Минеральные вяжущие вещества. Общие сведения
Минеральные вяжущие представляют собой порошкообразные вещества, способные при смешивании с водой (иногда с растворами солей) образовывать вязкопластическую легкоформируемую массу, постепенно затвердевающую в камневидное тело.
В строительстве вяжущие чаще всего используют в смеси с заполнителями для экономии вяжущего и улучшения некоторых свойств искусственного камня. Различают следующие виды смесей на основе вяжущих веществ:
- вяжущее тесто – смесь вяжущего (гипса) с водой; отвердевшее гипсовое тесто называют гипсовым камнем.
- бетонная смесь, включающая в себя вяжущие, воду, песок, щебень (или гравий); затвердевшую бетонную смесь называют бетоном.
- растворная смесь, состоящая из вяжущего, воды и песка; после затвердевания смеси образуется строительный раствор.
Минеральные вяжущие, в зависимости от их способности набирать прочность (твердеть) в определенных условиях, делят на воздушные и гидравлические.
Воздушные вяжущие твердеют и длительное время сохраняют прочность только на воздухе; в воде они сильно размокают. Из-за растворимости компонентов искусственного камня. К этой группе относят: гипсовые и магнезиальные вяжущие, растворимое стекло, воздушную известь.
Гидравлические вяжущие твердеют и сохраняют прочность как на воздухе так и в воде. Для эффективного протекания процесса твердения необходимо, чтобы в твердеющем материале постоянно присутствовала вода. Иначе течение химических реакций, благодаря которым материал становится прочнее, приостанавливается. В эту группу входит: гидравлическая известь, романцемент, портландцемент и его разновидности, глиноземистый и расширяющийся цементы, гипсоцеметно-пуццолановое вяжущее и т.д. Число разновидностей гидравлических вяжущих непрерывно растет в результате использования новых видов сырья и применения современных способов производства.
В отдельную группу входят вяжущие вещества автоклавного твердения, которые набирают прочность только в автоклаве в среде насыщенного водянистого пара при to- 175-200° C при давлении 0,8 -1,5 МПа. В эту группу входят: известково-кремнезёмистые и известково-шлаковые вяжущие, нефелиновый цемент. (По существу эти вяжущие являются гидравлическими).
Сырьем для производства минеральных вяжущих являются различные горные породы в основном осадочного происхождения и некоторые массовые побочные продукты металлургической, энергетической, химической и др. отраслей промышленности.
В небольших объемах используются карбонатные (известняк, мел, доломит, мергель, магнезит), сульфатные (гипс, ангидрит), кремнезёмистые (диатомит, трепел, опока), глинистые и высокоглинистые (бокситы) горные породы.
Расширяется все больше применение промышленных отходов: доменных и металлургических шлаков, шлаков и зол от сжигаемого твердого топлива, нефелинового шлама (не надо карьеров, сокращается расход энергии на обжиг, помол и т.д.)
Твердение минеральных вяжущих разделяется на 3 периода: подготовительной, коллоидации и кристаллизации (причем периоды не идут в четкой последовательности друг за другом, а налагаются один на другой).
Практическое значение имеют два момента в процессе твердения: начало и конец схватывания.
Начало схватывания – это момент, когда появляются признаки загустевания вяжущего теста, и оно ощутимо теряет пластичность. Все производственные операции по приготовлению, транспортировке и укладке растворных и бетонных смесей должны быть завершены до начала схватывания. К концу схватывания вяжущее тесто окончательно загустевает, но прочность его незначительна. Последующее нарастание прочности для разных вяжущих идет с различной интенсивностью. Максимальная скорость у гипсовых вяжущих- несколько часов, наименьшая у воздушной извести – она твердость набирает многие годы.
При оценке качества минеральных вяжущих рассматривают следующие показатели:
-тонкость помола (дисперсию) оценивают удельной поверхностью порошка и определяют просевом навески вяжущего через сито со стандартными размером ячеек на сите (в % массы пробы). [ Цементы должны иметь тонкость помола, характеризующуюся остатком на сите № 008 не более 15%]
-водопотребность представляет собой количество воды в процентах массы вяжущего, необходимое для получения теста стандартной консистенции.
Прочность – это основная характеристика качества вяжущих веществ, по которой устанавливают их марку, т.к. прочность вяжущих изменяется во времени, то марка находится по прочности, достигнутой за определенное время при твердении в условиях, зафиксированных в соответствующем стандарте. Для вяжущих, твердеющих с различной скоростью, марка контролируется в разном возрасте: для гипсовых вяжущих – после двух часов твердения на воздухе, а для портландцемента – после двадцати восьми суток пребывания во влажных условиях.
Цемент
В нашей стране выпускают свыше 30 видов и разновидностей цемента для строительной индустрии: портландцемент, шлакопортландцемент, глиноземистый, сульфатостойкий, быстротвердеющий, цветные цементы и т.д.
Цементы при твердении могут приобретать различную прочность, которая характеризуется маркой цемента. Цементы производятся марок 300,400,500,600 и более высоких марок.
С повышением марки вырастает эффективность применения цемента в бетонах за счет уменьшения его удельного расхода.
Из выпускаемых промышленностью видов цемента важное значение имеет портландцемент.
Портландцемент (ПЦ) – это гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе. Его получают тонким помолом клинкера с соответствующими добавками. Клинкер – это спекшаяся сырьевая смесь известняка и глины в виде зерен размером до 40 мм. Сырьем для его получения служат карбонатные горные породы с высоким содержанием углекислого Ca (известняки различного вида, мел, мергель) и глинистые породы (глины, сланцы), содержащие оксиды кремния, алюминия и железа. От его качества зависит важнейшее свойство цемента: прочность и скорость ее нарастания при твердении, долговечность, стойкость в различных эксплутационных условиях. Для регулирования сроков схватывания при помоле к клинкеру добавляют 1,5 -5% гипса от массы цемента. ПЦ выпускают без добавок или с активными минеральными добавками в количестве 15% от массы цемента.
Технология предусматривает следующие операции:
- изготовление сырьевой смеси надлежащего состава;
- обжиг до спекания;
- помол.
Для получения доброкачественного портландцемента содержание важнейших оксидов в клинкере должна быть в следующих пределах: 62-68% CaO, 18-26% SiO2, 4-9% Al2O3, 0.3-6% Fe2O3.
Таким условиям отвечают широко распространенные осадочные породы – известняки и глины. В известняках преобладает карбонат кальция, в глинах – водные алюмосиликаты, диоксид кремния в виде тонкого кварцевого песка и оксида железа. При соотношении глины и известняка 1:3 (по массе) можно получить необходимый химический состав цементного клинкера. Известняк и глину можно заменить другими материалами, например мергелем (природная смесь известняка и глины), мелом. Если в исходной глине мало оксидов железа, то добавляют железную руду, если мало диоксида кремния, то добавляют кварцевый песок.
Сырьевую смесь для получения цементного клинкера приготавливают сухим или мокрым способом, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. При мокром способе сырьевые материалы измельчают и смешивают в присутствии воды до образования вязкотекучей массы – шлама с влажностью 36-40%. Мокрым способом перерабатывают мелкое сырье с повышенной влажностью (мел, глины). Этот способ отл-ся в худшую сторону высокой энергоемкостью обжига, связанной с испарением содержащейся в шламе воды.
Сухой способ заключается в совместном измельчении сухих или предварительно высушенных компонентов, взятых в заданном соотношении. Получаемый в результате порошок, должен иметь влажность меньше или равную 2%. Сухой способ экономичнее и особенно выгоден при использовании однородного сырья с невысокой естественной влажностью.
Клинкер состоит из прочных окатанных гранул размером от 10 – 40 мм. Охлаждают до 100-1500С и выдерживают на складе 1-2 недели.
При мокром способе легче достигнуть тонкого измельчения исходных материалов и получить их гомогенную смесь, но расход топлива на обжиг в этом случае выше, чем при сухом. Получаемая при мокром способе суспензия сырьевых материалов обычно содержит 32-48% воды. Для повышения производительности печей и уменьшения расхода технологичного топлива стремятся уменьшить влажность сырьевого шлама без ухудшения его текучести за счет применения поверхностно-активных добавок.
Технология: сырьевой шлам поступает во вращающуюся печь для обжига, которая представляет собой длинный цилиндр(l =185 м, радиус 5 м), медленно вращающийся вокруг своей оси. Печь имеет некоторый наклон к горизонту, поэтому сырьевая смесь, загружаемая в верхнюю часть, постепенно перемещается к нижнему концу печи. Из нижнего конца печи вдувается топливо – пылевидный уголь или природный газ. При сжигании топлива образуются горячие газы, движущиеся по принципу противотока, то есть навстречу сырьевой смеси. Перемещаясь к нижнему концу печи, шлам претерпевает сначала физические, а затем существенные химические превращения и, передвигаясь дальше, он попадает в зону с to 550-800o C. Здесь происходит дегидратация водных алюмосиликатов глины. Этот процесс сопровождается образованием соединений, характеризующихся сильно разрыхленной структурой частиц. При этом внутренняя энергия вещества вырастает и повышается его реакционная способность.
Далее сырьевая смесь попадает в зону с to 900-1000oC, где карбонат кальция диссоциируется и образуется его оксид. Реакции протекают в твердом состоянии между оксидом кальция и продуктами дегидратации глины, содержащие преимущественно оксид алюминия и диоксид кремния. Оксид кальция с оксидом алюминия образуют однокальциевый алюминат CaO · Al2O3. Одновременно оксид кальция реагирует с диоксидом кремния, образуя в больших количествах двухкальциевый силикат 2CaO·SiO2.
Обжигаемая смесь передвигается еще дальше, ее t 1200-1280o, при этом течение реакций в твердом состоянии усиливается. Завершается образование двухкальциевого силиката. Дальше в наиболее горячей части печи при t до 1450о С происходит частичное плавление материала и завершение реакции образования силикатов и алюминатов кальция. Материал спекается, образуя отдельные кусочки цементного клинкера размером 4 -20 мм. Для некоторых видов цемента (алинитового) удается снизить до t 1100o C.
Клинкер, выходящий из печи, быстро охлаждается в специальном устройстве до 100-150о С, называемым холодильником. Это необходимо для того, что бы предотвратить образование крупных кристаллов в клинкере и сохранить вместе с тем в незакристаллизированном виде стекловидную фазу. Без охлаждения клинкера получается цемент с пониженной реакционной способностью с водой.
Клинкер размалывают в тонкий порошок в мельницах, при этом для регулирования сроков схватывания цемента добавляют небольшое количество гипса.
С увеличением тонкости помола активность цемента возрастает, т.к. увеличивается степень гидратации цемента, возрастает содержание клеящих веществ (гидратов минералов), и повышается прочность цементного камня.
Тонкость помола цемента характеризуется также величиной удельной поверхности (см2/Г) – суммарной поверхностью зерен в одном грамме цемента. Удельная поверхность цементов составляет 2500-3000 см2/Г. В ряде случаев с целью повышения активности цемента и для получения быстротвердеющего цемента тонкость помола повышают. Условно, считают, что прирост удельной поверхности цемента на каждые 1000 см2/Г повышает его активность на 20-25%.
Вяжущие свойства ПЦ обусловлены свойствами и содержанием искусственных минералов, составляющих клинкер, и степенью измельчения цемента.
В составе клинкера выделяют 4 основных минерала, имеющих кристаллическое строение: алит, белит, трехкальциевый алюминат и четырехкальциевый алюмоферрит.
Алит: 3СаО * SiO2 (C3S)- основной минерал клинкера, содержащие в клинкере – (45-65%). Быстро твердеет и набирает прочность.
Белит: 2СаО * SiO2 (C2S) – второй по важности и содержанию силикатный минерал клинкера (20-30%). Он медленно набирает прочность, но при длительном твердении в благоприятных условиях его прочность весьма велика.
Содержание алита и белита в ПЦ – до 80%, поэтому его называют силикатным цементом.
Трехкальциевый алюминат: 3СаО*Al2O3 (C3А) в ПЦ содержится (4-12%). Самый активный из клинкерных минералов. Однако продукт его гидратации имеет повышенную пористость, низкую прозрачность и долговечность. Быстрое взаимодействие C3А с водой вызывает преждевременное схватывание цементного теста.
Четырехкальциевый алюмоферрит: 4СаО * Al2O3 * Fe2O3 (C4AF), содержащие в ПЦ – (10-20%). По скорости твердения занимает промежуточное положение между алитом и белитом, но не обладает высокой прочностью. Кроме того, в составе клинкера в небольшом количестве имеется стекловидная фаза, состоящая в основном из СаО, Al2O3, Fe2O3, MgO, Na2O, H2O и свободные оксиды MgO и СаО. Содержание свободных оксидов Mg и Ca - не более 5 и 1% соответственно, эти ограничения должны исключить опасность неравномерного изменения объёма при твердении цемента.
Твердение
При смешивании ПЦ с водой образуется пластичное тесто, сохраняющее свою удобообрабатываемость в течение 1-3ч. Постепенно тесто начинает загустевать, утрачивая пластичность – оно схватывается. В это время при механических воздействиях тесто способно обратимо разжижаться, конец схватывается через 5-10ч. после затвердевания. К этому моменту тесто переходит в твердое состояние и начинается заметный рост прочности цементного камня, при благоприятных условиях твердение продолжается годами до полной гидратации цемента.
В основе твердения ПЦ лежат химические реакции гидролиза (разложение водой) и гидратации (присоединении воды) клинкерных материалов. Основной продукт взаимодействия – гидросиликат кальция – обладает малой растворимостью и выделяется из образовавшегося раствора в виде мельчайших коллоидных частичек, складывающих цементный гель. При дальнейшей гидратации часть коллоидных новообразований переходит в кристаллическое состояние с последующим ростом отдельных кристалликов и кристаллических сростков.
Аналогично проходит твердение C2S (белит), C3A(трёхкальциевый алюминат), C4AF(четырёхкальциевый алюмоферрит) с образованием практически нерастворимых соединений (для замедления схватывания добавляют гипс). Вода проникает вглубь цементных зерен очень медленно, поэтому в цементном камне долгое время сохраняются непрореагированные с водой частицы цемента. Этим объясняется набор прочности камня в теплых и влажных условиях. При высыхании или замерзании цементного камня твердение практически прекращается. Нарастание прочности цементных материалов со временем замедляется. Поэтому марку цемента оценивают по прочности, набираемой за первые 28суток твердения.
Для получения удобоукладываемых растворных и бетонных смесей воды требуется 50-70% от массы цемента. Несвязанная химически вода со временем испаряется, а в цементном камне образуется система мельчайших капиллярных пор, отрицательно влияющих на прочность, морозостойкость.
Свойства
К основным строительно-техническим свойствам ПЦ относится истинная и насыпная плотность, тонкость помола, водопотребность, сроки схватывания, равномерность изменения объема, тепловыделение при твердении, прочность и химическая стойкость.
Истинная плотность ПЦ – (3,0-3,15 Г/см3). Насыпная плотность в зависимости от степени уплотнения равняется: в рыхлонасыпном состоянии - 1,1 г/см3; в уплотненном - 1,5-1,6 г/см3 , в среднем, р=1,3 г/см3 , тонкость помола оценивают просевом пробы через сито №008; 85% должно пройти. Это соответствует удельной поверхности цемента-250-300м2/кг.
С повышением дисперсности цемента возрастает скорость твердения, полнота использования вяжущего, а также прочность искусственного камня.
Водопотребность ПЦ находится в пределах 22-26% (в зависимости от минерального состава и тонкости помола). Сроки схватывания: начало и конец характеризуют быстроту нарастания пластической прочности цементного теста. По стандарту начало схватывания ПЦ должно наступать не ранее, чем через 45мин, а конец не позднее 10ч с момента затвердевания.
Равномерность изменения объема
Твердение цемента сопровождается объемными деформациями: на воздухе происходит усадка, в воде – набухание. Это свойство определяется на образцах - лепёшках, которые не должны искривляться или растрескиваться после кипячения в воде. До испытания лепёшки сутки твердеют во влажном воздухе. Цемент, не выдержавший испытание на равномерность изменения объема, нельзя применять.
Тепловыделение при твердении
Взаимодействие цемента с водой сопровождается выделением большого количества теплоты. [Теплота выделяется в течении всего времени твердеющей смеси, поэтому при малых объемах бетона заметного повышения температуры не происходит, при больших объемах разогрев может быть до 60о и вызвать растрескивание бетона.] Тепловыделение ускоряется при повышении тонкости помола цемента. Прочность является важнейшим свойством, характеризующим свойство ПЦ. В зависимости от предела прочности при осевом сжатии и изгибе устанавливают активность и марку цемента. [Для испытания изготавливают образцы (балочки) размером 4х4х16см из цементно-песчаного(1:3) раствора, первые сутки после изготовления образцы твердеют в форме во влажном воздухе, последующие 27суток – без формы в воде. Через 28суток балочки испытывают на изгиб, а образовавшие половинки на сжатие.] Фактические значение предела прочности при сжатии (в МПа) называют активностью цемента:400,500,550,600 – марки. В целях унификации требований унификации международных стандартов деление цементов по прочности на классы (МПа):22,5;32,5;42,5;52,5. Прочность ПЦ наиболее быстро увеличивается в первые 7 суток: через 3е сутки – (30-40%), к 7 суткам – (50-70%) прочности. [ Нарастание прочности в раннем возрасте зависит главным образом от содержания в клинкере С3А(алюминат) и С3S (алит) и тонкости помола цемента. В дальнейшем интенсивный рост прочности замедляется, но нарастание прочности может продолжаться длительное время. ]
Химическая стойкость цементного камня, определяется скоростью и глубиной коррозионных процессов, вызываемых действиями агрессивных веществ на его составляющие, главным образом на Са(ОН)2 (гидрооксид кальция)и 3СаО * Al2O3 * 6H2O.(гидроалюминат кальция). Коррозионному разрушению способствует развитая система сообщающихся капиллярных пор из-за которой цементный камень относительно легко проницаем для агрессивных жидкостей и газов. Различают несколько видов коррозии: выщелачивание– растворение и вымывание из цементного камня гидрооксида кальция, имеющего наибольшую растворимость (примерно1,5 г/л). После вымывания Са(ОН)2 начинают разлагаться гидросиликаты и гидроалюминаты кальция. Коррозия усиливается при фильтрации через цементный камень дождевых или мягких талых вод. Выщелачивание заметно по белёсым потекам на поверхности. Вымывание веществ приводит к повышению пористости и снижению прочности материала. Для повышения стойкости против выщелачивания применяют плотный, не пропускающей воду бетон, в состав цемента вводят активные минеральные добавки, связывающие Са(ОН)2 в более стойкие труднорастворимые гидросиликаты кальция. Цементный камень разрушается еще сильнее, если в него попадает минерализованная вода с растворенными в ней кислотами и солями. Образуются новые химические соединения, которые легко растворяются и вымываются, ослабляя камень (кислотная и магнезиальная коррозия), или кристаллизуются в порах с большим увеличением объема, вызывая внутреннее напряжение и растрескивание камня (сульфоалюминатная коррозия). HCl взаимодействует с Са(ОН)2 с образованием легкорастворимого хлорида кальция. Кислоты также разрушают гидросиликаты Ca.
Магнезиальная коррозия возникает при взаимодействии Са(ОН)2 с магнезиальными солями, которые встречаются в растворенном виде в грунтовых водах и в морской воде.
Сульфоалюминатная коррозия связана со взаимодействием гидроалюмината Са цементного камня с растворами, содержащими сульфатные ионы. В результате образуется малорастворимый гидросульфоалюминат кальция. 3СаО * Al2O3 * 3CaSO4 * 31H2O. Объем этого соединения за счет связывания большого количества воды в два раза превышает объем гидроалюмината кальция, что вызывает разрушение цементного камня. Возможность сульфоалюминатной коррозии необходимо учитывать при строительстве морских сооружений, возведения фундаментов и др. подземных конструкций в районах с высоким содержанием сульфат - иона в грунтовых водах.
Для предотвращения коррозии цементных материалов нужно правильно выбирать вид цемента, изготавливать особо плотные растворы и бетоны и предохранять их от воздействия агрессивных жидкостей, устраивая гидроизоляционные покрытия.
Хранение и применение
При длительном хранении из-за высокой гигроскопичности происходит частичная гидратация цемента. Частицы с поверхности взаимодействуют с водой и слипаются, образуя комья. Снижения марочной прочности при продолжительном хранении составляет: за 3 месяца – 20%, за год – до 40%. В большой степени снижают прочность тонкомолотые цементы.
ПЦ – универсальные вяжущие, пригодные для использования надземных, подземных и подводных частей зданий и сооружений. Его применяют для изготовления сборных и монолитных бетонных и ж.-б. конструкций. На основе ПЦ изготавливают бетон различного вида, высокомарочные строительные растворы, теплоизоляционные материалы. Его не рекомендуется использовать для конструкций, подвергающихся действию морских и грунтовых вод, проточной или действующей под напором пресной воды. В этих случаях надо применять разновидности ПЦ: сульфатостойкий, ПЦ с различными минеральными добавками.
Специальные виды ПЦ
Иногда к вяжущему предъявляются специальные требования и тогда обычные ПЦ не в полной мере отвечает этим требованиям. Поэтому промышленность выпускает специальные виды ПЦ. Для придания ПЦ требуемых свойств изменяют минеральный состав клинкера, вводят в цемент при помоле органические и минеральные добавки, регулируют тонкость его помола. В соответствии со стандартами и по согласованию с потребителем разрешается в ПЦ добавлять ПАВ при помоле цемента в количестве 0,1-0,3% от массы. При этом цементы с ПАВ в отдельную группу не выделяются.
ПАВ в зависимости от влияния на свойства цемента можно разделить на гидрофобно-пластифицирующие и гидрофильно- пластифицирующие. В соответствии с этим, цементы с гидрофилизующими добавками называют пластифицируемыми (в маркировке указывается ПЛ), а с гидрофобизующими - гидрофобными (ГФ).
Самая распространенная гидрофилизующая добавка - лигносульфат технический (ЛСТ), который представляет собой отход при сульфатной варке целлюлозы и состоящий в основном из лигносульфонатов Са. ПЛ ПЦ в растворе или бетонной смеси имеет повышенную подвижность. Эффект пластификации позволяет уменьшить водоцементное отношение, следовательно повысить морозостойкость и водонепроницаемость растворов и бетонов или уменьшить расход цемента на 10-15% без ухудшения их качеств.
К гидрофобизующим добавкам относятся асидол, мылонафт, синтетические жиры, кислоты, являющиеся побочными продуктами нефтепереработки. Эти вещества образуют на цементе тонкие мономолекулярные водоотталкивающие пленки, уменьшающие его гигроскопичность. Гидрофобный цемент при транспортировке и хранении даже во влажных условиях 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. Гидрофобизующее вещество делает смесь более подвижной, а цементный камень – более морозостойким и водонепроницаемым. ПЦ с ПАВ используют для растворов и бетонов повышенной стойкости, для гидротехнических, для дорожных и аэродромных сооружений. Гидрофобный портландцемент используется, когда нет условий для хранения обычного ПЦ.
Быстротвердеющий ПЦ
Характеризуется более высоким набором прочности в первые 3-7 суток твердения. Выпускают такой цемент двух марок: 400 и 500 с нормированием прочности после трёх и 28 суток твердения. Предел прочности при сжатии в возрасте трёх суток для марки 400- не менее 24,5 МПа и при изгибе- 3,9МПа, марки 500 – соответственно не менее 27,5 и 4,4 МПа. В маркировке ПЦ то, что он быстро твердеющий указывается буквой «Б».
Ускоренный рост прочности достигается повышением содержания в клинкере быстротвердеющих минералов: C3S и C3A (в сумме > 60-68%), тонким помолом цемента до идеальной поверхности 300-400 м2/кг. К особенностям свойств БПЦ относятся более высокая гигроскопичность, повышенное тепловыделение при твердении и пониженная стойкость к агрессивным воздействиям (сульфатостойкость).
БПЦ целесообразно применять при изготовлении сборных бетонных и ж.-б. изделий в заводских условиях и при производстве бетонных работ в зимнее время. Нельзя использовать БПЦ при бетонировании массивных конструкций и для бетонов, к которым предъявляются повышенные требования по коррозийной стойкости. Хранить БПЦ более 1-2 месяцев не рекомендуется.
Сульфатостойкий ПЦ(ССПЦ)
Имеет более высокую стойкость против сульфатных агрессий, большую морозостойкость, пониженное тепловыделение, замедленный набор прочности. Для изготовления ССПЦ используют клинкер с ограниченным содержанием С3А(≤5%), С3А +С4АF≤22%(4х кальциевый алюмоферрит). Алита - ≤50%. Введение инертных и активных минеральных добавок не допускается. Цемент является по существу белитовым. Выпускают маркой М400. Применяют для получения бетонов, работающих в пресной и минерализованной воде.
Белый и цветной ПЦ
Это вяжущие материалы для приготовления декоративных бетонов, растворов, отделочных смесей и цементных красок. В качестве сырьевых материалов для изготовления белого ПЦ используют «чистые» известняки или мраморы, белые каолиновые глины. Клинкер практически не содержит С4АF. Помол цемента более тонкий, остаток на сите №008 не менее 12%. Основным свойством белого цемента является степень белизны. По степени белизны белый ПЦ различают 3-х сортов. Выпускают марок М400 и М500.
Цветной ПЦ получают совместным помолом белого клинкера, минерального или органического пигмента, гипса и активной минеральной добавки. В цветных цементах применяют щёлоче- и светостойкие пигменты, которые не должны оказывать вредного воздействия на эксплуатационные свойства вяжущего. Стандартом предусмотрен выпуск цемента цветов: красного, желтого, зеленого, голубого, розового, коричневого и черного. Марок: 300, 400, 500. Цвет должен сохраняться при тепловлажной обработке и при УФИ. Белый и цветной цементы схватываются и твердеют медленнее обычного ПЦ. К недостаткам относятся повышенная усадка при твердении, пониженная морозостойкость и коррозийная стойкость.
Портландцементы с активными минеральными добавками
Активными минеральными добавками называют вещества, которые в тонко измельчённом состоянии, при смешивании с воздушной известью придают ей гидравличность, т.е. известковое тесто после затвердевания на воздухе способно набирать прочность в воде. Это добавки, которые называют гидравлическими или пуццолановыми, содержат кремнезем SiO2 в аморфной, т.е. химически активной форме. Введение минеральных добавок влияет на свойства цемента, на 20% снижает себестоимость цемента.
Активные минеральные добавки делятся на природные и искусственные. Природные добавки могут быть осадочного (диатомит, трепел, опока) или вулканического происхождения (пепел, пемза, туф).
К искусственным добавкам относятся гранулированные доменные и электро термофосфорный шлаки, нефелиновый шлам, зола ТЭС и т.д. В зависимости от вида активной минеральной добавки выпускают следующие разновидности ПЦ: ПЦ с минеральными добавками- ПЦД5 и ПЦД20, пуццолановый ПЦ – ППЦ, шлакопортландцемент – ШПЦ различных марок.
В ПЦД содержание добавок невелико, но он ни в чём не уступает обычному ПЦ (морозостойкость ниже, но выше коррозийная стойкость против выщелачивания). Выпускают следующие разновидности ПЦД: быстротвердеющий (БПЦ) и сульфатостойкий ПЦ марок 400 и 500.
У БПЦ более тонкого помола клинкер (удельная поверхность 3500-4000 см2/г), повышенным содержанием трёхкальциевого алюмината (60-65%).Применяют в производстве ж.-б. конструкций, при зимних работах, из-за повышенного выделения тепла не используют в массивных конструкциях. Пуццолановый ПЦ (ППЦ) получают совместным помолом клинкера с содержанием С3А не более 8%, минеральными добавками природного происхождения и двуводного гипса. Содержание добавки назначают с учетом ее активности и минерального состава клинкера. ППЦ обладает повышенной коррозионной стойкостью (относится к группе сульфатостойких цементов). Водопотребность- выше (28-36%), твердеет медленнее с меньшим тепловыделением. Применяют ППЦ при бетонировании подземных и подводных частей сооружений, внутренних зон массивных конструкций.
Шлакопортланцемент (ШПЦ)
В качестве добавки используют гранулированный доменный, или электротермофосфорный шлак до 60% от массы вяжущего для марок 400 и 500 и до 80%- для М300. Особенности ШПЦ: замедленный набор прочности при нормальной и пониженной to , тепловыделение меньше, чем у обычного ПЦ, повышенная водостойкость и коррозийная стойкость. Используют ШПЦ при бетонировании массивных наземных и подземных конструкций, подводных сооружений, подвергающихся действию пресных и минерализованных вод.
Низкощелочной гидротехнический ПЦ (ИГЦ)
Это гидравлическое вяжущее вещество, отличающиеся от обычного ПЦ тем, что в сырьевой смеси для получения клинкера часть глины заменена диатомитом. ИГЦ применяется для строительства массивных гидротехнических сооружений, выпускают марок -М400.
Гипсоцементно-пуццолановое вяжущее (ГЦПВ)
Вяжущее (ГЦПВ) состоит из: гипса (50-75%), ПЦ (15-20%), активной минеральной добавки- трепела, диатомита (10-25%). В этом цементе сочетание быстрого роста прочности, способности твердеть во влажных условиях. Введение активной минеральной добавки обязательно. [Смесь гипса без добавки через некоторое время разрушается из-за цементной бациллы (гидросульфоалюмината кальция) со значительным увеличением объема ]. Схватывается и твердеет ГЦПВ быстро (начало-через4мин., конец – через 20мин.). Для удлинения сроков схватывания добавляют замедлители. Марки: М100 и М150. По сульфатостойкости равноценно сульфатостойкому ПЦ. Для повышения морозо- и водостойкости в ГЦПЦ вводят полимерные добавки (синтетические латексы) [Эти добавки замедляют схватывание, улучшают условия твердения вяжущего, уменьшая испарение влаги ].
Применяются для изготовления стен сантехнических кабин, вентиляционных блоков, для устройства оснований под полы в жилых зданиях, в смеси с полимерными добавками – для отделки фасадов. Не защищает сталь от коррозии, поэтому нельзя штукатурить по сетке.
Глиноземистый цемент
Это быстротвердеющее и высокопрочное вяжущее, состоящее преимущественно из алюминатов кальция, поэтому его называют алюминатным. Сырьем для производства глинозёмистого цемента служит смесь известняка или извести и пород с высоким содержанием гидрата глинозёма, чаще бокситов. Помол клинкера из-за большой твердости требует больших затрат электроэнергии, т.к. бокситы дефицитны, то глинозёмистый цемент в 4-5 раза дороже обычного ПЦ.
Твердение этого цемента сопровождается значительным тепловыделением (в 1,5 раза больше), особенно в течение первых суток. Этот цемент нельзя применять в условиях сухого жаркого климата, при возведении массивных сооружений, подвергать тепловлажной обработке. Сроки схватывания – начало через 30 минут, конец – через 12часов, марочная прочность достигается в течении 3 суток!
Марки: 400, 500, 600 кгс/см2. За первые сутки набирает не менее 55% марочной прочности. Глиноземистый цемент дает более плотный и стойкий камень в растворах сульфатов кальция и магния, в морской и болотной воде, но быстро разрушается под действием щелочей, его нельзя смешивать с известью и ПЦ. Применяется: при срочных аварийных и ремонтных работах, для изготовления жаростойких бетонов, выдерживающих нагрев до 1200оС и в качестве компонентов расширяющихся цементов.
Расширяющиеся цементы
Твердение на воздухе цемента сопровождается усадкой. Усадка приводит к растрескиванию бетона или раствора в массивных сооружениях. Избежать этого возможно только при использовании вяжущих, которые расширяются или хотя бы не дают усадки в начальный период твердения.
В настоящее время известно много видов расширяющихся, водонепроницаемых и напрягающих цементов. Основа расширения – образование гидросульфоалюмината кальция 3CaO*Al2O3*3CaSO4* 31H2O, химически связывающего большое количество воды и за счет этого увеличивающего объем всей твердеющей массы. Расширяющие цементы представляют собой смешанные вяжущие, состоящие из глинозёмистого цемента или портландцемента и компонентов, обеспечивающих получение гидросульфоалюмината кальция в достаточном количестве для получения требуемого расширения.
Гипсоглинозёмистый расширяющийся цемент
Получают, измельчая совместно высокоглинистый клинкер или сплав (70%) и природный ШПС? (30%). Начало схватывания – не ранее 20мин., конец – не позднее 4ч. Прочность после трёх суток твердения – не менее 28МПа. Расширение проявляется только при твердении в воде, набухание через трое суток – 0,1-0,7%.
Расширяющийся ПЦ (РПЦ)
Получают совместным помолом ПЦ клинкера (60-68%), высоко- глинозёмистого доменного шлака или глиноземистого клинкера (5-7%), двуводного гипса (7-10%) и активной минеральной добавки (20-25%). Введение диатомита или трепела ускоряет образование гидросульфоалюмината кальция до схватывания цементного теста и обеспечивает расширение твердеющей системы в пластическом состоянии без возникновения опасных внутренних напряжений.
РПЦ отличается более быстрым нарастанием прочности, чем ПЦ, особенно при кратковременном пропаривании, высокой пластичностью и водонепроницаемостью цементного камня – до 1,2 МПа. Цемент расширяется при твердении в воде и на воздухе при постоянном увлажнении в первые трое суток (расширение в суточном возрасте-0,2-1%).
Цемент для строительных растворов
При изготовлении растворов использование высокомарочных ПЦ экономически невыгодно, промышленностью выпускается как бы разбавленный ПЦ – специальный цемент для строительных растворов. Содержание ПЦ клинкера в таком вяжущем – не менее 20% от массы. Цемент получают совместным помолом клинкера с гипсом, активными минеральными добавками и добавками – наполнителями.
Добавки – наполнители в отличие от активных минеральных добавок не обладают гидравлическими свойствами или эти свойства у них выражены очень слабо. В качестве добавок – наполнителей используют кварцевый песок с малым содержанием глинистых, илистых и пылевидных примесей, известняк, мрамор, пыль электрофильтров клинкерообжигательных печей. Для улучшения технологических свойств растворных смесей (прочности, морозостойкости) допускается вводить при помоле цемента пластифицирующие гидрофобизующие и воздухововлекающие добавки.
Цемент для строительных растворов характеризуются следующими сроками схватывания: начало – не ранее 45м