Технические характеристики портландцемента

Характеристики портландцемента определяют: минеральный и вещественный составы, тонкость помола, нормальная густота, сроки схватывания, марка по прочности и другие технические свойства.

Минеральный состав выражает содержание в клинкере (в % по массе) главных минералов. Применяются расчетный и прямые экспе­риментальные методы определения минерального состава клинкера,

Минеральный состав рассчитывают на основании данных химическо­го анализа, который определяет содержание оксидов (в % по массе).

Прямые экспериментальные методы определения минерального состава клинкера включают: оптическую и электронную мик­роскопию, рентгеновский фазовый анализ, микрозондирование (ла­зерный и ионный микрозонды) и др.

Вещественный состав цемента выражает содержание в цементе (в % по массе) основных компонентов: клинкера, гипса, минеральных добавок, пластифицирующих и гидрофобизующих добавок; он при­водится в паспорте на цемент.

Допускается введение в цемент при его помоле пластифици­рующих или гидрофобизующих поверхностно-активных добавок в количестве не более 0, 3% от массы цемента (по согласованию с по­требителем).

Тонкость помола цемента оценивгется по стандарту путем про­сеивания предварительно высушенной пробы цемента через сито с сеткой № 008 (размер ячейки в свету 0, 08 мм); тонкость помола должна быть такой, чтобы через указанное сито проходило не менее 85% массы просеиваемой пробы.

Наряду с ситовым анализом для оценки дисперсности цемента проводят определение удельной поверхности с помощью специаль­ного прибора - поверхностемера. Даже обычный портландцемент М400 измельчается довольно тонко: остаток на сите с сеткой № 008 не превышает 15%, т.е. 85% зерен цемента имеет размер менее 80 мкм, при этом его удельная поверхность составляет обычно 2500- 3000 см²/г (суммарная площадь зерен цемента в 1 г).

Плотность портландцемента (без минеральных добавок) со­ставляет 3, 05-3, 15. Его насыпная плотность зависит от уплотнения и у рыхлого цемента составляет 1100 кг/м³, у сильно уплотненного - до 1600 кг/м³, в среднем - 1300 кг/м³.

Водопотребность цемента определяется количеством воды (в % от массы цемента), которое необходимо для получения цементного теста нормальной густоты. Нормальной густотой цементного теста считают такую его подвижность, при которой цилиндр-пестик при­бора Вика, погруженный в кольцо, заполненное тестом, не доходит на 5-7 мм до пластинки, на которой установлено кольцо. Водопо­требность портландцемента в пределах от 22 до 28%. При введении активных минеральных добавок осадочного происхождения (диато­мита, трепела, опоки) водопотребность цемента повышается и мо­жет достигнуть 32-37%.

Сроки схватывания и равномерность изменения объема це­мента определяют в тесте нормальной густоты.

Сроки схватывания определяют с помощью прибора Вика путем погружения иглы в тесто нормальной густоты. Началом схватывания считают время, прошедшее от начала затворения до того момента, когда игла не доходит до пластинки на 1-2 мм. Конец схватывания - время от начала затворения до того момента, когда игла погружается в тесто не более чем на 1-2 мм. Начало схватывания цемента должно наступать не ранее 45 мин, а конец схватывания - не позднее 10 час от начала затворения. Для получения нормальных сроков схватыва­ния при помоле клинкера на цементном заводе вводят добавку дву- водного гипса.

Равномерность изменения объема. Причиной неравномерного из­менения объема цементного камня являются местные деформации, вызываемые расширением свободной СаО и периклаза MgO вслед­ствие их гидратации. По стандарту изготовленные из теста нор­мальной густоты образцы-лепешки через 24 ч предварительного твердения выдерживают в течение 3 ч в кипящей воде. Лепешки не должны деформироваться, не допускаются радиальные трещины.

Активность и марка портландцемента. Активность и марку оп­ределяют испытанием стандартных образцов-призм размером 4x4x16 см, изготовленных из цементно-песчаной растворной смеси состава 1: 3 (по массе) и В/Ц= 0, 4 при консистенции раствора по расплыву конуса 106-115 мм. Через 28 сут твердения (первые сутки образцы твердеют в формах во влажном воздухе, а затем 27 сут - в воде ком­натной температуры), образцы-призмы сначала испытывают на из­гиб, затем получившиеся половинки призм - на сжатие ^см. табл. 1.4). Портландцемент разделяют на марки 400, 500, 550, 600.

У быстротвердеющих портландцементов нормируется не только 28-суточная прочность, но и начальная, 3-суточная.

Выделение тепла при твердении. Гидратация цемента сопро­вождается выделением тепла. В тонких бетонных конструкциях тепло гидратации быстро рассеивается и не вызывает существенного разо­грева бетона. Однако тепловыделение внутренней части массивной конструкции может повысить его температуру на 40°С и более по отношению к температуре бетонной смеси при укладке. Снаружи массив остывает быстрее, чем внутри, возникают температурные на­пряжения, которые нередко являются причиной появления трещин в бетоне. Чтобы избежать растрескивания, стремятся использовать

В соответствии с ГОСТ 30515-97 предусматривается введение классов цементов (МПа): 22, 5; 32, 5; 42, 5; 52, 5.

низкотермичные цементы, снижают расход цемента в бетоне, а в слу­чае необходимости применяют искусственное охлаждение массива.

Правила приемки цементов. Цемент отгружают и принимают партиями. Размер партии устанавливают в пределах от 300 до 4000 т в зависимости от годовой мощности цементного завода.

Завод производит паспортизацию цемента и назначает его марку на основании данных текущего контроля производства. В паспорте указывается: полное название цемента, его гарантированная марка, вид и количество добавки, нормальная густота цементного теста, средняя активность цемента при пропаривании. Для проверки качест­ва отгружаемой продукции поставщик производит физические и ме­ханические испытания цемента, определяя его прочность в возрасте 3 и 28 сут. По требованию потребителя поставщик сообщает потреби­телю результаты физико-механических и химических испытаний це­мента в 10-дневный срок после их окончания.

Цемент отгружают навалом или в бумажных многослойных меш­ках; массу мешка указывают на упаковке. При транспортировании и хранении цемент должен защищаться от воздействия влаги и загряз­нения. Цементы хранят раздельно по видам и маркам, смешивание разных цементов не допускается.

§ 4. Специальные виды портландцемента

Для получения портландцемента с заданными специальными свойствами используют следующие основные пути: регулирование минерального состава и структуры цементного клинкера, оказыва­ющее решающее влияние на все строительно-технические свойства; введение минеральных и органических добавок, позволяющих на­правленно изменять свойства вяжущего, экономить клинкер, умень­шать расход цемента в бетоне; регулирование тонкости помола и зернового состава цемента, влияющих на скорость твердения, актив­ность, тепловыделение и другие свойства цемента.

Быстротвердеющий и особобыстро- твердеющий портландцемент

Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) - портландцемент с минеральными добавками, отличающийся повышенной прочностью через 3 сут твердения, более половины его марочной прочности. Сумма C₃S + С₃А в клинкере - обычно не менее 60-65%. Помол БТЦ производится более тонко до удельной поверхности 3500-4000 см²/г (вместо 2800-3000 см²/г для обычного портландцемента). Это ускоря­ет твердение цемента. БТЦ выпускают М400 и М500 с нормативными показателями прочности.

Особобыстротвердеющий высокопрочный портландцемент (ОБТЦ) марки 600 в возрасте 1 сут имеет предел прочности 20-25 МПа, а через 3 сут - 40 МПа. Такой быстрый рост прочности обу­славливается содержанием C₃S до 65-68%, С₃А - до 18%, тонкость помола около 4000 см²/г. Применение ОБТЦ позволяет снижать рас­ход цемента на 15-20%.

Эти цементы применяются в производстве сборных железобе­тонных конструкций, а также при зимних бетонных работах. Следует иметь ввиду повышенное их тепловыделение, которое исключает применение для массивных конструкций. БТЦ с повышенным содер­жанием трехкальциевого алюмината непригоден для бетона, подвер­гающегося сульфоалюминатной коррозии.

Сверхбыстротвердеющий цемент (СБТЦ), разработанный на ос­нове специального минерального состава, дает раннюю прочность через 1-4 часа, достаточную для распалубки изделий. В сырьевую смесь СБТЦ вводятся галогеносодержащие вещества (фторид или хлорид кальция) и повышается содержание алюминатов.

Сульфатостойкий портландцемент

Сульфатостойкий портландцемент изготовляют на основе клин­кера, содержащего не более 50% C₃S, 5% С₃А и 22% С₃А + QAF.

Сульфатостойкий портландцемент предназначается не только для изготовления бетонов, подвергающихся действию сульфатной корро­зии, но и для бетонов повышенной морозостойкости. Это обеспечи­вается прежде всего пониженным содержанием трехкальциевого алюмината. Кроме того, при помоле никаких минеральных добавок, кроме гипса, не вводится, однако возможно введение пластифици­рующих или гидрофобизующих веществ, повышающих морозостой­кость.

Портландцементы с органическими добавками

В современной технологии бетона широко применяют поверх­ностно-активные вещества, вводимые в малых дозах (0, 05-0, 3% от массы цемента) в бетонные и растворные смеси при их изготовлении и добавляемые в цемент при помоле клинкера.

Поверхностно-активные добавки можно разделить на гидрофи- лизующие и гидрофобизующие.

К гидрофилизующим добавкам относятся лигносульфонаты каль­ция (ЛСТ).

К гидрофобизующим добавкам относят мылонафт, асидол, асидол- мылонафт. синтетические жирные кислоты и их соли.

Пластифицированный портландцемент изготовляют путем вве­дения при помоле клинкера около 0, 25% ЛСТ (считая на сухое веще­ство). Он отличается от обычного портландцемента способностью придавать растворным и бетонным смесям повышенную подвиж­ность. Пластифицирующий эффект используется для уменьшения водоцементного отношения, повышения морозостойкости и водоне­проницаемости бетона. Если же сохранить В/Ц, то можно снизить расход цемента (примерно на 10-15%) без ухудшения качества бето­на.

Гидрофобный портландцемент получают, вводя при помоле клинкера 0, 1-0, 2% мылонафта, асидола, синтетических жирных ки­слот, их кубовых остатков и других гидрофобизующих веществ. Он обладает пониженной (по сравнению с обычным цементом) ги­гроскопичностью, лучше сохраняет свою активность при хранении и перевозках. Гидрофобный портландцемент пластифицирует бе­тонные и растворные смеси, повышает морозостойкость и водоне­проницаемость бетона.

К цементам с органическими добавками следует отнести и вяжу­щие низкой водопотребности (ВНВ), которые получают совмест­ным помолом портландцемента и поверхностно-активного вещества суперпластификатора (С-3, 10-03, 30-03 и др.). Портландцемент до­малывают до тонкости помола 4500...5000 см²/г в присутствии супер­пластификатора (обычно С-3 - сульфиниро'ванная меламино-формаль- дегидная смола) в порошкообразном состоянии. При этом зерна це­мента капсулируются тончайшими оболочками из супер­пластификатора. ВНВ характеризуется следующими свойствами:

- высокой тонкостью помола, что создает повышенную реакци­онную способность;

- водопотребностыо 15... 18% (вместо 25...27% у обычного це­мента);

- замедлением начала схватывания до-6...7 часов при сохранении конца схватывания до 10 часов;

- быстрым набором прочности в ранние сроки (через сутки пре­дел прочности при сжатии составляет 25... 30 МПа).

ВИВ является высокомарочным вяжущим. Его марки лежат в пре­делах 700-1000. Однако применение цементов таких высоких марок целесообразно лишь в высокопрочных бетонах. Для получения ВНВ марок 500...600, применяемых в тяжелых бетонах, при помоле вводят минеральные добавки (тонкомолотый кварцевый песок, зола-унос и др.) в количестве 30...50% от массы цемента.

Портландцемент ы с минеральными добавками

Активными минеральными добавками называют природные или искусственные вещества, которые при смешивании и тонко- измельченном виде с воздушной известью и затвореиии водой об­разуют тесто, способное после твердения на воздухе продолжать твердеть и под водой.

Активные минеральные добавки (называемые иначе гидравли­ческими добавками) содержат двуоксид кремния в аморфном, а сле­довательно, в химически активном состоянии и способны поэтому взаимодействовать с гидроксидом кальция, образуя гидросиликаты кальция.

Активные минеральные добавки могут быть природными (естест­венными) и искусственными. В качестве природных активных доба­вок широко используют горные породы (диатомит, трепел, опоку, горелые глинистые породы - глиежи), а также породы вулканическо­го происхождения (вулканический пепел, туф, пемзу, витрофир, трасс). Искусственные активные минеральные добавки представляют собой побочные продукты и отходы промышленности: быстроохлаж- денные (гранулированные) доменные шлаки; белитовый (нефелино­вый) шлам-отход глиноземного производства, содержащий в своем составе до 80% минерала белита (двухкапьциевого силиката); зола- унос-отход, получившийся при сжигании твердого топлива в пыле­видном состоянии и улавливаемый электрофильтрами и другими уст­ройствами.

Использование отходов промышленности, в частности, для вы­пуска вяжущих веществ имеет большое народнохозяйственное зна­чение.

Пуццолановый* портландцемент изготовляют путем совместно­го помола клинкера и активной минеральной добавки с необходимым количеством гипса. Добавок осадочного происхождения (диатомита, трепела, опоки) должно быть не менее 20% и не более 30%, а вулка­нических добавок (пемзы, туфа), а также глиежа или топливной золы - не менее 25% и не более 40%. Активная минеральная добавка вна­чале адсорбирует, а затем химически связывает гидроксид кальция, образующийся при взаимодействии алита с водой:

w-Ca(OH)₂ + Si0_2aicT + и-Н₂0 (0, 8-1, 5) CaC)Si0₂pH₂0.

В результате этого процесса, происходящего во влажных условиях и при положительной температуре, растворимый гидроксид кальция связывается в практически нерастворимый гидросиликат кальция. Вследствие этого значительно возрастает стойкость бетона в отноше­нии выщелачивания Са(ОН)₂. Пуццолановый портландцемент следу­ет применять для бетонов, постоянно находящихся во влажных усло­виях (подводные и подземные части сооружений). На воздухе бетон на пуццолановом портландцементе дает большую усадку и в сухих условиях частично теряет прочность, что объясняется " выветриванием" воды из гидратных соединений. Кроме того, бето­ны на этом цементе имеют низкую морозостойкость и не годятся для сооружений, подвергающихся замораживанию и оттаиванию. Пуццо­лановый портландцемент твердеет в нормальных условиях медлен­нее, чем портландцемент. Поэтому его не следует применять при зимних бетонных работах.

' Название происходит от итальянского г. Pozzuoli; рыхлая вулканическая порода - пуццолана применялась еще в Древнем Риме, в качестве добавки к

извести.

Пуццолановый портландцемент обладает сравнительно неболь­шим тепловыделением и часто применяется для бетонов внутренних частей массивных сооружений (плотин, шлюзов и т.п.).

Шлакопортлаидцемент - гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе. Он получается путем совместного тонкого помола клинкера и гранулированного доменного (или элек- тротермофосфорного) шлака с необходимым количеством гипса. До­пускается раздельный помол компонентов и их последующее смеше­ние. Количество доменного шлака в шлакопортландцементе должно быть не менее 21% и не более 80% (от массы цемента). Допускается замена до 10% шлака трепелом или другой активной добавкой.

Доменные шлаки по своему химическому составу напоминают це­ментный клинкер. В них преобладают оксиды (%): 30-50 СаО; 28-30 Si0₂; 8-24 А1₂0₃; 1-3 МпО; 1-18 MgO, общее содержание которых достигает 90-95%. Гидравлическая активность шлаков характеризу­ется коэффициентом качества.

_к= %СаО + %MgO + %АЬ0₃ %Si0₂

С увеличением показателя коэффициента качества выше гид­равлическая активность доменного гранулированного шлака, K_mm=l.

Шлак, применяемый в качестве добавки к цементу, обязательно подвергается быстрому охлаждению водой или паром. Эта операция называется грануляцией, так как в процессе быстрого охлаждения шлаковый расплав распадается на отдельные зерна (гранулы). Бы­строе охлаждение препятствует кристаллизации шлака, и он получа­ется в стеклообразном и тонкозернистом химически активном со­стоянии. Поэтому гранулированный шлак является активным компо­нентом шлакопортландцемента, он взаимодействует с гидроксидом кальция с образованием низкоосновных гидросиликата (Ca0Si0₂-2, 5H₂0) и гидроалюмината (2Са0-А1₂0з-8Н₂0) кальция. Процесс твердения шлакопортландцемента значительно ускоряется при тепловлажностной обработке, поэтому его эффективно приме­нять в сборных изделиях, изготовляемых с пропариванием.

Незначительное содержание в цементном камне Са(ОН)₂ повыша­ет стойкость шлакопортландцемента в мягких и сульфатных водах по сравнению с портландцементом. Тепловыделение при твердении шлакопортландцемента в 2-2, 5 раза меньше, чем у портландцемента, поэтому он является самым подходящим цементом для бетона мас­сивных конструкций. Шлакопортландцемент выгодно отличается от пуццоланового портландцемента умеренной водопотребностыо, бо­лее высокой воздухостойкостью и морозостойкостью. Он успешно применяется как для надземных, так и подземных и подводных час­тей сооружений. Стоимость его на 15-20% ниже стоимости порт­ландцемента.

Жаростойкость шлакопортландцемента значительно выше, чем у портландцемента, поэтому он широко используется для изготовления жаростойких бетонов. Однако шлакопортландцементу присущ тот же недостаток, что и пуццолановому портландцементу - он медленно набирает прочность в первое время твердения, в особенности при пониженных температурах. Этот недостаток устраняется в быстрот- вердеющем шлакопортландцементе, который обладает более интен­сивным нарастанием прочности, чем обычный шлакопортландце­мент. Обычньй шлакопортландцемент имеет марки: 300, 400 и 500.

Быстротвердеющий шлакопортландцемент М400 за 3 сут твер­дения должен приобрести прочность при сжатии не менее 200 кгс/см² (20 МПа), при изгибе - не менее 35 кгс/см² (3, 5 МПа). Этот вид це­мента эффективно применять в производстве бетонных и железобе­тонных изделий, изготовляемых с применением тепловлажностной обработки.

Гипсоцементнопуццолановые вяжущие (ГЦПВ) получают, сме­шивая полуводный гипс (50-75%), портландцемент (15-25%) и ак­тивную минеральную добавку (10-25%) по массе - трепел, диатомит и т.п. Эти вяжущие относят к числу гидравлических и применяют в заводском производстве санитарно-техиических кабин, стеновых панелей и других конструкций.

Активная минеральная добавка необходима для обеспечения ста­бильности затвердевшего вяжущего. Портландцемент с гипсом не рекомендуется смешивать, так как получается неустойчивый мате­риал, деформирующийся и разрушающийся вследствие образова­ния высокосульфатной формы гидросульфоалюмината кальция, кристаллизующегося с 31-32 молекулами воды и значительным увеличением объема. Когда же свободной извести в жидкой фазе немного (СаО связывается добавкой в гидросиликаты кальция), то получается низкоосновный гидросульфоалюминат кальция без заметного увеличения объема. Добавка как бы ослабляет
внутренние напряжения в цементном камне ГЦПВ и обеспечивает устойчивость его во времени.

Белый и цветные портландцементы

Клинкер белого цемента изготовляют из чистых известняков и белых глин, почти не содержащих оксидов железа и марганца, кото­рые придают обычному портландцементу зеленовато-серый цвет. Обжигают сырьевую смесь на беззольном (газовом) топливе. При помоле клинкера предохраняют цемент от попадания в него частиц железа.

В качестве эталона для определения степени белизны применяют молочное матовое стекло типа МС-14 с коэффициентом отражения не менее 95%. Степень белизны, определяемая коэффициентом отраже­ния (в % абсолютной шкалы), должна быть для белого портландце­мента 1-го сорта - не ниже 80%, 2-го сорта - 75%, 3-го сорта - 68%; цемент выпускают М400 и М500.

Цветные декоративные портландцементы получают, примеши­вая к белому цементу щелочестойкие пигменты (охру и др.).

Тампонажный портландцемент

Тампонажный портландцемент изготовляют измельчением клинкера, гипса и добавок. Он предназначен для цементирования нефтяных и газовых скважин. Цемент для холодных скважин испы­тывают при температуре 22±2°С, для горячих скважин - при 75±3°С. Основная прочностная характеристика цемента - предел прочности при изгибе образцов-балочек размером 4x4x16 см, изготовленных из цементного теста с В/Ц = 0, 5. Предусматривают выпуск специальных разновидностей портландцемента: утяжеленного, песчанистого, со­лестойкого, низкогигроскопичного.