Состав и свойства портландцемента.

Химический состав клинкера характеризуется содержани­ем оксидов, %: СаО — 63 - 66; SiO₂ — 21 - 24; А1₂О₃ — 4 - 8; Fe₂O₃— 2 - 4, MgO — 0, 5 - 5; SO₃ - 0, 3 - 1; Na₂О+K₂ ― 0, 4 - 1, TiО₂+Cr₂О₃ — 0, 2 - 0, 5; Р₂О₅ — 0, 1 - 0, 3, содер-жание оксида маг­ния в клинкере не должно превышать 5 %. Используя данные химического анализа, можно вычислить по формулам расчет­ный минерало-гический состав клинкера. Ориентировочное содержание основных минера-лов в портландцементом клин­кере составляет (%):

Алит 3СаО ∙ SiO₂………...... ………..45 - 65

Белит 2СаО ∙ SiO₂....................... …...15 - 40

Алюминат 3СаО ∙ А1₂О₃……………... 5 - 15

Алюмоферрит 4СаО ∙ Al₂O₃ ∙ Fe₂O₃ …10 - 20

Располагая данными о минеральном составе клинкера и зная свойства клинкерных минералов, можно заранее предоп­ределить основные свойства цемента и особенности его твер­дения в различных условиях эксплуатации.

Вещественный состав цемента характеризует содержание в цементе (% по массе) основных компонентов: клинкера, гипса и активных минеральных до-бавок. Содержание SO₃ в цементе (с учетом вводимой добавки гипса) не дол-жно быть менее 1, 5 и более 3, 5% (в цементах марок 550 и 600 — до 4%).

Истинная плотность портландцемента (без минеральных добавок) сос-тавляет 3, 05-3, 15 г/см³. Его насыпная плотность зависит от уплотнения и сос-тавляет для рыхлого цемента 1100 кг/м³, сильно уплотненного до 1600 кг/м³, в среднем 1300 кг/м³.

Тонкость помола цемента оценивают путем просеивания предварите-льно высушенной пробы цемента через сито с сет­кой № 008 (размер ячейки в свету 0, 08 мм), через которое прошло не менее 85% просеиваемой пробы.

Наряду с ситовым анализом проводят определение удель­ной поверхнос-ти с помощью специального прибора — поверхностемера. При остатке на сите № 008 15% его удельная по­верхность составляет обычно 2500 - 3000 см²/г. Чем тоньше из­мельчен клинкер, тем быстрее протекает гидратация цемента и вы-ше его прочностные показатели.

Водопотребность цемента определяют количеством воды (% массы це-мента), которое необходимо для получения цемент­ного теста нормальной гус-тоты. Нормальной густотой цемент­ного теста считают такую его консистенцию (подвижность), при которой пестик прибора Вика, погруженный в кольцо, за-пол­ненное тестом, не доходит 5-7 мм до пластинки, на которой установлено кольцо. Водопотребность портландцемента без добавок составляет 24-28%, а при введении активных минеральных добавок осадочного происхождения (диатомит, трепел, опока) водопотребность цемента повышается до 32-37 %.

Сроки схватывания определяют с помощью прибора Вика путем погру-жения иглы этого прибора в тесто нормальной гу­стоты. Началом схватывания считают время, прошедшее от начала затворения до того момента, когда игла не доходит до пластинки 1-2 мм. Конец схватывания — время от начала зат­во-рения до того момента, когда игла погружается в тесто не более 1-2 мм. Нача-ло схватывания цемента должно, наступать не ранее 45 мин, а конец схватыва-ния — не позднее 10 часов от начала затворения. Для получения нормальных сроков схва­тывания при помоле клинкера вводят добавку двуводного гипса в количестве до 3, 5% (в пересчете на SO₃). Замедлителями схватывания являют-ся бура и борная кис­лота, фосфаты и нитраты калия, натрия и аммония.

Неравномерность изменения объема цементного камня при твердении связана с наличием в клинкере свободных оксидов кальция и магния, которые вызывают местные деформации, вызьшаемые расширением свободного СаО и MgO вследствие их гидратации. Обычно это может произойти вследствие на-личия свободных оксидов при нарушении технологии обжига и выдерж­ки клин-кера после обжига и молотого цемента после помола.

Тепловыделение при твердении цемента зависит от мине­рального сос-тава и тонкости измельчения цемента. По вели­чине тепловыделения клинке-рообразующие минералы распо лагаются в следующем порядке: алюминат, алит, алюмоферрит и белит. При возведении массивных бетонных конструк­ций (плотины, фундаменты, толстые стены и т. д.) в их глу­бине возможно повышение температуры до 50°С и более. Поэтому для бетонирования массив-ных кон­струкций применяют портландцемент с ограниченным содер­жанием алита (40-50%) и тонкостью помола не более 2500— 3000 см²/г.

Прочность портландцемента является главным свойством, характеризу-ющим его качество. В зависимости от предела проч­ности при сжатии и с уче-том предела прочности при изгибе стандартных образцов-балочек через 28 су-ток твердения порт­ландцемент разделяют на марки: 400, 500, 550, 600 (кгс/см²).

Активность и марку портландцемента определяют испы­танием станда-ртных образцов-призм размером 4x4x16 см, из­готовленных из цементно-песча-ной растворной смеси состава 1: 3 (по массе) и В/Ц=0, 4 при консистенции раст-вора по расплыву конуса 106 - 115 мм. Испытание образцов проводят че­рез 28 суток твердения: первые сутки — в формах во влажном воздухе. После их вы-держки 27 суток в ванне с водой при температуре 20+2°С проводят завершаю-щие испытания. Об­разцы-призмы сначала испытывают на изгиб, а затем по-ло­винки призм на сжатие. Активность цемента оценивают чис­ловым значе-нием предела прочности при сжатии половинок призм в возрасте 28 суток.

У быстротвердеющих портландцементов нормируется не только 28-су-точная прочность, но и начальная — 2(7)-суточная. Цемент должен обладать стабильными показателями проч­ности на сжатие: коэффициент вариации про-чности для це­мента марок 300 и 400 не более 5%, марок 500, 550, 600 — не бо-лее 3 %.

Согласно требованиям ГОСТ 30515-97 «Цементы. Общие технические условия» по прочности на сжатие (МПа) цементы подразделяют на классы: 22, 5; 32, 5; 42, 5; 52, 5. По назначе­нию цементы делятся на общестроительные и специальные. По скорости твердения общестроительные цементы подразде­ляют на нормально твердеющие (Н) с нормированием прочно­сти в возрасте 2 (7) и 28 суток и быстротвердеющие (В) с нор­мированием прочности в возрасте 2 и 28 суток, твердеющие с повышенной скоростью по сравнению с нормаль-но твердею­щими цементами.

Ускорение процесса твердения портландцемента можно осуществить путем введения добавок ускорителей твердения: хлорид кальция, (СаС1₂), нит-рат кальция — (Ca(NO₃)₂), нитрит кальция (Ca(NO₂)₂). Эти добавки ускоряют процесс гидрата­ции алита и белита. Вместе с тем, нитрит является эффектив­ным ингибитором коррозии арматуры, т.е. защищает армату­ру от коррозии.