ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА И ИХ ПРОИЗВОДСТВО

Гидравлическая известь —продукт умеренного обжига (не до спекания) мергелистых известняков, содержащих от 6 до 20% глини­стых примесей. Обычный интервал температур обжига составляет 900—1100°С, что зависит от состава сырья. Продукт обжига содер­жит не только свободную известь, но и химические соединения с ок­сидами глины: силикаты 2СаО∙SiO₂, алюминаты 2СаО∙Al₂О₃, фер­риты 2СаО∙Fe₂O₃ кальция. Подобно воздушной извести этот продукт составляет комовую гидравлическую известь, которую под­вергают помолу в мельницах с получением тонкомолотой негаше­ной извести. Реже используют другой вариант: комовую известь га­сят, а непогасившиеся частицы (силикатов, алюминатов и ферритов) подвергают дополнительному измельчению с последующим смеше­нием погасившейся и непогасившейся частей.

При взаимодействии с водой силикаты и алюминаты в извести остаются практически негидратированными. Только при гашении этой извести в тесто постепенно образуются гидросиликаты и гид­роалюминаты кальция, что сопровождается набуханием этих соединений и переходом их в студнеобразное состояние. В зависимости от содержания в извести оксида кальция, по отношению к сумме диок­сида кремния, полуторных оксидов алюминия и железа можно условно разделить на сильно гидравлическую и слабо гидравличе­скую. Отношение называется модулем основ­ности и для сильногидравлической извести он равен 1,7—4,5, а для слабогидравлической — 4,5—9,0. Модуль основности характеризует способность извести к твердению в водной среде, а при m > 9,0 из­весть является типичным воздушным вяжущим веществом. Кроме того, модуль m косвенно отражает также и механическую прочность затвердевшего теста (или раствора). Следует отметить, что если для гашения извести воздушной в тесто требуется ввести 70—80% воды, то для гидравлической — около 20 %.

Гидравлическая известь не обладает высокой прочностью. При ее определении в образцах из раствора состава 1:3 (с нормальным песком) прочность при сжатии должна быть 2-5 МПа через 28 суток комбинированного хранения (7 суток во влажном воздухе и 21 сутки в воде).

В настоящее время гидравлическая известь имеет ограниченное применение — для строительных растворов и бетонов невысокой прочности, для кладки в сырых местах (подвалах, каналах), в мало­этажном строительстве и др. Совсем не изготовляется теперь ро­ман-цемент — гидравлическое вяжущее вещество, получавшееся из­мельчением в тонкий порошок умеренно обожженных (не до спекания) известковых или магнезиальных мергелей при содержа­нии в них глинистых примесей до 25—35%. Эту разновидность це­мента полностью вытеснил портландцемент.

Портландцемент— продукт тонкого измельчения клинкера, по­лучаемого в результате равномерного обжига до спекания природ­ного сырья (мергеля) или искусственной однородной сырьевой сме­си определенного состава, содержащей известняк и глину. В процессе помола клинкера добавляют гипсовый камень в количе­стве до 3,5% (в пересчете на серный ангидрит). Можно частично за­менить сырьевую смесь доменным шлаком, нефелиновым шламом, опокой и др. при условии, что сырье сохраняет необходимый рас­четный состав.

Природное минеральное сырье в виде известкового мергеля встречается редко, приходится ориентироваться, в основном, на ис­кусственные сырьевые смеси. Как отмечено, они составляются с по­мощью пород с высоким содержанием углекислого кальция (чистых известняков, мела, известковых туфов, мергелистых известняков и др.) и пород, относящихся к глиноземистому сырью (тяжелые гли­ны, мергелистые глины, глинистый сланец и др.). Исходя из химиче­ского состава сырьевой смеси и заданной характеристики состава клинкера вычисляют соотношение между ее компонентами с воз­можно большей точностью. Вид сырья отражается на выборе оборудования, необходимого для его подготовки, обжига и помола про­дукта обжига с добавками и с переводом их в состояние однородного мельчайшего порошка — портландцемента.

В зависимости от характера приготовления сырьевой смеси раз­личают мокрый, сухой и комбинированный способы производства портландцемента. Каждый из этих способов имеет свои особенно­сти, достоинства и недостатки. В нашей стране на цементных заво­дах преобладает пока мокрый способ, хотя многие заводы перестра­ивают технологию на более экономичный по расходу топлива сухой и комбинированный способы.

При мокром способе (рис. 9.3) сырьевую смесь измельчают в шаровых мельницах в присутствии большого количества воды (до 36—42% массы сухого вещества) и получают жидкотекучую массу, или суспензию. Ее называют шламом. Из шлам-бассейна 7 масса направляется для обжига во вращающуюся печь 8. Мокрый способ целесообразно использовать при применении в качестве компонен­тов мела, сырой глины, что понижает расход электроэнергии на измельчение сырьевой смеси. При этом способе облегчается транс­портирование и перемешивание сырьевой смеси, однако расход топлива на обжиг ее в печи в 1,5—2 раза больше, чем при сухом способе.

Рис. 9.3. Технологическая схема производства портландцемента по мокрому способу:

1 — подача известняка из карьера; 2 — дробилка для известняка; 3 — подача глины из карьера; 4 — подача воды; 5 — бассейн для размешивания глины; 6 — сырьевая мельница; 7 — шлам-бас­сейны; в — вращающаяся печь; 9 — холодильник; 10 — подача угольной пыли в печь; 11 — элева­тор для подачи угля из дробилки в бункер; 12 — сушильный барабан для угля; 13 — мельница для угля; 14 — склад угля; 15 — склад гипса; 16 — элеватор для подачи гипса из дробилки в бункер; 17 — склад клинкера; 18 — шаровая мельница; 19 — силосы для цемента; 20 — упаковка цемента

При сухом способе готовят сухой порошок смеси исходных ма­териалов (так называемая сырьевая мука), который обжигают во вращающейся печи.

Комбинированным называют способ производства, при кото­ром сырьевая смесь для обжига подготавливается в виде гранул. Шлам обезвоживают до влажности 16—18% и полученный «сухарь» (корж) перерабатывают в гранулы на специальных грануляторах. Можно также увлажнять сырьевую муку до 12—15% и из нее изго­товлять те же гранулы для обжига. Комбинированный способ, по сравнению с мокрым, дает до 20—30% экономии топлива.

При всех способах весьма важно обеспечить бесперебойное по­ступление сырьевой смеси на обжиг для получения из нее портланд-цементного клинкера.

Обжиг сырьевой смеси — центральный этап технологии цемен­та. Для обжига применяют два типа печей — шахтные и вращаю­щиеся.

Для производства цемента мокрым и сухим способами применя­ют вращающиеся печи длиной от 150 до 230 м, диаметром 5—7 м и короткие длиной от 60 до 95 м с различными запечными устройства­ми (конвейерный кальцинатор, циклонные теплообменники, холо­дильники и др.).

Вращающуюся печь 8 (см. рис. 9.3) устанавливают с небольшим уклоном (3—4°) в сторону передвижения сырьевой смеси. Печь мед­ленно (1—2 об/мин) вращается вокруг своей оси в подшипниках. Сырьевая смесь подается в печь автоматическим питателем с верх­него ее конца, а со стороны нижнего конца вдувают топливо — ма­зут, природный газ или воздушно-угольную смесь. Горячие газы на­правляются навстречу сырьевой массе. По всей длине вращающейся печи условно вьщеляют шесть зон, которые различают по основным физическим и химическим процессам, проходящим при нагревании. Внутри печи, облицованной надежной огнеупорной футеровкой, на­ходятся различные внутрипечные устройства для лучшего переме­шивания и интенсивного прогрева сырья (фильтр-подогреватели шлама, цепные завесы, металлические и керамические теплообмен­ники).

В зоне сушки испаряется свободная вода. Подсушенный матери­ал комкуется и распадается на гранулы. В зоне подогрева при тем­пературе от 200 до 700°С сгорают органические примеси, удаляется химически связанная вода и образуется каолинитовый ангидрит Al₂O₃∙2SiO₂. Обе эти подготовительные зоны составляют при мок­ром способе около половины длины печи, при сухом способе — значительно меньше. В зоне кальцинирования при интервале темпера­тур от 700 до 1100°С происходит диссоциация карбонатов СаСО₃ и MgCO₃, а также разложение глинистого компонента на оксиды SiO₂, Al₂O₃, Fe₂О₃. Они вступают в химическое взаимодействие с СаО. Протекают реакции, связанные с диффузионными процессами в твердом состоянии и с формированием новообразований (искусст­венных минералов). Вначале образуются однокальциевый алюми­нат СаО∙Al₂О₃ (или в условном обозначении СА), а затем двухкальциевый силикат 2СаО∙SiO₂ (или в условном обозначении C₂S). При температуре, близкой к 1200°С, однокальциевый алюминат, насы­щаясь известью, переходит в пентакальциевый триалюминат 5СаО∙3Al₂О₃ и затем в трехкальциевый алюминат 3СаО∙Al₂О₃ (или С₃А). Оксид железа образует с оксидом кальция двухкальциевый феррит 2СаО ∙Fe₂О₃ (или С₂F) и четырехкальциевый алюмо-феррит 4СаО∙Al₂О₃∙Fe₂O₃ (или C₄AF).

При достижении температуры примерно 1300°С все реакции в твердой фазе в основном завершаются, но часть извести остается в свободном состоянии. При дальнейшем повышении температуры (1300—1450°С) происходит частичное плавление сырьевого матери­ала — спекание, чему особенно легко поддаются C₄AF, СаО и MgO. Обычное содержание жидкой фазы при температурах спекания со­ставляет 15—30%. В твердом состоянии остается 2СаО∙SiO₂, но и он частично растворяется в этой жидкости, образуя с молекулярно-дисперсной известью трехкальциевый силикат 3СаО∙SiO₂ (или C₃S), поскольку жидкая среда интенсифицирует диффузию молекул оксида кальция. C₃S выделяется из жидкой среды вследствие мень­шей растворимости в расплаве в виде мельчайших, но способных к росту кристаллов. Это новообразующееся вещество в кристалличе­ском состоянии является главной составной частью портландцемен­та. Для его более полного выделения из расплава требуется темпера­тура 1450—1500°С со сравнительно длительным сохранением этих тепловых условий. Но даже при самых благоприятных условиях пе­ревод всего двухкальциевого силиката в более устойчивое состояние в виде трехкальциевого силиката затруднителен. Для поддержания необходимой концентрации растворенных в расплаве извести и Ca₂S потребовались бы весьма высокие температуры и длительный период времени.

В сырьевых смесях, насыщенных известью, некоторая часть ее может остаться неусвоенной в процессе обжига. Однако свободной извести в портландцементе не должно быть выше 1—1,5% во избе­жание неравномерного изменения объема при его твердении.

При медленном охлаждении продукта обжига жидкая фаза мо­жет почти полностью перейти в продукты кристаллизации, а при очень быстром — в переохлажденную жидкость (стекло). Обычные тепловые режимы в печи благоприятствуют и кристаллизации, и ча­стичному застекловыванию, причем стекло окаймляет отдельные кристаллы.

Таким образом, в результате внутренних химических и физи­ко-химических процессов при обжиге сырьевой смеси образуется клинкер, в составе которого имеются сложные соединения как в кристаллическом состоянии — C₃S и C₂S, так и в стеклообраз­ном — С₃А, С₅А₃, C₄AF. Кроме того, присутствуют в нем MgO (главным образом в виде кристаллов периклаза), СаО и R₂O — в стекловидной фазе. Некоторые из этих соединений называются ис­кусственными минералами, а именно: соединения C₃S и C₂S назы­ваются соответственно алитом и белитом. Эти минералы не явля­ются химически чистыми компонентами клинкера. Так, например, C₃S может воспринять некоторое количество алюминатов; C₄AF воспринимает немного трехкальциевого алюмината и т.д. Поэто­му микроскопический анализ показывает состав, который не совпадает с расчетным составом. По расчетному Минералогическому [составу портландцементный клинкер можно разделить на группы: алитовый с содержанием алита свыше 55% и белита меньше 20%; белитовый — с содержанием алита меньше 40% и белита — боль­ше 40%; нормальный с содержанием алита 40—55% и белита 20—40% при общем количестве во всех трех случаях С₃А + C₄AF 20—25% (по массе); алюминатный — при содержании С₃А больше 10% и C₄AF меньше 15%; .алюмоферритный — при содержании С₃А меньше 10% и C₄AF больше 15% при общем количестве сили­катов, равном 75%.

Из вращающейся печи клинкер выходит в виде мелких гранул (10—40 мм) зеленовато-серого цвета, после чего его охлаждают воз­духом до 100—200°С и направляют на магазинирование. Эта опера­ция выражается в выдерживании клинкера на складе или в силосе для дальнейшего снижения его температуры и частичного самоизме­льчения под влиянием тепловых перепадов, гашения свободной из­вести и других факторов.

При сухом способе подготовки сырья декарбонизация извест­няка обычно выносится за пределы вращающейся печи — в декарбонизаторы, что позволяет использовать теплоту отходящих газов, ускорить процесс обжига, снизить расход топлива и энер­гозатрат, металлоемкость оборудования за счет уменьшения дли­ны печи.

На основании изложенного можно заключить, что получаемый портландцементный клинкер характеризуется содержанием отдель­ных оксидов; соотношениями между содержанием главнейших окси­дов, выражаемыми в форме модулей и коэффициента насыщения; содержанием клинкерообразующих соединений — клинкерных ми­нералов.

Главнейшими оксидами клинкера являются CaO, SiO₂, Al₂О₃, Fe₂O₃. Среди других оксидов, оказывающих нередко существенное влияние на качество цемента, следует отметить MgO, SO₃, N₂О, K₂О, TiO₂, P₂O₅, Mn₂О₃. Три последних оксида встречаются в очень ма­лых количествах и при расчетах обычно их не учитывают. Химиче­ский состав клинкера характеризуется следующими пределами со­держания вышеуказанных оксидов (% по массе): СаО — 62—67%; SiO₂ — 20—24; Al₂О₃ — 4—8; Fe₂O₆ — 2—5[30], других оксидов (MgO, SO₃) — 1—3%.

Имея химический состав, нетрудно определить приближенные значения модулей: основного, или гидравлического, m, который был указан выше при описании гидравлической извести (см. 8.2.1),

силикатного, или кремнеземного, и алюминатного, или глиноземного, Модули должны быть в пределах: m = 1,9—2,4; n = 1,7—3,5; p = 1,0—2,5.

В настоящее время редко используется в расчетах основный, или гидравлический, модуль для характеристики клинкера. Однако все­гда определяется коэффициент насыщения (КН), показывающий от­ношение количества извести, остающейся после полного насыщения глинозема, оксида железа и серного ангидрита, к тому количеству

извести, которое необходимо для полного насыщения кремнезема: Этот коэффициент насыщения изве­стью обычного цемента колеблется в пределах 0,82—0,95. Повышен­ное значение коэффициента насыщения (КН>1) означает наличие свободной извести, что может вызвать неравномерное изменение объема, трещинообразование, разрушение цементного камня и бе­тона. Его пониженное значение (КН<0,8) связано с замедленным процессом твердения цементного теста и уменьшением прочности (марки) портландцемента.

Указанные модули сравнительно четко характеризуют свойства цемента. Так, например, цементы с высоким силикатным модулем медленно схватываются и твердеют, но с течением времени они до­стигают весьма высоких прочностей. У таких цементов имеется по­вышенная стойкость к воздействию минерализованной воды. Одна­ко в период изготовления клинкера с высоким силикатным модулем затрудняются процессы спекания, требуется повышенная температу­ра. Наоборот, низкий силикатный модуль придает сырьевой смеси чрезмерную легкоплавкость и в связи с образованием натеков и кус­ков на футеровке печи также затрудняет обжиг.

Рис. 9.4. Пределы прочности клинкерных компонентов при испытании на сжатие в

разные сроки твердения (по данным С.Д. Окорокова)

Цементы с высоким глино­земным модулем, что соответствует повышенному содержа­нию алюминатов кальция, быстрее схватываются и твер­деют. Однако достигнутая в первые сроки прочность почти не возрастает при дальнейшем твердении. Такие цементы ме­нее стойки к воздействию ми­нерализованной воды. При ма­лых значениях глиноземного модуля, т. е. при больших ко­личествах в клинкере оксида железа, цементы медленнее схватываются и твердеют, но дают более высокую конечную прочность. Оксид железа облегчает обжиг клинкера, понижает температуру его спекания.

В цементах лимитируется содержание оксида магния (4—4,5%), так как, находясь в свободном состоянии, он может, вследствие мед­ленной и более поздней гидратации, вызывать появление напряже­ний и трещин в изделиях. Основной характеристикой клинкера слу­жит его минеральный состав, т. е. содержание C₃S, C₂S, С₃А и C₄AF. Учитывая, что каждому минералу портландцементного клинкера присущи свои особенности (рис. 9.4), которые в той или иной степе­ни влияют на общие свойства цемента, строителям нельзя обращать внимание только на прочностные показатели. По данным С.Д. Окорокова, наибольшей прочностью для всех сроков твердения обладает алит.

Наибольшей интенсивностью нарастания прочности отличается С₃А, но он, как и C₄AF, дает низкую прочность. Последнее место, как по абсолютным показателям прочности, так и по интенсивности роста прочности, занимает белит. Следует отметить, что в длитель­ные периоды времени твердения белит способен набирать высокую прочность. Аналогичным образом ведут себя смеси из этих компо­нентов. Наибольшую прочность показали двухкомпонентные смеси алита и С₃А, наименьшую — алит в смеси с белитом и алит в смеси с С4АР. Увеличение содержания С₃А до 15% повышает прочность в первые сроки твердения, но в дальнейшем дает уменьшение прочно­сти. Содержание С₃А до 10% дает наилучший постоянный прирост прочности при объединении с C₃S, хотя отдельно С₃А как отмеча­лось выше, дает весьма малую прочность. В этом случае положите­льную роль сыграло присутствие в цементе гипса, который добав­лялся при помоле клинкера. С ним образуется при твердении теста комплексная соль — кристаллический гидросульфоалюминат каль­ция 3СаО∙Al₂О₃∙3CaSO₄∙31 (или 32) Н₂О, называемая эттрингит. О ней подробнее изложено ниже в связи с коррозией бетона (см. 9.10).

При оценке качества и выборе необходимого для конкретных целей цемента, кроме прочностных показателей принимают во вни­мание деформативные, усадочные, тепловыделение, коррозиестойкость, морозостойкость и стойкость к внешним условиям работы строительных конструкций и другие свойства. Присутствие искусст­венных минералов клинкера в различных количествах и сочетаниях вносит свои коррективы в соответствующие показатели цемента.

Деформативная способность — удароустойчивость и пластич­ность — значительно выше у алюмоферритного цемента (20% C₄AF), практически лишенного трехкальциевого алюмината (по данным А.Е. Шейкина, С₃А было 1%). Алитоалюмоферритный це­мент (по данным А.В. Саталкина) дает почти в 2 раза большую пре­дельную растяжимость, чем алюминатный цемент. Содержание С₃А сильно уменьшает деформативную способность цемента, увеличива­ет вероятность трещинообразования. С₃А является наиболее хруп­ким минералом, тогда как C₄AF — наименее хрупким. Среднее по­ложение занимают C₃S и C₂S. Аналогичное положение занимают минералы и по свойству их твердости.

Объемные деформации при твердении теста и бетона также за­висят от минерального состава цемента. В.А. Кинд установил, что наибольшую усадку дает С₃А, а затем C₂S. Алит и алюмоферрит оказывают наименьшее влияние на объемные деформации цемента.

Неодинаково у минералов цементного клинкера и тепловыделе­ние, которое влияет на среднюю температуру, развивающуюся при твердении цементного теста. Так, например, наибольшее количест­во теплоты выделяют C₃S и С₃А, которая на третьем месяце тверде­ния составляет 200—220 кал/г. Третье место занимает C₄AF — 100 и последнее место — C₂S — 50—60 кал/г. Среднее количество тепло­ты, выделяемое цементами, колеблется в зависимости от минерало­гического состава от 50 до 140 кал/г, но в основном оно зависит от суммы C₃S и С₃А, как наиболее экзотермичных при твердении. По этой причине для бетонных работ в осенне-зимний период желате­льно использовать цемент с повышенным содержанием алита и С₃А, то же — при необходимости сокращения сроков изготовления бе­тонных и железобетонных изделий, особенно тонкоребристого типа. При изготовлении массивных бетонных конструкций требует­ся цемент с возможно меньшей экзотермией, например, типа белитового.

Разрушение портландцемента при сульфатной агрессии связано с наличием в нем алюмината кальция. Следовательно, в этой среде у цемента должен быть повышенным силикатный модуль, уменьшен­ное содержание С₃А, например не более 5%. Против воздействия кислот неустойчивы ни силикаты, ни алюминаты, так как происхо­дит их растворение.

Приходится учитывать также, что морозостойкость, выражае­мая многократным замораживанием и оттаиванием бетона, насы­щенного водой (например, в опорах мостов на уровне воды), пони­жается при увеличении содержания С₃А в цементе.

Не являются пассивными ингредиентами щелочные оксиды K₂O, когда в бетоне используются заполнители в виде опала — аморфно­го кремнезема (SiO₂, n∙H₂O), повышающие диффузию воды в бетон и осмотическое давление в нем вплоть до критического уровня и разрушения строительной конструкции.

Портландцемент применяют главным образом для бетонных и железобетонных конструкций в наземных, подземных и подводных сооружениях, в том числе и таких, которые подвержены поперемен­ному замораживанию и оттаиванию. Для растворов они использу­ются только в тех случаях, когда не имеется более дешевых вяжущих веществ — воздушной и гидравлической извести, смешанных цемен­тов и др. В цементных растворах требуется предусмотреть введение водоудерживающих добавок — извести, глины, цемянки, золы, молотого известняка и др. Во всех случаях использования портланд­цемента непременно учитывают, что имеются и специальные разно­видности этого вяжущего вещества — быстротвердеющий, сульфатостойкий, пластифицированный и гидрофобный, белый и цветной, тампонажный и др., а также смешанные на основе портландцемента или на основе извести. Кроме того, возможны к применению иные разновидности цементов, которые также необходимо иметь в виду при выборе рационального вяжущего вещества для конкретных строительных целей. Все они в той или иной мере рассмотрены ниже.

Здесь же важно отметить, что среди наиболее важных показателей качества портландцемента и других цементов является так на­зываемая активность — показатель предела прочности, получае­мый при испытании на осевое сжатие половинок образцов-балочек размером 4x4x16 см, изготовленных из цементного раствора соста­ва 1:3 (по массе) и В/Ц = 0,4, в возрасте 28-суточного твердения[31]. При изготовлении цементного раствора используют нормальный песок Привольского месторождения, содержащий не менее 98% кварцевых зерен размером 0,5—0,9 мм. Образцы-балочки изготов­ляют по стандартной методике. По активности судят о марках це­мента.

Маркой цемента принято именовать величину его активности, но с округлением до нижнего предела и с учетом его предела проч­ности при изгибе.

Различают следующие марки портландцемента: М 400, М 500, М 550 и М 600. Требования к маркам портландцемента и некото­рым его разновидностям приведены в табл. 9.2.

Таблица 9.2. Требования к маркам портландцемента и его разновидностям

* Допускается выпускать портландцемент с минеральными добавками марки 500 с пределом прочности 28 суток твердения при изгибе не менее 4,5 МПа и при сжатии не менее 30 МПа.

Допускается ускоренное испытание на определение активности, например в возрасте 3 или 7 суток, но с последующим уточнением данных применительно к нормальному 28-суточному возрасту ис­пытания образцов.

Кроме активности по стандарту, желательно, в соответствии с теорией ИСК и ее законом конгруэнции (см. 3.2), определять еще расчетную активность портландцемента (и других видов вяжущего вещества). Под расчетной активностью подразумевается предел прочности при сжатии (или при других видах напряженного состоя­ния) цементного камня оптимальной структуры, полученного и ис­пытанного с учетом реальных условий ИСК на основе этого цемен­та. Зафиксированная величина активности называется расчетной потому, что входит в формулы для расчета соответствующей проч­ности бетона оптимальной структуры. Стандартная же активность является некоторой условной, нужной для товарной маркировки це­мента, т. е. для сравнения его с другими цементами. В техническую характеристику портландцемента входят такие показатели (в коли­чественных значениях): тонкость помола, плотность, сроки схваты­вания, равномерность изменения объема (по данным визуального осмотра образцов). Все они обусловлены стандартными методика­ми их определения.

Тонкость помола оценивают по количеству цемента, прошед­шему через сито с сеткой № 008 (размер ячейки в свету 0,08 мм); должно просеиваться не менее 85% массы просеиваемой пробы. Значимой величиной в оценке тонкости помола служит удельная поверхность частиц цемента, определяемая с помощью поверхностомера. Средний размер частиц цемента составляет 15—20 мкм, что соответствует удельной поверхности, равной 2500—3000 см²/г.

Плотность портландцемента без минеральных добавок равна 3,1 г/см³, насыпная плотность в среднем — 1300 кг/м³.

Сроки схватывания — начало не ранее 45 мин, конец — не позд­нее 10 ч от начала затворения цемента водой в тесто нормальной гу­стоты. Под последней понимается количество воды, в % по массе, которое потребовалось ввести, чтобы пестик в приборе Вика мог опуститься в кольцо с тестом на глубину, при которой он не дохо­дит до дна на 5—7 мм. Нормальная густота портландцемента обыч­но находится в пределах от 22 до 28%. В цементе, содержащем активные минеральные добавки, нормальная густота может возрас­тать до 32—35%.

Равномерность изменения объема, при своей простоте определе­ния, является важной характеристикой цемента. Она выражается в визуальной оценке состояния образцов-лепешек из теста нормаль­ной густоты в возрасте 24 ч, прошедших трехчасовое кипячение в воде. По стандарту образцы не должны деформироваться или иметь радиальные трещины. Эти дефекты возможны при гидратации сво­бодной извести СаО или периклаза MgO, оказавшихся в цементе сверх допустимого предела и вызвавших местные деформации испы­туемых образцов.

Все необходимые сведения о технических свойствах цемента со­общаются потребителям, получающим цемент с завода, в виде пас­порта на поставляемую партию цемента. Размер партии может со­ставлять от 300 до 400 т, но паспорт относится обычно к партии цемента в 200—300 т.

Разновидности портландцемента. Быстротвердеющий портланд­цемент, как уже отмечалось, получается в основном за счет повышен­ного содержания в клинкере быстротвердеющих минералов C₃S и С₃А, т. е. чтобы цемент был алитоалюминатным. Желательное содержание этих минералов находится в пределах: C₃S — 50—60%, С₃А — 8—12%, а сумма их — не менее 65%. Повышенное содержание этих соединений должно сопровождаться и повышенным содержанием двуводного гипса, вводимого при помоле клинкера. Гипсового камня принимает­ся такое количество, которое может быть химически связано в тверде­ющем портландцементом тесте в течение первых 24 ч после его затворения, что обычно составляет около 3% (2—5%).

Для ускорения процессов твердения необходим более тонкий и однородный помол сырьевой смеси, использование исходных мате­риалов по возможности с аморфной структурой, поддержание по­вышенных температур при обжиге с добавлением в смесь минерали­заторов (например, плавикового шпата), более быстрое охлаждение клинкера, выходящего из зоны спекания, более тонкий помол клин­кера (до 3500—4000 см²/г). Скорость нарастания прочности цемент­ного камня можно увеличить также путем введения химической до­бавки — хлористого кальция, соляной кислоты или других веществ аналогичного действия, вводимых в малых дозах.

Производство быстротвердеющего портландцемента началось в нашей стране с 1955 г., что позволило снизить расход цемента в бе­тоне и уменьшить энергозатраты на теплообработку изделий в, связи с укороченной ее продолжительностью.

Сверхбыстротвердеющий высокопрочный портландцемент (СБТЦ) отличается от быстротвердеющего (БТЦ) значительно бо­лее высокой ранней прочностью. Так, например, через 6 ч после затворения водой фиксируется прочность в 10 МПа, что в два раза бо­льше получаемой при твердении теста на основе СБТЦ. При использовании СБТЦ можно через 1—4 ч получать прочность бето­на, достаточную для распалубки изделий, расход цемента снизить до 20%, значительно сократить энергозатраты на теплообработку изделий.

В технологический период при изготовлении СБТЦ в сырьевую смесь вводят галогеносодержащие вещества, например фторид каль­ция, увеличивают в смеси содержание алюминатов.

В ряду быстротвердеющих и сверхбыстротвердеющих цементов возможно по своим свойствам расположить еще особобыстротвердеющий цемент. Он является высокопрочным и в возрасте 1 сутки имеет предел прочности при сжатии 20—25 МПа. В нем 65—68% C₃S, C₃A до 8%. Его удельная поверхность — свыше 4000— 4500 см²/г.

Сульфатостойкий портландцемент получают при совместном тонком помоле клинкера специального состава (с малым содержа­нием алюминатов кальция) с гипсом до 8%. Он и его разновидности имеют строго установленный химический состав: трехкальциевого силиката C₃S — не более 50%, трехкальциевого алюмината C₃A — не более 5%, а сумма C₃A и C₄AF — не выше 22%, оксида магния не более 5%. Сульфатостойкий портландцемент имеет марку 400, не должен содержать минеральных добавок, если они снижают моро­зостойкость бетонов на основе этих вяжущих веществ. Разно­видности этого цемента: Сульфатостойкий портландцемент с мине­ральными добавками марок 400 и 500, Сульфатостойкий шлакопортландцемент марок 300 и 400 и пуццолановый портланд­цемент марок 300 и 400. Их применяют при строительстве подземных и подводных частей сооружений, подвергающихся сульфатной коррозии.

Обычный сульфатостойкий портландцемент применяют для из­готовления бетонов, работающих в условиях сульфатной среды, на­пример в морской воде, а также для бетонов повышенной морозо­стойкости.

Портпандцвменты с поверхностно-активными добавками. К ним относятся пластифицированный и гидрофобный.

Пластифицированный портландцемент — продукт тонкого измельчения портландцементного клинкера с двуводным гипсом (3—5%) и с добавлением при помоле около 0,25% сульфид­но-дрожжевой бражки (СДБ) или другой пластифицирующей добав­ки Эти добавки, адсорбируясь на поверхности частиц цемента, по­вышают смачиваемость цемента водой, не препятствуя их взаимодействию. Добавки уменьшают трение между зернами цемен­та, а в бетонных смесях — и между зернами заполнителя, вследствие чего повышают их подвижность, позволяют уменьшить расход це­мента в бетоне на 5—10%.

Гидрофобный портландцемент — продукт тонкого измельчения портландцементного клинкера с двуводным гипсом (3—5%) и с добавлением при помоле 0,1—0,2% гидрофобизирующих добавок — мылонафта, синтетических жирных кислот, асидола. Синтетические жирные кислоты, их соли (мыла) и другие частицы, адсорбируясь на поверхности зерен цемента, образуют тончайшие водоотталкивающие пленки, уменьшающие смачиваемость цемента водой. В результате гидрофобные цементы могут длительное время пребывать на воздухе с повышенной влажностью без потери своей активности.

При перемешивании бетонной смеси целостность гидрофобной пленки нарушается, после чего цемент беспрепятственно взаимодей­ствует с водой. Остающиеся добавки в теле бетона улучшают его ка­чество, например повышая морозостойкость, сопротивляемость аг­рессивной среде.

Пластифицированный и гидрофобный портландцементы приме­няют наравне с обычным портландцементом для бетонных и желе­зобетонных наземных, подземных и подводных конструкций, в том числе работающих в условиях циклического замораживания или увлажнения.

Белый и цветные портландцементы. Сырьем для заводского про­изводства белого портландцемента служат чистые известняки и белые глины. Сырьевую смесь обжигают на беззольном (газовом) опливе. Для повышения белизны клинкер обжигают в восстановительной среде и отбеливают путем быстрого охлаждения водой. Белый цемент должен содержать Fе₂О₃ не более 0,35—0,5%. При помоле особенно тщательно предохраняют цемент от попадания в него частиц железа или оксидов железа, которые нарушают его белизну. По степени белизны белый портландцемент делится на три сорта: цемент 1-го сорта имеет коэффициент отражения не ниже 80%; 2-го сорта — не ниже 75% и 3-го сорта — не ниже 68%. Степень белизны определяют фотометром типа ФМ-58. За эталон принимают серно­кислый барий BaSО₄: он имеет коэффициент отражения не менее 95%. Следует отметить, что коэффициент отражения портландце­мента обычного составляет 40%.

Цветные цементы получают путем совместного помола клинке­ра белого портландцемента со щелочестойкими и светостойкими пигментами. Пигментов добавляют не более 15% минеральных и не более 0,3% органических. Для получения цветных цементов желто­го, розового, красного, коричневого, зеленого, голубого и черного цветов используют пигменты природные (охру, железный сурик и др.) и искусственные (оксид хрома, мумию, оксид марганца — пиро­люзит).

По способу П.И. Боженова можно получать цветные клинкеры, добавляя к сырьевой смеси 0,05—0,1% соединений хрома, марганца, кобальта, никеля и др. При помоле таких клинкеров получают цвет­ные цементы с более интенсивной окраской.

Белый и цветные портландцементы выпускают марок М 400 и М 500. Их применяют для архитектурно-отделочных работ, облицо­вочного слоя панелей и блоков, скульптурных работ, цветных раз­делительных полос на автомагистралях и т. п.

Портландцемент дорожный получают совместным помолом портландцементного клинкера, в котором повышенное содержание C₃S, но ограниченное C₃A — до 8%, а также гипса — до 3,5% по SO₃. Пластифицирующих добавок при помоле добавляют не более 0,3%. Присутствие гранулированного доменного шлака допускается до 15% массы цемента. Выпускается этот цемент двух марок: 400 и 500. Начало схватывания не ранее 2 ч после затворения водой.

Дорожный портландцемент предназначен для устройства бетон­ных покрытий автомагистралей, придавая им повышенную морозо­стойкость, деформативность, прочность при изгибе и ударной на­грузке, а также низкие показатели истираемости и усадки.

Расширяющийся портландцемент (РПЦ) — гидравлическое вя­жущее вещество, получаемое в процессе тонкого измельчения смеси, состоящей из портландцементного клинкера (60%), глиноземистого клинкера или шлака (6%), доменного гранулированного шлака или другой активной минеральной добавки (25%) и гипса (9%). РПЦ ха­рактеризуется высокой плотностью, быстрым твердением при крат­ковременном пропаривании, водонепроницаемостью до 1,2 МПа и более, а также повышенной морозостойкостью цементного камня. Главным достоинством этого цемента служит способность цемент­ного теста в начальный период твердения переходить в цементный камень с линейным расширением 0,3—0,4% при постоянном увлаж­нении (в течение трех суток).

Применяют РПЦ, как и другие цементы с аналогичным качест­вом, при заделке в целях гидроизоляции швов тюбингов, раструб­ных труб, стыков и трещин в бетонных и железобетонных конструк­циях, в производстве сборных бетонных изделий с сокращением времени их тепловой обработки.

Алинитовый цемент — одна из новых разновидностей быстротвердеющих портландцементов. В качестве сырьевых материалов для его производства применяют смесь известняка, глинистого компо­нента и добавки раствора хлористого кальция. Для получения клин­кера сырьевую смесь обжигают при температуре 1050—1150°С вмес­то 1450—1500°С при получении клинкера портландцемента. Полученный клинкер измельчают совместно с добавкой двуводного гипса в количестве 2,5—3,5% массы цемента в расчете на SO₃. Допу­скается введение 10—30% активных минеральных добавок или 30—50% доменного гранулированного шлака.

В составе клинкера преобладают минералы — алинит (хлорсиликат кальция), являющийся основным, поскольку его содержится 60—80% по массе, а также хлоралюминат кальция.

Активность алинйтового цемента составляет 40—60 МПа. При производстве алинитового цемента обеспечивается по срав­нению с портландцементом более низкий (на 15—20%) расход топ­лива при обжиге сырьевой смеси. Но имеются и недостатки: бетоны, приготовленные на алинитовом цементе, имеют пониженную моро­зостойкость, а стальная арматура в железобетоне на основе такого цемента корродирует под влиянием ионов хлора. Отрицательные явления в значительной мере устраняются различными мероприя­тиями.

Механоактцвированный портландцемент начали выпускать на отдельных заводах по своеобразной технологии с целью улучшения его строительно-технических характеристик, а также увеличения его массы при сохранении исходной активности. В результате механо-химической активации повышается не только дисперсность матери­ала, но и реакционная способность, выражаемая в приросте гидравлической активности на 30—40 МПа. Последнее означает возмож­ную экономию до 70% цементного клинкера в связи с его заменой минеральными добавками, например горной кремнесодержащей породой, песком, золошлаковым отходом и др. Обычно реализуется одна из двух возможных технологических схем производства меха-ноактивированного портландцемента: по 1-му варианту --1т це­мента марки 500, добавка с получением после активации 1—4 т золошлаковых отходов, песка или другого минерального вещества с выходом на конечной операции 2—5 т вяжущего вещества марки 300—500 и возможного получения широкой номенклатуры сухих смесей для строительных и отделочных работ; по 2-му варианту — 1 т цемента марки 500 с добавкой механохимической обработки ве­щества, с получением 1 т цемента марки 700—800, и, соответствен­но, качественно новых технических свойств цемента в бетонах и рас­творах, в том числе при получении искусственного литого камня (фундаментного, тротуарного, декоративного и др.).

Глиноземистый цемент и его разновидности.К клинкеросодержа-щим гидравлическим вяжущим веществам, кроме портландцемента и его разновидностей, относится и глиноземистый цемент со своими разновидностями. Однако для его получения требуется клинкер иной, а не портландцементный. Этот цемент является быстротвердеющим вяжущим веществом, набирающим через сутки твердения прочность, которая составляет свыше 85% его марочной прочности. Он получается обжигом до плавления, и тогда сырьевая смесь в виде брикетов обжигается в электропечах или вагранках при температу­ре 1400—1500°С. Обжиг может быть до спекания, и тогда клинкер получают во вращающихся печах при температуре 1200—1300°С. За обжигом следует тонкий помол продукта обжига — сплава или клинкера. От других цементов глиноземистый отличается высоким, преобладающим содержанием в клинкере алюминатов кальция (nСаО∙mAl₂O₃).

К основным видам сырья для получения глиноземистого цемен­та относятся боксит Al₂O₃∙nH₂O и известняк. Но боксит — сравни­тельно редко встречающаяся горная порода и, к тому же, весьма, ценная для получения металлического алюминия. Поэтому исполь­зуют некоторые промышленные отходы, богатые глиноземом (Al₂O₃). В нашей стране разработан способ производства этого це­мента путем плавки в доменной печи бокситовой железной руды с добавлением известняка или извести и металлической стружки или лома. В такой домне кроме чугуна получают шлам температурой 1550—1600°С, который и является глиноземистым клинкером, по­ступающим на помол его в цемент.

Глиноземистый цемент представлен следующими оксидами ( %): Al₂O₃ — 55; СаО — 45; SiO₂ — 5—10; Fe₂O₃ — 5—15 (включая закись железа). Основным компонентом цемента является однокальциевый алюминат СА, который в дальнейшем при взаимодействии с водой характеризуется нормальным сроком схватывания (начало не менее 30 мин), высокой прочностью цементного камня в ранние сроки твердения. При повышенном содержании СаО возникает при обжиге C₅A₃ или C₁₂A₇, а при пониженном — СА₂. Чтобы не было уменьшения интенсивности нарастания прочности, стремятся огра­ничить содержание C₂S, поэтому должен быть минимальный предел содержания кремнезема в сырье. Не приносят пользу в сырье окси­ды и закиси железа, скорее — наоборот. Вовсе нежелательно при­сутствие МgО и TiO₂, так как, отнимая часть оксида алюминия и оксида кальция, они дают негидратирующиеся, т. е. балластные, соединения. По некоторым данным, до 3—5% СаО∙TiO₂ влияет на систему положительно.

Помол клинкера производят до очень высокой дисперсности це­мента: больше 90% должно проходить сквозь сито № 008 с сеткой 5476 отв/см². Однако размалывается в порошок он труднее портлан-дцементного клинкера, с большим расходом электроэнергии на ра­боту мельницы.

Глиноземистый цемент выпускают трех марок: 400, 500 и 600, определенных в трехсуточном возрасте, но уже через одни сутки образцы набирают прочность при сжатии, соответственно, не менее 23, 28 и 33 МПа. Твердение цементного теста (и в изделиях) со­провождается выделением значительного количества теплоты (250—370 кДж/кг). Это хорошо при зимнем бетонировании, но в массивных сооружениях, особенно при работах в летнее время, мо­гут возникать местные перегревы и неравномерное деформирова­ние. Изделия на основе глиноземистого цемента при твердении не­льзя нагревать (например, пропаривать), так как с повышением температуры бетона его прочность быстро падает (в 2—3 раза) в связи с образованием в цементном камне малопрочных соедине­ний — так называемого кубического трехкальциевого гидроалюми­ната 3СаО∙Al₂O₃∙H₂O (C₃AH₆). Для устранения этого явления, по предложению П.П. Будникова, при помоле клинкера в мельницу до­бавляют природный или обожженный ангидрит CaSO₄. Получаемый ангидрито-глиноземистый цемент быстро твердеет не только при нормальной температуре (15—20°С), но и при повышенной (30—40°С и выше), приобретая высокую прочность. Его целесооб­разно использовать при всех срочных строительных работах, осо­бенно, если отвердевание конструкций происходит при повышен­ных температурах. При температурах же до 25—30°С весьма эффективен глиноземистый цемент, обеспечивается высокая проч­ность железобетонных изделий в начальные сроки твердения, повы­шенная морозостойкость, высокая коррозионная стойкость при воздействии сульфатных сред, морской воды. На основе глиноземи­стого цемента изготовляется расширяющийся водонепроницаемый цемент, жаростойкие растворы и бетоны. Однако следует отметить, что в связи с заметным истощением запасов высокосортных бокси­тов качество глиноземистого цемента нередко заметно снижается, в частности, за счет повышенного содержания в них SiO₂ и других микропримесей с возможным образованием геленита. В последние годы появились работы, направленные на получение так называе­мого модифицированного глиноземистого цемента. Для его изго­товления используют бокситы, загрязненные примесями, но в сырь­евые смеси вводят полезные добавки, повышающие содержание химических новообразований. В результате новые модифицирован­ные смеси оказались более благоприятными для поддержания улучшенного качества. В небольших размерах применяют добавки с гарантией высокого качества готовой продукции (из работ С.И. Иващенко).

Расширяющийся водонепроницаемый цемент получают способом тщательного перемешивания (или совместного помола) глиноземи­стого цемента (около 70%), гипса (около 20%) и молотого высокоос­новного гидроалюмината кальция (примерно 10%). Он является бы-стросхватывающимся и быстротвердеющим гидравлическим вяжущим веществом. Важный его компонент — высокоосновный гидроалюминат кальция — изготовляют отдельно путем совместно­го помола смеси глиноземистого цемента и извести-пушонки, взя­тых в равных отношениях. Полученную смесь обрабатывают в гип-соварочном котле и высушивают. Готовый продукт C₄AH₁₃ — требуемый компонент (10—11%) данного цемента.

Линейное расширение твердеющего цемента в состоянии теста нормальной густоты при воздушном хранении образцов составляет в возрасте 1 суток не менее 0,05%, в возрасте 28 суток — не менее 0,02%; то же при погружении образцов в воду: через 1 ч в возрасте 1 суток не менее 0,2%. Предел прочности при сжатии кубиков разме­ром 20x20x20 мм цементного теста нормальной густоты через 3 су­ток — не менее 30, через 28 суток — не менее 50 МПа. Начало схватывания — не ранее 4 мин, конец — не позднее 15 мин от начала затворения теста. Эти сроки можно замедлять добавкой ССБ, буры и др. Данный цемент используют при восстановлении железобетонных конструкций, для гидроизоляции подземных сооружений, заделки трещин разного рода, зачеканки стыков водопроводных труб и т. п.

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент (ГГРЦ) — гидрав­лическое быстротвердеющее вещество, получаемое совместным по­молом высокоглиноземистого шлака с двуводным сернокислым ка­льцием (не более 30%). Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент имеет начало схватывания не ранее 20 мин и конец схватыва­ния не позднее 4 ч от начала затворения, что выгодно отличает его от водонепроницаемого расширяющегося цемента. При необходи­мости могут использоваться замедлители сроков схватывания — ССБ, бура, уксусная кислота и другие добавки. Линейное расшире­ние твердеющего цемента в состоянии теста нормальной густоты со­ставляет при водно-воздушном твердении не менее 0,1%, а при во­дном твердении — не менее 0,15% через одни сутки. Без влажности, т. е. на воздухе, этот цемент не расширяется и даже дает усадку. Предел прочности при сжатии через 1 сутки 35 МПа для марки 400 и 45 МПа для марки 500. Указанные марки соответствуют трехднев­ному возрасту этого цемента. Деформативная способность ГГРЦ несколько выше, чем у глиноземистого цемента. Он предназначен для получения безусадочных и расширяющихся водонепроницае­мых бетонов, гидроизоляционных штукатурных растворов, для за­делки стыков сборных бетонных и железобетонных конструкций, при бурении скважин и т. п. Обладает морозостойкостью, атмосфероустойчивостью в растворах и бетонах, изготовляемых на его основе; нельзя применять его при работе конструкций при темпера­турах выше 80°С, так как постепенно разрушается важный кристал­лический компонент цементного камня — эттрингит, содержащий в себе много кристаллизационной воды.

Напрягающий цемент (НЦ) — быстросхватывающееся, быстротвердеющее, расширяющееся вяжущее вещество, получаемое тщате­льным смешением в определенной дозировке при совместном помо­ле силикатного, алюминатного и сульфатного компонентов. Силикатным компонентом (65—75%) служит портландцемент или его клинкер; алюминатным (18—20%) — глиноземистый цемент или его клинкер, в качестве которого может быть и глиноземистый шлак; сульфатным компонентом (6—15%), в пересчете на 8Оз, явля­ется строительный гипс или природный гипсовый камень.

Начало схватывания должно быть не ранее 2 мин и конец схва­тывания не ранее 6 мин. При использовании в качестве сульфатного компонента природного гипсового камня начало схватывания НЦ наступает не ранее 8 мин и конец — не менее 15 мин. С помощью до­бавок можно замедлить сроки схватывания. Удельная поверхность НЦ — не менее 3500 см²/г.

НЦ обладает способностью к значительному расширению (до 4%) при твердении в состоянии цементного теста нормальной густоты. В железобетоне НЦ создает после отвердевания в арматуре (независимо от ее расположения) предварительное напряжение. Этим свойством как функцией химической энергии цемента пользу­ются при изготовлении предварительно напряженных железобетон­ных конструкций вместо более сложного механического или терми­ческого напряжения арматуры. С учетом величины достигаемой энергии самонапряжения, т. е. удельного давления в МПа, развивае­мого при твердении НЦ в условиях ограничения свободного расши­рения, выделяют его разновидности НЦ-2, НЦ-4 и НЦ-6. Напрягаю­щий цемент отличается также повышенными показателями водо- и газонепроницаемости, морозостойкости, прочности при растяжении и изгибе. Марки цемента — 400 и 500; определяются испытанием образцов-балочек из цементно-песчаного раствора 1:1 в возрасте 28 суток.

Напрягающий цемент применяют для изготовления конструк­ций из самонапряженного железобетона, а также для гидроизоляции шахт, подвалов, зачеканки швов, в спортивных сооружениях, под­земных гаражах, полах общественных и производственных зданий и других объектах.