Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) отличается от обыкновенного более интенсивным нарастанием прочности в начальной период твердения.
Получить его можно либо путем более тонкого помола обычного клинкера, либо применением клинкера определенного минералогического состава. Однако повышать тонкость помола цемента невыгодно, так как это снижает производительность помольного оборудования и увеличивает расход электроэнергии. Поэтому более выгодный путь получения быстротвердеющего цемента — регулирование минералогического состава клинкера.
Цементы с высоким суммарным содержанием трехкальциевого силиката и трехкальциевого алюмината (не менее 60%) оказываются, как правило, быстротвердеющими. При этом содержание C3S должно быть не менее 50-52%, а С3А — 8-10%.
Ускорению твердения цемента в начальный период способствует также уменьшение содержания в нем активных минеральных добавок. Содержание последних в быстротвердеющем портландцементе не должно превышать 10%; исключение составляют доменные гранулированные шлаки, которые обладают некоторыми вяжущими свойствами, а потому их содержание в быстротвердеющем портландцементе допускается не более 15%.
По ГОСТ 10178-62 БТЦ через 3 суток твердения в стандартных условиях в растворе 1 : 3 должен иметь предел прочности при изгибе не менее 40 кгс/см2 . 28-суточная прочность быстротвердеющего портландцемента не регламентированная и характеризуется примерной маркой 400. Тонкость помола БТЦ выше, чем у обычного портландцемента (2500-3000 см/г2), и составляет 3500-4000 см/г2.
Разновидностью быстротвердеющего портландцемента является особо быстротвердеющий портландцемент (ОБТЦ). Отличается он от БТЦ еще более интенсивным темпом нарастания прочности в начальной период твердения.
Получают особо быстротвердеющий портландцемент так же, как и БТЦ. Минералогический состав клинкера особо быстротвердеющего портландцемента ОБТЦ должен быть таким, чтобы содержание трехкальциевого силиката в нем было 60% и более, а трехкальциевого алюмината — не более 8%. Особо быстротвердеющий портландцемент марки 600 должен в односуточном возрасте иметь предел прочности при сжатии 200-250 кгс/см2, а в трехсуточном — 300-350 кгс/см2.
ОБТЦ измельчают до удельной поверхности 4000-4500 см/г2. При весьма тонком измельчении содержание гипса в этом цементе желательно довести до 4% (в расчете на SO3), т.е. несколько выше предела, допускаемого стандартом (3,5%). Добавка 5-8% трепела способствует равномерному росту прочности к 28-суточному возрасту, хотя при этом несколько снижается односуточная прочность.
Высокопрочный портландцемент (ВПЦ) должен иметь в 28-суточном возрасте предел прочности при сжатии 600 кгс/см2 и более.
При использовании быстротвердеющего портландцемента и высокопрочного портландцемента для изготовления строительных деталей снижается расход цемента, уменьшается размер элементов и масса конструкций.
Шлакопортландцемент и пуццолановый портландцемент, имеющие сходные физико-механические свойства, получают тонким измельчением портландцементного клинкера с повышенным количеством активных минеральных добавок. Различие этих цементов определяется видом добавки: пуццолановый портландцемент получают тонким измельчением клинкера с природной активной минеральной добавкой, а шлакопортландцемент с доменными гранулированными шлаками. Прочность шлакопортландцемента и пуццоланового портландцемента несколько ниже прочности обыкновенного портландцемента; пуццолановые и шлакопортландцементы имеют марки 200, 300, 400 и 500.
Возможность применения в портландцементе активных минеральных добавок в большом количестве без существенного снижения прочности цемента обусловливается процессами взаимодействия добавки с продуктами гидратации клинкерных минералов. Среди этих продуктов основная роль принадлежит гидрату окиси кальция Са (ОН)2, выделяющемуся в свободном виде при гидратации трехкальциевого силиката.
Активные минеральные добавки состоят, как отмечалось, из веществ, легко вступающих в химическое взаимодействие с Са (ОН)2 , при этом образуются гидросиликаты и гидроалюминаты кальция, сходные по составу с продуктами гидратации клинкерных минералов и обладающие клеящей способностью.
Оптимальное содержание добавки в цементе зависит от ее активности, т.е. способности химически поглощать Са (ОН)2 , а также от количества Са (ОН)2, выделяющегося при твердении цемента; последнее определяется в основном содержанием в клинкере трехкальциевого силиката. Следовательно, чем выше активность добавки, тем меньше требуется ее для связывания Са (ОН)2, так как каждый цемент выделяет строго определенное количество гидрата окиси кальция. С уменьшением содержания в клинкере трехкальциевого силиката оптимальная величина добавки уменьшается, и наоборот.
Приведенное справедливо для портландцемента с природными добавками, не обладающими способностью самостоятельного твердения. Применение же доменных гранулированных шлаков, имеющих по своему химическому составу некоторое сходство с портландцементным клинкером и обладающих, хотя и небольшой, способностью самостоятельно твердеть при затворении водой, позволяет увеличить содержание шлаков в цементах по сравнению с природными добавками.
ГОСТ 10178-62 устанавливает следующее содержание активных минеральных добавок от массы цемента:
природных добавок в пуццолановых портландцементах: вулканического происхождения (пемза, туф, пепел) — не менее 25 и не более 40%; осадочного происхождения (диатомиты, трепелы, опоки) — не менее 20 и не более 30%;
доменных гранулированных шлаков в шлакопортландцементных не менее 30 и не более 60%.
Замена наиболее дорогой части портландцемента — клинкера — природной добавкой или промышленными отходами — шлаками на 10-12% снижает стоимость цемента, что имеет большое экономическое значение.
В то же время следует учитывать, что при введении добавки в цемент его свойства изменяются и в лучшую и в худшую сторону. Так, пуццолановые портландцементы и шлакопортландцементы обладают повышенной водостойкостью и низким тепловыделением, что важно при возведении гидротехнических сооружений и массивных бетонных конструкций. Но они медленно твердеют в начальной период (хотя к 28 сутками прочность их приближается к прочности обыкновенного портландцемента) и имеют несколько меньшую морозостойкость и воздухостойкость.
Разновидностями пуццоланового портландцемента и шлакопортландцемента являются:
сульфатостойкий пуццолановый портландцемент, получаемый тонким измельчением клинкера, содержащего трехкальциевого алюмината не более 8% и природную гидравлическую добавку; количество добавки принимается то же, что и для пуццоланового портландцемента. Этот цемент выпускается марок 200,300, 400; в остальном его свойства аналогичны пуццолановому портландцементу;
быстротвердеющий шлакопортландцемент обладает более интенсивным, чем обычный шлакопортландцемент, нарастанием прочности в начальный период твердения. Это достигается применением клинкера быстротвердеющего портландцемента и шлаков высокой основности в количестве не менее 30 и не более 50% по массе.
Образцы, изготовленные из 1 ч. этого цемента и 3 ч. песка, через трое суток твердения должны иметь предел прочности при изгибе не менее 35 кгс/см2 и при сжатии не менее 200 кгс/см2, в возрасте 28 суток предел прочности при сжатии должен быть не менее 400 кгс/см2. В остальном свойства быстротвердеющего шлакопортландцемента аналогичны свойствам обыкновенного шлакопортландцемента.
Сульфатостойкий портландцемент отличается от обыкновенного более высокой стойкостью в сульфатных водах.
Причиной разрушения отвердевшего цемента в воде, содержащей растворенные сульфаты, является взаимодействие сернокислого кальция с трехкальциевым алюминатом по реакции
C3AH6 + 3CaSO4 * 2H2O + 19H2OC3A * 3CaSO4 * 31H2O.
Образующийся гидросульфоалюминат кальция, называемый из-за своего разрушающего действия «сульфоалюминатной бациллой», значительно увеличивается в объеме по сравнению с общим объемом исходных материалов — трехкальциевого алюмината и гипса — за счет присоединения большого количества воды. Это вызывает появление в цементном камне растягивающих напряжений и последующее его разрушение.
Одним из основных путей получения сульфатостойкого цемента является уменьшение содержания в клинкере трехкальциевого алюмината, на первом этапе взаимодействия которого с водой образуется при недостатке гипса трехкальциевый гидроалюминат.
Сульфатостойкость и водостойкость портландцемента снижаются при высоком содержании в клинкере трехкальциевого силиката, который при гидрации выделяет легкорастворимый гидрат окиси кальция. По указанном причинам клинкер сульфатостойкого портландцемента должен содержать трехкальциевого силиката не более 50%; трехкальциевого алюмината не более 5%, а сумма трехкальциевого алюмината и четырехкальциевого алюмоферрита должна составлять не более 22%.
Сульфатостойкий портландцемент выпускают двух марок — 300 и 400. введение активных минеральных добавок в этот цемент не допускается, так как они снижают морозостойкость бетона.
Портландцемент с умеренной экзотермией. Близким сульфатостойкому цементу по минералогическому составу клинкера и свойствами оказывается портландцемент с умеренной экзотермией (тепловыделением). Он при твердении обладает по сравнению с обыкновенным портландцементом пониженной экзотермией и несколько повышенной сульфатостойкостью и водостойкостью.
Низкотермические цементы необходимы при строительстве массивных бетонных сооружений, иначе в последних образуются трещины. Происходит это по той причине, что при большом выделении тепла твердеющим цементом внутренние слои массивной бетонной конструкции оказываются нагретыми, а наружные охлаждаются окружающим воздухом. При нагревании каждое вещество увеличивается в объеме, а при охлаждении сжимается. При высокой экзотермии цемента внутренние нагретые слои бетонной конструкции вследствие расширения будут разрывать наружные холодные слои, образуя в них трещины.
Получение портландцемента с умеренной экзотермией достигается применением клинкера с относительно низким содержанием высокоэкзотемических минералов. К ним относятся трехкальциевый силикат и трехкальциевый алюминат; содержание трехкальциевого силиката в цементе с умеренной экзотермией не должно превышать 50%, а трехкальциевого алюмината — 8%.
Портландцемент с умеренной экзотермией выпускают марок 300 и 400. этот цемент, так же как и сульфатостойкий, не должен содержать активных минеральных добавок; в остальном его свойства те же, что и у обыкновенного портландцемента.
Пластифицированный портландцемент получают введением при помоле обыкновенного портландцемента пластифицирующих поверхностно-активных добавок. В качестве поверхностно-активных добавок применяют концентраты сульфитно-спиртовой бражки (СДБ), удовлетворяющей требованиям МРТУ 13-04-35-66.
Добавка вводится в сухом виде или в виде водного раствора в количестве 0,15-0,25% от массы цемента в пересчете на сухое вещество. Оптимальное содержание добавки для данного цемента устанавливается опытным путем и зависит от минералогического состава клинкера, тонкости помола цемента и содержания в нем гидравлических добавок.
Основные свойства пластифицированного портландцемента и требования, предъявляемые к ним стандартом, те же, что и у обыкновенного портландцемента, за исключением требования к его пластичности.
Раствор из смеси пластифицированного портландцемента с нормальным песком состава 1 : 3 при водоцементном отношении, равном 0,40, должен обладать такой пластичностью, при которой расплыв конуса из этого раствора после 30 встряхиваний составляет не менее 125 мм. Обыкновенный портландцемент при этих же условиях дает расплыв конуса 105-110 мм.
Пластифицированный портландцемент отличается от обыкновенного способностью придавать бетонным смесям повышенную подвижность (текучесть), что обеспечивает их более легкую укладку и уплотнение при формировании бетонных изделий. Так как подвижность бетонных смесей зависит в основном от содержания воды, то применение пластифицированного портландцемента позволяет уменьшить водосодержание смеси без изменения ее подвижности. Это в свою очередь позволяет сэкономить цемент, повысить прочность и морозостойкость бетона.
Гидрофобный портландцемент получают введением при помоле обыкновенного портландцемента гидрофобизующей добавки. К таким добавкам относятся: асидол, асидол-мылонафт, мылонафт (ГОСТ 13302-67), олеиновая кислота или окисленный петролатум.
Добавки вводят в количестве 0,06-0,30% от массы цемента в пересчете на сухое вещество. Оптимальное содержание добавки устанавливается для каждого цемента опытным путем и зависит от вида добавки, тонкости помола и минералогического состава клинкера.
Требования стандарта к гидрофобному портландцементу остаются теми же, что и к обыкновенному, но, кроме того, гидрофобный цемент должен обладать специальным свойством — он не должен впитывать в себя воду в течение 5 мин.
Гидрофобный портландцемент отличается от обыкновенного пониженной гигроскопичностью. Пониженная гигроскопичность позволяет сохранять активность цемента при длительном транспортировании и хранении даже во влажной среде и предотвращает слипание в комья при кратковременном действии воды. Кроме того, гидрофобные цементы придают бетонам повышенную морозостойкость и водонепроницаемость. При использовании гидрофобного портландцемента несколько повышается подвижность и удобоукладываемость бетонных смесей.
Дорожный портландцемент предназначается для бетонных покрытий автомобильных дорог и аэродромов.
Требования, предъявляемые к этому цементу, вытекают из требований к бетонным дорогам и условий производства дорожных работ. Дорожный цемент должен обладать высокой прочностью и морозостойкостью, истираемостью и ударной вязкостью.
Удовлетворение этих требований достигается применением для бетонных дорог портландцемента повышенной прочности (марки не ниже 400) с относительно невысоким содержанием трехкальциевого алюмината (не более 10%) 0 наименее морозостойкого минерала клинкера. Понижают морозостойкость цемента активные минеральные добавки; поэтому применение последних в дорожном портландцементе не допускается, за исключением доменных, гранулированных шлаков в количестве не более 15% от массы цемента.
При строительстве дорог возникает необходимость транспортировать бетонные смеси на значительное расстояние. При этом причинам начало схватывания дорожного портландцемента должно наступать не ранее 2 ч (обыкновенного портландцемента не ранее 45 мин.).
В остальном свойства дорожного портландцемента аналогичны свойствам обыкновенного цемента.
Белый портландцемент. Обыкновенный портландцемент имеет зеленовато-серый цвет из-за относительно высокого содержания в нем окрашивающих окислов: окиси железа и окиси марганца. Клинкер же, не содержащий этих окислов или содержащий их в незначительном количестве (Fe2O3 0,3-0,5%, MnO до 0,03%), имеет белый цвет. Это достигается применением соответствующего сырья — белых частиц глин, каолинов и известняков с минимальным содержанием указанных окислов.
Белый портландцемент в отличие от обыкновенного имеет повышенный силикатный модуль (3,0-3,8) и весьма высокий глиноземистый модуль (10 и более), а коэффициент насыщения ниже, чем у обыкновенного, — 0,80-0,87. в соответствии с этим клинкер белого портландцемента имеет следующий минералогический состав: C3S 38-44%; C2S 35-37%; C3A 15-16%; C4AF 1-2%, т.е. он практически не содержит алюмоферритов кальция. Обжиг клинкера белого портландцемента производится при более высокой температуре вследствие малого содержания плавней.
Для повышения белизны цемента клинкер при выходе из печи «отбеливают», резко охлаждая водой до температуры 500-6000 С, или воздействуют бескислородной восстановительной средой при температуре 800-10000 С с последующим охлаждением в бескислородной среде до 200-3000 С.
При резком охлаждении и в результате действия восстановительной среды увеличивается степень белизны клинкера за счет перехода части окисного железа в закисное а также вследствие образования алюмоферрита кальция, связывающего большее количество Fe2O3, C6AF2.
В соответствии с требованиями ГОСТ 965-66 белый портландцемент делится на марки 300, 400 и 500, а по степени белизны подразделяется на три сорта: высший, БЦ-1 и БЦ-2, определяемые по коэффициенту яркости относительно BaSO4. Белый портландцемент должен содержать не более 6% белого диатомита и не более 10% инертной минеральной добавки (известняка, кварцевого песка). Окиси магния в клинкере должно быть не более 4%. Остальные требования те же, что и для обыкновенного портландцемента.
На основе белого цемента приготовляют цветные цементы, добавляя при помоле белого клинкера пигменты — тонкоизмельченные минеральные красители: мумию (красный пигмент), умбру (коричневый), охру (желтый), окись хрома (зеленый), сажу (черный), ультрамарин (синий).
Портландцемент для производства асбестоцементных изделий. Асбестоцементные изделия в виде труб, плиток и листов для кровель, облицовочных материалов получают путем формования из влажной асбестоцементной массы, состоящей в среднем из 10-20% асбеста и 90-80% портландцемента. Эти изделия обладают высокой прочностью и изгиб (250 кгс/см2 и более) по сравнению с другими искусственными каменными материалами. Достигается она благодаря очень высокой прочности волокон асбеста на растяжение (до 8-10 тыс. кгс/см2 ) и очень сильному сцеплению асбестовых волокон с цементом.
Согласно ГОСТ 9835-66 портландцемент для производства асбестоцементных изделий должен содержать C3S не менее 50%, а C3А не более 3 %. Выпускаются две марки этого цемента 400 и 500 — начало схватывания должно наступать не ранее 1 ч. 30 мин., а конец — не позднее 12 ч. от начала затворения. Тонкость помола цемента должна быть такой, чтобы при просеивании сквозь сито — 008 проходило не менее 88% и не более 93% от массы пробы. Другие свойства и показатели этого цемента аналогичны показателям обыкновенного портландцемента.
Портландцемент для производства асбестоцементных изделий не должен содержать никаких активных или инертных минеральных добавок. Содержание добавок допускается с согласия потребителя и только в количестве не более 3% для улучшения свойств цемента, а также не более 0,5% специальных добавок, облегчающих помол и не ухудшающих свойств цемента. Введение большого количества добавок запрещается в связи с ухудшением фильтруемости асбестоцементной пленки в их присутствии.
Цемент с микронаполнителями (смешанные цементы). В качестве наполняющих тонкоизмельченных добавок обычно используют: кварцевые и полевошпатные пески, песчаники, различные известковые породы и др. ГОСТ 4797-69 предъявляет требования к микронаполнительным добавкам по тонкости помола — остаток на сите — 02 не должен превышать 5% и сквозь сито — 008 должно проходить не менее 65% материала; нормализуется также содержание примесей, оказывающих отрицательное влияние на твердение цемента.
Песчанистый портландцемент получается путем совместного тонкого помола клинкера, добавки гипса и примерно 40% кварцевого песка. Отличительной особенностью этого цемента является пониженное тепловыделение при гидратации.
Карбонатный портландцемент представляет собой продукт совместного тонкого измельчения клинкера с 25-30% карбонатных пород. Карбонатный цемент характеризуется следующими основными показателями: тонкость помола должна соответствовать удельной поверхности не менее 3500 см2/г, при этом остаток на сите — 02 должен не превышать 2%, а через сито — 008 должно проходить не менее 92% материала; начало схватывания должно наступать не ранее чем через 30 мин., а конец — не позднее чем через 5 ч. Для изготовления этого цемента желательно использовать клинкер с возможно более высоким содержанием C3А и C4AF.
При твердении карбонатного портландцемента выделяется меньшее количество тепла, чем при гидратации обычного портландцемента. Кроме того, он характеризуется повышенной стойкостью в углекислых средах вследствие защитного действия углекислого кальция.
