Зависимость прочности и скорости ее роста от минерального состава портландцемента

Добавки хлорида кальция СаСl2, сульфата натрия Na2SO4 и др. применяют как ускорители твердения и при обычных температурах.

Тепловыделение цемента является результатом экзотермических реакций между клинкерными минералами и водой. Оно зависит от минерального состава клинкера, тонкости помола, вещественного состава цемента и составляет: через 3 суток — 113–376; 7 суток — 130–418; 28 суток — 176–553 и через три месяца — 192–570 Дж/г цемента. Наибольшее количество тепла выделяют цементы с повышенным содержанием в клинкере минералов С3S и С3А, меньшее — при более высоком количестве С2S и С4АF. Эта характеристика имеет большое практическое значение.

При бетонировании массивных конструкций рекомендуются цементы с меньшим тепловыделением. Бетонирование зимой требует применение цементов с высоким тепловыделением.

Портландцемент применяют для бетонов, эксплуатируемых внутри здания при любой относительной влажности воздуха, на открытом воздухе при воздействии атмосферных факторов. Допускается для бетонов подземных сооружений, гидротехнических сооружений подводной, надводной и внутренней зон.

Цементы для бетонов зоны переменного уровня воды должны содержать в своем составе не более 8% минерала С3А.

Портландцемент с минеральными добавками получают помолом клинкера, двуводного гипса и активных минеральных добавок. Добавок разрешается вводить до 20%. Выпускают его марок 400, 500, 550 и 600. Допускается марка 300. Этот цемент имеет, в основном, такие же свойства, что и чисто клинкерный портландцемент. Добавки несколько повышают его водостойкость, сульфатостойкость. Морозостойкость же уменьшается. Замена клинкера более дешевыми минеральными добавками уменьшает его стоимость.

Он применяется в строительстве вместо портландцемента. Разновидностями портландцемента с минеральными добавками являются специальные цементы с минеральными добавками — быстротвердеющий и сульфатостойкий портландцементы.

Шлакопортландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, получаемое помолом портландцементного клинкера, гипса и гранулированных доменного или электротермофосфорного шлака. Шлаки вводятся от 21 до 80%. До 10% их может заменяться активной минеральной добавкой.

Истинная плотность шлакопортландцемента составляет 2,8–3 г/см³, насыпная в рыхлонасыпанном — 900–1200, а в уплотненном — 1400–1700 кг/м³.

Водопотребность и сроки схватывания шлакопортландцемента примерно такие же, как у портландцемента.

По прочности шлакопортландцемент выпускают марок 300, 400 и 500. Он характеризуется замедленной скоростью твердения в начальный период. В дальнейшем она нарастает, и к 6–12 месяцам прочность шлакопортландцемента сравнивается с портландцементом и даже ее превышает. Термообработка при температуре 80–95^oС активизирует твердение шлакопортландцемента. Поэтому его рекомендуют применять при заводском изготовлении изделий.

Тепловыделение шлакопортландцемента при твердении в течение первых 1–3 суток на 15–30% меньше, чем у портландцемента. Он медленно набирает прочность при пониженных положительных температурах. Поэтому он эффективен в массивных конструкциях и нежелателен при зимнем бетонировании.

Жаростойкость шлакопортландцемента из-за пониженного содержания в цементном камне гидроксида кальция выше, чем у портландцемента, и составляет 600–800 ^oС, поэтому его рекомендуют для жаростойких бетонов.

Морозостойкость шлакопортландцемента ниже, чем у портландцемента. Бетоны на этом цементе выдерживают 50–100 циклов испытаний.

Небольшое количество в цементном камне гидроксида кальция повышает стойкость его в мягких водах. Снижение гидроксида кальция в жидкой фазе твердеющего цемента препятствует образованию эттрингита 3СаО хAl2О3 х3CaSO4 х31–32H2О. Поэтому он имеет повышенную стойкость в сульфатных водах.

Шлакопортландцемент — одно из самых распространенных вяжущих. Выпускают его в количестве 25% от всех цементов. Применение шлака, который не следует обжигать, делает его стоимость на 15–20% ниже стоимости портландцемента.

Разновидностями шлакопортландцемента являются быстро твердеющий и сульфатостойкий шлакопортландцементы.

Специальные портландцементы. Цементная промышленность в основном выпускает портландцемент с содержанием в клинкере минералов C3S — 45–55%, C2S — 25–30%, С3А — 8–13% и C4AF — 12–18%. Он пригоден для большинства бетонных и железобетонных конструкций. Однако в отдельных областях строительства необходимы цементы со специальными свойствами.

Строительство при отрицательных температурах требует применения быстротвердеющих портландцементов и имеющих повышенное тепловыделение. Такие же цементы необходимы при заводском изготовлении бетонных и железобетонных изделий.

Для гидротехнических массивных сооружений подводной зоны должны применяться цементы с пониженным тепловыделением, для зоны переменного уровня воды — с повышенной морозостойкостью.

Портландцемент для бетонных покрытий автомобильных дорог должен иметь повышенную морозостойкость, небольшую усадку и набухание.

К специальным относят быстротвердеющие, сульфатостойкие, белый и цветные, расширяющийся и напрягающийся, пластифицированный и гидрофобный цементы.

Быстротвердеющие портландцементы. К ним относят: быстротвердеющий и особо быстро твердеющий портландцементы и быстротвердеющий шлакопортландцемент.

Портландцемент быстротвердеющий получают совместным измельчением портландцементного клинкера нормированного минерального состава с гипсом. Допускается вводить до 10% активных минеральных добавок и до 15% доменных или электротермофосфорных гранулированных шлаков.

Выпускают его марок 400 и 500. Для него дополнительно нормируется прочность в возрасте 3 суток. При изгибе она должна быть соответственно 4 и 4,5 МПа, при сжатии — 25, 28 МПа.

Интенсивный рост прочности в начальный период происходит за счет повышенного содержания в клинкере быстро твердеющих минералов и тонкости помола. Сумма минералов С3S и С3А должна быть не менее 60–65%, удельная поверхность зерен — 3500–4500 см²/г.

Быстротвердеющий портландцемент рекомендуется применять для изготовления бетонных и железобетонных изделий в заводских условиях, в особенности предварительно напряженных. Через 4–6 часов тепловой обработки бетон набирает прочность, равную 70–80% от марочной. Это позволяет ускорить оборачиваемость форм и камер тепловой обработки. Целесообразно применять его при пониженных температурах. Бетон быстрее набирает прочность за счет высокого тепловыделения цемента. Этот цемент не следует применять в гидротехнических сооружениях для подводной зоны в связи с пониженной водостойкостью, для зоны переменного уровня воды в связи с невысокой морозостойкостью, для внутренней зоны массивных сооружений в связи с большим тепловыделением. Тонкость помола его высокая, и он быстро теряет активность.

Особо быстро твердеющий портландцемент является разновидностью быстротвердеющего. Выпускают его марок 500, 550 и 600. Через сутки он набирает прочность не менее 30 МПа. Быстрота твердения достигается за счет высокого содержания минерала С3S (60–65%), ограниченного (до 8%) минерала С3А и повышенной тонкости помола. Применяют его в основном для аварийно-восстановительных работ.

Быстротвердеющий шлакопортландцемент получают совместным помолом портландцементного клинкера нормированного минерального состава с гипсом и доменным гранулированным шлаком. Шлака вводят 30–50%.

В клинкере должны содержаться быстро твердеющие минералы: С3S — 55–65% и С3А — 8–12%.

Тонкость помола должна составлять 4000–5000 см/г. Выпускают его марок 400 и 500. Предел прочности в возрасте 3 суток должен составлять соответственно: при изгибе — 4 и 4,5, при сжатии — 25–28 Мпа.

Применяют быстротвердеющий шлакопортландцемент для изготовления сборных и монолитных конструкций с повышенной начальной прочностью.

Сульфатостойкие портландцементы. К этой группе относят: сульфатостойкий портландцемент, сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками, сульфатостойкий шлакопортландцемент и пуццолановый портландцемент.

Сульфатостойкий портландцемент получают из клинкера нормированного минерального состава и гипса. Содержание СS не должно превышать 50%, С3А — 5%, сумма С3А + С4АF — 22%. Высокая сульфатостойкость этих цементов объясняется ограниченным содержанием минералов С3А, С3S и С4АF. Он имеет также высокую морозостойкость.

Выпускают его марки 400. Применяют для бетонов, подвергающихся воздействию агрессивных сульфатных вод, в том числе при попеременном замораживании и оттаивании, увлажнении и высыхании в зоне переменного уровня воды гидротехнических сооружений, подвергающихся воздействию отрицательных температур в суровых климатических условиях.

Допускается применять для бетона, эксплуатируемого внутри здания с любой относительной влажностью воздуха, на открытом воздухе при действии атмосферных факторов. По экономическим соображениям его нецелесообразно применять для бетонов, к которым не предъявляют требования по сульфатостойкости и морозостойкости.

Сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками получают помолом сульфатостойкого портландцементного клинкера, доменного либо электротермофосфорного гранулированного шлака или активных минеральных добавок и гипса. Шлака вводят от 10 до 20%, активных минеральных добавок осадочного происхождения — от 5 до 10%. Добавки значительно повышают сульфатостойкость цемента, морозостойкость же понижают.

Выпускают его марок 400 и 500. Применяют там же, где и сульфатостойкий портландцемент без минеральных добавок, за исключением гидротехнических бетонов зоны переменного уровня воды, эксплуатируемых в суровых климатических условиях.

Сульфатостойкий шлакопортландцемент получают из портландцементного клинкера нормированного минерального состава, доменного или электротермофосфорного гранулированного шлака и гипса.

При наличии в клинкере минерала С3А до 5% следует применять от 21 до 60% шлака с содержанием оксида алюминия до 10%. Если же оксида алюминия в шлаке 10–12%, то шлака в цемент вводят от 40 до 60%.

Выпускают его марок 300 и 400. Применяют для изготовления сульфатостойких бетонов. Не рекомендуется — для морозостойких бетонов и бетонов, подверженных попеременному увлажнению и высушиванию.

Пуццолановый портландцемент — вяжущее вещество, получаемое совместным измельчением портландцементного клинкера с содержанием минерала С3А до 8%, активной минеральной добавки и гипса. Добавок осадочного происхождения (диатомита, трепела, опоки) берется от 20 до 30%, вулканического происхождения (зол, глиежей) — от 25 до 40%.

Добавки оказывают влияние на свойства пуццоланового портландцемента, и он отличается от портландцемента.

Истинная плотность его составляет 2,7–2,9 г/см³, насыпная — 900–1100 кг/м³, что меньше, чем у портландцемента.

Он имеет повышенную нормальную густоту цементного теста до 30–40%, вследствие чего его расход в бетонах по сравнению с портландцементом увеличивается на 15–20%.

По прочности пуццолановый портландцемент подразделяют на марки 300 и 400. Рост прочности в начальный период замедленный. При твердении выделяется меньше тепла, чем у портландцемента, поэтому его не следует применять при пониженных температурах и рекомендуется для массивных конструкций. Наиболее интенсивно он набирает прочность при автоклавной обработке.

При длительном хранении на складах пуццолановый портландцемент теряет активность быстрее портландцемента. Происходит это в результате поверхностной гидратации зерен цемента в связи с гигроскопичностью добавок.

Пуццолановые портландцементы с добавками осадочного происхождения имеют пониженную воздухостойкость. Пониженная влажность среды может привести к образованию усадочных трещин в бетоне. Их не следует применять для бетонов с относительной влажностью воздуха менее 60% и на открытом воздухе при действии атмосферных факторов.

При эксплуатации во влажной среде гелеобразные составляющие цементного камня набухают. Водонепроницаемость его повышается. Поэтому его рекомендуют применять для водонепроницаемых бетонов.

В связи с высокой водопотребностью бетоны на пуццолановых портландцементах имеют пониженную морозостойкость. Они выдерживают всего 25–50 циклов испытаний. Поэтому их не следует применять в гидротехнических сооружениях зоны переменного уровня воды, подверженных воздействию знакопеременных температур, для дорожных бетонов.

Декоративные портландцементы — это белые и цветные портландцементы.

Портландцементы белые получают совместным помолом маложелезистого клинкера с гипсом с добавками или без них.

Темно-серый цвет обычного цемента зависит от содержания в нем оксидов железа, марганца и др. Лучшие белые портландцементы не должны содержать F2О3 более 0,25–0,35%, а МnО — 0,05–0,15%. Это достигается пригленением мела или известняка с Fe2O3 до 0,15% и каолина с Fe2O3 до 1%.

Для повышения белизны клинкер обжигают в восстановительной атмосфере и отбеливают быстрым охлаждением водой.

По вещественному составу различают портландцемент белый без минеральных добавок и портландцемент белый с активными минеральными добавками и добавками-наполнителями не более 20%. В качестве активной минеральной добавки применяют белый диатомит.

По белизне эти цементы имеют три сорта, по прочности — две марки — 400 и 500. Применяют их для декоративных белых бетонов и растворов при наружной и внутренней архитектурной отделке зданий, сооружений, для приготовления цементных красок.

Портландцементы цветные получают совместным измельчением белого или цветного клинкера, минеральных или органических красителей, гипса и активной минеральной добавки. Пигмента вводят не более 15%, органического красителя — не более 0,5%. Добавкой служит белый диатомит (до 6%). Выпускают красного, желтого, зеленого, голубого, розового и черного цветов.

По прочности подразделяют на марки 300, 400 и 500. Применяют для изготовления цветных бетонов и растворов, цементных красок.

Расширяющиеся портландцементы. К этой группе относят расширяющийся портландцемент и напрягающийся цемент.

Расширяющийся портландцемент получают помолом 56–65% портландцементного клинкера, 5–7% высокоглиноземистого злака, 7–10% двуводного гипса и 20–28% активной минеральной добавки.

Степень расширения в трехсуточном возрасте должна быть не менее 0,1%. Гипс и высокоглиноземистый шлак при взаимодействии с водой образуют трехкальциевый гидросульфоалюминат, который приводят к расширению цементного камня. Гидравлическая добавка является стабилизатором.

Начало схватывания расширяющегося портландцемента должно наступать не ранее 30 мин, конец — не позднее 12 часов.

Выпускают его марок 400, 500 и 600. На этом цементе получают бетонные и железобетонные изделия повышенной водонепроницаемости, он быстро набирает прочность при пропаривании.

Применяют для безусадочных, расширяющихся и водонепроницаемых бетонов и растворов, а также целесообразно — для сборных изделий заводского изготовления.

Цементы напрягающие получают помолом 65–70% портландцементного клинкера, 16–20% высокоглиноземистого шлака и 14–16% гипса.

Для него нормируется энергия самонапряжения, которая в возрасте 28 суток для НЦ-20 должна быть не менее 2, для НЦ-40 — 4, для НЦ-60 — 6 МПа. Линейное расширение составляет 3–4%. Как и у расширяющегося портландцемента, оно вызывается образованием трехкальциевого гидросульфоалюмината. Энергии расширения достаточно для натяжения арматуры в железобетонных конструкциях.

Начало схватывания НЦ должно наступать не ранее 30 мин, конец — не позднее 4 ч. Замедлителями служат декстрин, борная кислота, ЛСТ и др.

По прочности в возрасте 3 суток этот цемент имеет марку 500, предел прочности через одни сутки должен быть не менее 20–30 МПа, через 28 суток — не менее 85 МПа.

Применяют напрягающий цемент для изготовления самонапряженных железобетонных изделий: труб, резервуаров высокой водонепроницаемости, для дорожных и аэродромных покрытий.

Портландцементы с добавками поверхностно-активных веществ. К этой группе относят пластифицированный и гидрофобный портландцементы.

Портландцемент пластифицированный получают введением в любой цемент пластифицирующих добавок, чаще всего — лингосульфонатов технических (ЛСТ) — отходов сульфатной варки целлюлозы. Их добавляют при помоле в количестве 0,1–0,3% от массы цемента. Адсорбируясь на поверхности зерен цемента, добавка улучшает смачиваемость их водой. Трение между зернами улучшается, водопотребность цемента уменьшается.

Применение пластифицированного цемента повышает удобоукладываемость бетонных смесей. За счет уменьшения расхода воды можно повысить плотность бетона и, как следствие, его прочность, водонепроницаемость и морозостойкость. При сохранении удобоукладываемости бетонной смеси на заданном уровне можно сократить расход цемента на 5–10%.

Вместе с тем пластифицирующая добавка замедляет гидратацию клинкерных минералов цементов в начальный период. Это ограничивает их применение при отрицательных температурах и заводском изготовлении изделий без ускорителей твердения.

Портландцемент гидрофобный получают введением в цемент при помоле гидрофобизирующих добавок в количестве 0,06–0,3%. Это мылонафт и асидол, получаемые из отходов очистки дистиллятов нефти, метилсиликонат и этилсиликонат натрия (ГКЖ-10 и ГКЖ-11) и др. Адсорбируясь на поверхности зерен, добавки образуют водоотталкивающую пленку, которая изменяет свойства цемента. Понижается гигроскопичность. Цемент не впитывает капель воды в течение 5 минут, в отличие от обычного, когда вода впитывается через 1–2 с.

Он не теряет активности при хранении длительное время, не комкуется. При перемешивании бетонных смесей пленка срывается, и гидрофобные цементы набирают прочность так же, как и обычные. Удобоукладываемость бетонных смесей и их однородность увеличиваются, повышаются водонепроницаемость и морозостойкость бетона, уменьшаются водопоглощение и капиллярный подсос. Его рекомендуется применять для гидротехнического и дорожных бетонов, при длительном хранении.

Цементы для строительных растворов. Их изготавливают совместным помолом портландцементного клинкера (не менее 20%), активных минеральных добавок (гранулированные доменные или электротермофосфорные шлаки), наполнителей (кварцевый песок, известняк, мрамор) и гипса. Выпускают его марки 200.

Применяют для изготовления строительных растворов и неармированных бетонов классов 30 и ниже. В связи с замедленным твердением его не рекомендуют применять при температуре воздуха ниже +10 ^oС.

Сланцезольный цемент. Этот цемент получают совместным помолом портландцементного клинкера, золы-уноса горючих сланцев и гипса. Золы вводят 20–30%. Прочность его в 26-суточном возрасте на 20–40% выше прочности чистоклинкерного цемента. Это объясняется тем, что сланцезольный цемент имеет микрокристаллическую структуру, в результате чего уменьшается его водопотребность и повышается прочность цементного камня бетона.