной добавки – трепел, диатомит, опоку (10-25%). Введение активной минеральной добавки обязательно. При твердении смеси гипса с цементом (без добавки) образуется камень, который может постепенно разрушиться вследствие образования гидросульфоалюмината кальция («цементной бациллы») со значительным увеличением объема. При введении добавки, вяжущее твердеет нормально, т.к. условий для образования «цементной бациллы» не создается.

ГЦПВ характеризуется повышенной водостойкостью, быстрым твердением (начало схватывания наступает не ранее 4 мин, конец — не позднее 20 мин). Марки вяжущего по пределу прочности при сжатии (кгс/см2): 100 и 150. За первые 2-3 ч твердения вяжущее набирает до 40% марочной прочности, что позволяет изготавливать изделия при укороченной тепловлажностной обработке или без нее. Для удлинения сроков схватывания применяются добавки-замедлители. По сульфатостойкости равноценно сульфатостойкому портландцементу. Растворы на ГЦПВ имеют прочность при сжатии 20 МПа, морозостойкость F25...F50, коэффициент водостойкости – 0,6-0,8. Для повышения морозо- и водостойкости в ГЦПВ вводят полимерные добавки (синтетические латексы), которые замедляют схватывание и улучшают условия твердения вяжущего, уменьшая испарение влаги.

Применение – для устройства оснований полов, санитарно-технических кабин, вентиляционных блоков, стеновых панелей, получения растворов и бетонов с прочностью при сжатии 15-30 МПа в зависимости от марки гипсового вяжущего; в смеси с полимерными добавками – для отделки фасадов.

Напрягающий цемент (НЦ) состоит из 65-75% портландцемента, 13-20% глиноземистого цемента и 6-10% гипса. При определенных условиях твердения в процессе расширения этот цемент создает в арматуре предварительное напряжение, независимо от расположения арматуры в железобетонной конструкции. Таким образом, химическая энергия вяжущего вещества используется для получения предварительно напряженных конструкций без применения механического или термического способов.

Расширение НЦ в свободном состоянии составляет 3...4%, в ограниченном – 0,25...0,75%. Этот цемент характеризуется быстрым схватыванием и быстрым твердением: начало схватывания наступает не ранее чем через 30 мин, а окончание — не позднее чем через 4 ч после затвердения. Прочность НЦ при сжатии через 1 сутки не менее 15 МПа, через 28 суток твердения – 50 МПа.

Применени – для газонепроницаемых конструкций, хранилищ бензина, подводных и подземных напорных сооружений, спортивных объектов, так как конструкции на НЦ отличаются повышенной трещиностойкостью. Портландцементы с добавками поверхностно-активных веществ. К этой группе цементов относят портландцемент с минеральными добавками, пуццолановый портландцемент, шлакопортландцемент, сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками и сульфатостойкий шлакопортландцемент.

Активные минеральные добавки – вещества, которые в тонкоизмельченном состоянии при смешивании с воздушной известью придают ей гидравличность: известковое тесто после затвердевания на воздухе способно набирать прочность в воде. Эти добавки (гидравлические или пуццолановые) содержат кремнезем Si0 2 в аморфной (химически активной) форме, способного связывать гидроксид кальция в извести или при гидратации портландцементного клинкера в практически нерастворимые гидросиликаты кальция. В результате ПЦ приобретает специальные свойства, возрастает его сопротивление коррозии. Кроме того, введение минеральных добавок взамен части клинкера значительно (до 20%) снижает себестоимость цемента за счет сокращения расхода топлива и электроэнергии.

Активные минеральные добавки делятся на:

В соответствии с действующими стандартами в ПЦ и все его разновидности по согласованию с потребителем разрешается добавлять в небольшом количестве поверхностно-активные вещества, которые вносятся при помоле цемента в дозировке 0,1-0,3% его массы.

Поверхностно-активные вещества в зависимости от влияния на свойства цемента классифицируют на:

В соответствии с этим цементы с гидрофилизующими добавками называют пластифицированными, а с гидрофобизующими — гидрофобными («ГФ»).

Наиболее распространенной гидрофилизующей добавкой является лигносульфонат технический (ЛСТ) - отход при сульфитной варке целлюлозы, состоящий в основном из лигносульфонатов кальция. В отличие от обычного пластифицированный портландцемент отличается от обычного способностью придавать растворным и бетонным смесям повышеннуюподвижность. Эффект пластификации позволяет уменьшить водоцементное отношение, повысить морозостойкость и водонепроницаемость рас-творов и бетонов или уменьшить расход цемента на 10-15% без ухудшения их качества.

Пластифицированный портландцемент (ПЦ-ПЛ) получают введением в цемент при помоле клинкера некоторого количества, поверхностно-активных веществ (ПАВ). Можно вводить СДБ (сульфитно-дрожжевая бражка) в количестве 0,15-0,25% по массе цемента.

Отличительные особенности:

Применение – при производстве более удобоукладываемых бетонных смесей и морозостойких бетонов, а также в дорожном, аэродромном и гидротехническом строительстве.

Гидрофобный портландцемент (ГПЦ) получают введением в цемент при помоле клинкера поверхностно-активной гидрофобизирующей добавки в количестве 0,1...0,3% по массе цемента.

К гидрофобизующим добавкам относятся:

Эти вещества являются побочными продуктами нефтепереработки и образуют на частицах цемента тонкие мономолекулярные водоотталкивающие пленки, снижающие его гигроскопичность. Поэтому гидрофобный цемент можно долго хранить даже во влажных условиях, он не комкуется, сохраняя свою активность. В то же время при перемешивании его с водой водоотталкивающие пленки на зернах цемента разрушаются, не мешают твердению, пластифицируют цемент.

Гидрофобный цемент имеет марки 400 и 500. При транспортировании и хранении даже во влажных условиях он не комкуется и почти не теряет активности. При перемешивании цемента с водой и заполнителями гидрофобные пленки с частиц сдираются и не препятствуют нормальному твердению цемента. Наличие гидрофобизующего вещества в смеси делает ее более подвижной, а образующийся при затвердевании камень — более морозостойким и водонепроницаемым.

Применение – для изготовления растворов и бетонов повышенной стойкости для гидротехнического, дорожного и аэродромного строительства, при перевозке бетонных и растворных смесей на большие расстояния.

Гидрофобный портландцемент можно использовать при отсутствии необходимых условий для хранения обычного цемента.

Белый и цветной портландцементы – вяжущие материалы для приготовления декоративных бетонов, растворов, отделочных смесей и цементных красок, применение которых позволяет при минимальных затратах повысить архитектурную выразительность зданий и сооружений.

Основой декоративных цементов является клинкер белого портландцемента (ПЦБ), который изготовляют из чистых известняков и белых каолиновых глин, почти не содержащих окрашивающих оксидов железа и марганца. В клинкере практически нет алюмоферрита кальция – Са4АF. Серый или зеленовато-серый цвет обычного ПЦ вызван наличием в сырье оксидов железа, марганца, хрома.

Обжиг сырья ведут только на газообразном беззольном топливе. Клинкер подвергают отбеливанию в восстановительной среде и быстрому охлаждению. При этом железо переходит в закисную форму, не дающую окраски. В процессе помола цемент предохраняют от попадания в него частиц железа.

В ПЦБ, кроме клинкера и гипсового камня белых сортов, допускается вводить минеральные добавки нормированной белизны в количестве до 20% массы цемента, в том числе активные минеральные осадочного происхождения до 10% и добавки-наполнители до 10%.

Декоративность ПЦБ характеризуется белизной и оценивается коэффициентом отражения света поверхностью образца (в %) абсолютной шкалы.

По степени белизны белый портландцемент делят на три сорта:

По степени белизны ПЦБ подразделяют на три сорта: БЦ-1, БЦ-2 и БЦ-3.

По пределу прочности при сжатии в возрасте 28 суток выпускают (ГОСТ 965-89) марки ПЦБ 400 и 500.

Цветные цементы (ГОСТ 15825—80) –( желтый, розовый, красный, зелёный, голубой, розовый, коричневый, чёрный и др.), получают помолом белого клинкера с соответствующими минеральными или органическими пигментами (охрой, железным суриком, ультрамарином и др.), гипсом и активной минеральной добавкой. Содержание компонентов в % массы цемента должно быть: клинкера – не менее 80; минерального искусственного или природного пигмента – не более 15; органического пигмента – не более 0,5; активной минеральной добавки – не более 6.

В цветных цементах применяют щелоче - и светостойкие пигменты, которые не должны оказывать вредного воздействия на эксплуатационные свойства вяжущего. Цвет цемента должен соответствовать утвержденному эталону. Цветной портландцемент выпускают марок 300, 400 и 500.

Вяжущее должно быть однородным по цвету и сохранять цвет при тепловлажностной обработке и воздействии ультрафиолетовых лучей. Белый и цветной цементы схватываются и твердеют медленнее обычного ПЦ. Начало схватывания должно наступать не ранее 45 мин, а конец — не позднее 12 ч с момента затворения. К недостаткам декоративных цементов относятся повышенная усадка при твердении и пониженные морозостойкость и коррозионная стойкость.

Применение - белые и цветные цементы применяют при архитектурно-отделочных работах, отделке стеновых панелей, подоконных плит, в дорожных работах для цементно-бетонных покрытий площадей, разделительных полос на автодорожных магистралях, для получения фактурного слоя стеновых панелей, для изготовления искусственного мрамора.

В зависимости от вида активной минеральной добавки и ее количества выпускают следующие разновидности портландцемента:

Портландцемент с минеральными добавками (ПЦД) содержит небольшое количество добавок, практически ни в чем не уступает обычному (за исключением морозостойкости, значение которой ниже), но обладает большей водостойкостью и лучшей сопротивляемостью коррозии выщелачивания.

Применение – в строительстве наряду с портландцементом (кроме случаев, когда требуется высокая морозостойкость).

Промышленность выпускает разновидности ПЦД на портландцементных клинкерах нормированного минерального состава:

Марки этих цементов 400 и 500.

Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) и особобыстротвердеющий портландцемент (ОБТЦ) характеризуются более быстрым набором прочности в первые 3-7 суток твердения. Выпускают БТЦ двух марок: 400 и 500 с нормированием прочности после 3 и 28 суток твердения в стандартных условиях, ОБТЦ - 600 и 700, которые в трехсуточном возрасте обеспечивают предел прочности при изгибе соответственно не ниже 3,9 и 4,4 МПа, а при сжатии 24,5 и 27,5 МПа.

Ускоренный рост прочности обеспечивается повышением содержания в клинкере быстротвердеющих минералов: трехкальциевого силиката и трехкальциевого алюмината (в сумме 60... 65%)– и более тонким помолом цемента с добавкой гипса 3-5% алитоалюминатного клинкера:C3S – 50-55% иC3А – 5-10% до удельной поверхности 300-400 м2/кг.

Отличительные особенности:

Применение – целесообразно применять при изготовлении сборных бетонных и предварительно напряжённых железобетонных изделий в заводских условиях и при производстве бетонных работ в зимнее время года, также в монолитных железобетонных конструкциях для ускорения набора прочности. Не рекомендуется использовать быстротвердеющий цемент при бетонировании массивных конструкций и для бетонов, к которым предъявляются требования по коррозионной стойкости. Хранить этот цемент длительное время (более 1-2 месяцев) не рекомендуется.

Сульфатостойкий портландцемент (ССПЦ) (ГОСТ 22266-76) отличается от обычного ПЦ более высокой стойкостью против сульфатной агрессии, а также большей морозостойкостью, пониженным тепловыделением и замедленным набором прочности. Для производства ССПЦ применяют клинкер на основе клинкера нормированного минерального состава С3S не более 50% и С3А не более 5%; С3А + С4АF не более 22%; МgО не более 5%. Такой состав цемента уменьшает возможность образования в цементном камне (бетоне) «цементной бациллы», повышает стойкость бетона к сульфатной коррозии. Введение инертных и минеральных активных добавок не допускается. Сульфатостойкий портландцемент выпускают только марки СГТЦ-400; он имеет повышенную морозо- и водостойкость и пониженное тепловыделение при твердении.

Применение – для изготовления бетонных и железобетонных конструкций гидросооружений, работающих в условиях многократного замораживания и оттаивания в пресной или сульфатсодержащей воде.

Пуццолановый портландцемент изготовляют совместным тонким помолом портландцементного клинкера, гипса и активных минеральных добавок или тщательным смешиванием этих компонентов, измельченных раздельно. Добавками являются: добавки вулканического происхождения (пемза, пепел, туфы), обожженных глин или топливной золы – 25-40% массы цемента; добавки осадочного происхождения (диатомит, трепел, опока) – 20-30% массы цемента. Выпускают марки 300 и 400.

Данный вид цемента отличается вследствие чего находит широкое применение в строительстве при сооружении подводных и подземных сооружений и для конструкций, находящихся в условиях повышенной влажности(тоннели, шахты, фундаменты и подвалы зданий и т. п.).

Пуццолановый портландцемент характеризуется медленным ростом прочности в начальный период твердения, однако после 6 месяцев твердения во влажной среде бетоны на этом цементе достигают требуемой прочности.

Отличительные особенности:

Применение – при бетонировании подземных и подводных частей сооружений (фундаментов, туннелей, плотин), где опасны температурные деформации конструкций, а также внутренних зон массивных конструкций. Не следует использовать в растворах и бетонах для конструкций, работающих в условиях попеременного замораживания и оттаивания; при зимних бетонных работах, а также на воздухе в районах с сухим жарким климатом. При низких температурах (ниже 10°С) твердение этого цемента замедляется и даже совсем прекращается, при повышенных – твердеет более интенсивно, чем портландцемент, поэтому бетоны на пуццолановом портландцементе целесообразно подвергать пропариванию. В течение первых двух недель бетоны необходимо увлажнять, предохранять от высыхания, так как в сухих условиях твердение бетона на этом цементе практически прекращается.

Шлакопортландцемент (ШПЦ) получают путем совместного помола портландцементного клинкера (79...20%), гипса (не более 5%) и гранулированного доменного шлака (побочный продукт при выплавке чугуна – на 1 т чугуна приходится 0,6-0,7 т шлака) или электротермофосфорного шлака в количестве до 60% массы вяжущего для марок 400 и 500 и до 80% для марки 300.

Допускается раздельный помол компонентов и последующее тщательное их смешивание. Активными компонентами ШПЦ являются клинкер и шлак, дополняющие друг друга. Последний усваивает необходимый ему гидроксид кальция, выделяющийся при гидратации клинкера, и сам твердеет. Кроме того, он одновременно выполняет роль активной минеральной добавки, химически связывая Са(ОН)2 и повышая коррозионную стойкость цементного камня.

Гранулированный шлак в виде пористых зерен размером до 10 мм получают быстрым охлаждением огненножидкого расплава водой или паром. В результате шлак имеет стекловидную структуру и обладает повышенной химической активностью. Доменный шлак по своему химическому составу близок к портландцементному клинкеру, поэтому его можно вводить в большом количестве, что дает снижение стоимости шлакопортландцемента на 20...25%, он экономически выгоднее, чем портландцемент.

Шлакопортландцемент изготовляется четырех марок — 200 300, 400 и 500.

Отличительные особенности:

Недостатки - пониженная по сравнению с обыкновенным портландцементом морозостойкость и замедленное нарастание прочности в начальные сроки твердения. Твердение ускоряется при повышении температуры и влажности. Бетоны на шлакопортландцементе, подвергаемые тепловлажностной обработке при 80...95°С, набирают более высокую прочность, чем бетоны на портландцементе той же марки, твердеющие в аналогичных условиях.

Применение – для изготовления сборных железобетонных изделий и конструкций, твердеющих в пропарочных камерах, для конструкций горячих цехов, в гидротехнических сооружениях, подвергающихся сульфатной агрессии, и используется для изготовления бетонных и железобетонных конструкций, подземных и подводных конструкций, для приготовления кладочных и штукатурных растворов. Не рекомендуется использовать при зимних бетонных работах.

Цемент для строительных растворов – специальный разбавленный цемент, получаемый совместным помолом клинкера с гипсом, активными минеральными добавками и добавками-наполнителями (кварцевый песок с малым содержанием глинистых, илистых и пылевидных примесей, известняк, мрамор, пыль электрофильтров клинкерообжигательньтх печей) и используемый при приготовлении строительных растворов для кладочных, облицовочных и штукатурных работ в тех случаях, когда использование высокомарочного портландцемента экономически невыгодно. СодержаниеПЦ клинкера в таком вяжущем должно быть не менее 20% массы.

Добавки-наполнители, в отличие от активных минеральных добавок, не обладают гидравлическими свойствами или эти свойства у них выражены незначительно. Для улучшения технологических свойств растворных смесей и повышения эксплуатационных свойств растворов (прочности, морозостойкости) допускается вводить при помоле цемента пластифицирующие, гидрофобизующие и воздухововлекающие добавки.

Цемент для строительных растворов характеризуется следующими сроками схватывания: начало — не ранее 45 мин, конец — не позднее 12 ч после затворения. Предел прочности при сжатии стандартных образцов после 28 суток твердения должен быть не ниже 19,6 МПа, что соответствует марке цемента 200.

Применение – для производства работ при температуре окружающего воздуха не ниже 10°С (из-за медленного набора прочности), для изготовления низкомарочных бетонов выше марки 150, для неармированных конструкций.

Вопросы для самопроверки

  1. Классификация вяжущих веществ по составу

  2. Классификация минеральных вяжущих веществ

  3. Деление минеральных вяжущих веществ в зависимости от способа твердеть и сохранять прочность на воздухе или в воде

  4. Классификация воздушной извести. Виды, сырье для производства, свойства, применение

  5. Классификация гипсовы вяжущих. Характеристика групп, свойства, применение

  6. Магнезиальные вяжущие вещества, Виды, свойства, применение

  7. Классификация гидравлических вяжущих веществ. Виды, прье для производства, виды, свойства

  8. Гидравлические вяжущие вещества. Сырье для производства, виды, применение

  9. Разновидности гидравлической извести. Свойства, применение

  10. Гипсовые вяжущие вещества. Виды, свойства, марки, применение

  11. Магнезиальные вяжущие вещества. Сырье для производства, виды, применение

  12. Гидравлическая известь. Сырье для производства, свойства, применение

  13. Основные виды цементов. Условные обозначения, свойства, применение

План практического занятия

  1. Общие сведения и классификация минеральных вяжущих веществ

  2. Воздушные вяжущие вещества. Характеристика, виды

2.1 Классификация воздушной извести. Виды, сырье для производства, свойства, применение

2.2 Классификация гипсовых вяжущих. Характеристика групп, свойства, применение

2.3 Магнезиальные вяжущие вещества. Виды, свойства, применение

  1. Классификация гидравлических вяжущих веществ. Виды, применение

3.1 Классификация гидравлической извести. Свойства, применение

Магнезиальные вяжущие вещества.

    1. Гипсовые вяжущие вещества. Виды, свойства, марки, применение

    2. Магнезиальные вяжущие вещества.

  1. Гидравлические вяжущие вещества. Сырье для производства, виды, применение

  2. Основные виды цементов. Разновидности, условные обозначения, свойства, применение