Разновидности портландцемента

С целью придания бездобавочному портландцементу специальных свойств, расширяя тем самым его применение в строительстве, изменяют степень измельчения, корректируют используемое сырье, вводят специальные добавки. Наибольший объем производства приходится на портландцементы с активными минеральными добавками. К ним относятся: рядовой портландцемент, шлакопортландцемент (ШПЦ) и пуццолановый портландцемент (ППЦ).Все эти цементы получены тонким измельчением портландцементного клинкера, состоящего из высокоосновных силикатов, алюминатов и алюмоферритов кальция, гипса и гидравлических минеральных добавок. Последние представляют собой тонкоизмельченные природные или искусственные материалы, участвующие в реакциях гидратации портландцемента с образованием продуктов взаимодействия, придающих определенные свойства цементному камню. К природным добавкам относятся такие осадочные породы, как опока, диатомит, трепел, содержащие от 70 до 90% кремнезема (SiO₂), а также вулканические пеплы, туфы и пемзы, состоящие на 90% из кремнезема (SiO₂) и глинозема (Al₂O₃). Эти добавки называются пуццолановыми.

Топливные шлаки, образующиеся при сгорании твердых видов топлива, и доменные металлургические и электротермофосфорные шлаки представляют собой слабо закристаллизованные стекловидные отходы. Они составляют основной объем искусственных минеральных добавок. Шлаки обладают значительно большей химической активностью, особенно при повышенных температурах, вследствие наличия в них кремнезема, глинозема и свободного оксида кальция. Чем выше содержание этих соединений, тем большей гидравлической активностью обладает шлак.

При введении гидравлических добавок в количестве от 5 до 20% получают рядовой портландцемент с активными минеральными добавками (ПЦ). Наличие добавок в цементе несколько снижает его стоимость, повышает водостойкость при фильтрации воды. Этот вид цемента, который имеет марки 400, 500, 550 и 600 является самым распространенным для изготовления сборных железобетонных изделий и конструкций на заводе, монолитных сооружений, возводимых на строительной площадке, а также при штукатурных и кладочных работах.

При увеличении процентного ввода пуццолановых добавок вулканического происхождения (пепел, туф) или топливных зол с 25 до 40% и добавок осадочного происхождения (диатомит, трепел, опока) от 20 до 30% портландцемент получает название пуццолановый (ППЦ). Вследствие частичной замены активного составляющего – клинкера на гидравлическую добавку, химическая активность которой значительно ниже, пуццолановый портландцемент обладает меньшей интенсивностью твердения, особенно в первые сутки, пониженными тепловыделением, морозостойкостью и воздухостойкостью. Наряду с отрицательными особенностями, этот вид портландцемента имеет и свои положительные свойства, главными из которых являются повышенная водостойкость при фильтрации воды
(1-й вид коррозии) и солестойкость при действии сульфатосодержащих агрессивных сред (3-й вид коррозии). Это можно объяснить тем, что интенсивность разрушения при 1-м и 3-м видах коррозии в основном определяется наличием в цементном камне свободного гидроксида кальция, образованного в результате гидратации трехкальциевого силиката.

Связывание этого химически активного составляющего вводимой минеральной добавкой, перевод его в прочное гидратное соединение и обеспечивает повышенную стойкость цементного камня. Основные рабочие марки этого вида цемента 300 и 400. Анализ свойств гидравлического вяжущего показывает, что рациональной областью его применения является подводное и подземное бетонирование с относительно постоянным температурно-влажностным режимом эксплуатации.

Введением при помоле клинкера добавки гранулированного доменного шлака в количестве свыше 20% получают шлакопортландцемент (ШПЦ)ГОСТ 10178-85,с изм. Этот вид цемента, как и пуццолановый, обладает повышенной водо- и сульфатостойкостью вследствие аналогичного действия добавки, пониженной интенсивностью твердения в первые сутки, уменьшенным тепловыделением, но специфика состава шлака предопределяет и отличительные свойства. Так, шлакопортландцемент вследствие повышенной химической активности шлака при увеличении температуры предпочтительнее применять в производстве сборного железобетона, подвергаемого термовлажностной обработке для ускорения набора прочности. Высокая термостойкость шлака позволила использовать этот вид минерального вяжущего при производстве жаростойких бетонов, эксплуатируемых при температуре до 700°С. Выпускаемые марки 300, 400, 500. Область применения шлакопортландцемента: бетонные, железобетонные сооружения и конструкции, к которым не предъявляют повышенных требований по морозостойкости. Предпочтительное использование – подводная зона гидротехнических сооружений (дамбы, мосты, молы, плотины), сборные бетонные и железобетонные конструкции, жаростойкие бетоны.

Условное обозначение цемента состоит из наименования вида цемента, его марки и количества вводимой добавки. Например, ПЦ400-Д20 – ГОСТ 10178-85.

С целью экономии дорогостоящего энергоемкого клинкера при производстве строительных растворов, низкомарочных бетонов (марок М 150 и ниже), к которым не предъявляют требований по морозостойкости, используют так называемые кладочные или наполненные цементы.Этот вид гидравлических вяжущих получают совместным помолом клинкера (не менее 20%), гипса, активных минеральных добавок и наполнителей: кварцевого песка, известняка, доломита в количестве до 30%. Активность цементов в 2-3 раза меньше, чем у рядового портландцемента (не ниже
200 кгс/см²), однако эти цементы не дают усадочных деформаций при твердении, что очень важно при оштукатуривании поверхности.

Следующую группу составляют портландцементы с поверхностно-активными органическими добавками. Основной принцип действия добавок этого класса заключается в их адсорбции на поверхности цементных зерен и продуктах гидратации цемента. По своему составу и эффекту действия добавки подразделяют на гидрофильные, улучшающие смачиваемость водой цементных зерен, и гидрофобные, придающие поверхности цемента свойство водоотталкивания. Применение добавок первого типа (СДБ, СПС) в количестве 0,15 – 0,3% от массы цемента приводит к разъединению (диспергированию) цементных частиц, покрытых тонкой водной оболочкой, что обеспечивает повышенную пластичность цементного теста без увеличения расхода воды. Такой портландцемент называют пластифицированным (ПЛ).Пластифицированный портландцемент применяют или для повышения пластичности смеси и облегчения формовки изделий, или (при снижении расхода воды и сохранении заданной пластичности) повышения плотности, прочности и морозостойкости цементного камня.
К поверхностно-активным органическим добавкам относятся также получившие широкое мировое признание суперпластификаторы. Это чаще всего искусственно полученные вещества (С-3), хотя в ряде случаев они могут быть изготовлены и путем химической переработки промышленных отходов химических производств. Например, путем сульфирования отходов нефтепереработки – тяжелых смол пиролиза (СНПИ). Вследствие вещественной и структурной особенностей этих органических соединений пластифицирующий эффект их по отношению к минеральным вяжущим, в частности цементу, проявляется в значительно большей степени. Путем введения суперпластификаторов в мельницы при помоле клинкера получают вяжущее низкой водопотребности (ВНВ), обеспечивающее формуемость смеси при сокращении расхода воды до 20%. По вещественному составу ВНВ подразделяют на бездобавочные чистоклинкерные, с вводом при помоле гипса, и с минеральными добавками. Ввод суперпластификаторов в шаровые мельницы сокращает время помола смеси в два раза, значительно снижая энергозатраты. Полученный цемент обладает повышенной активностью, позволяющей в первые сутки твердения набрать прочность, в три раза превышающую прочность аналогичного цемента без добавок. В зависимости от содержания клинкера выпускают ВНВ-100 – чистоклинкерный, ВНВ-50 и ВНВ-30 с 50 и 30% клинкера соответственно. Применение ВНВ-100 позволяет отказаться от ТВО, т.к. требуемая отпускная нормативная прочность, составляющая для сборного железобетона 22,6 МПа, достигается за 8 часов твердения в естественных условиях. Его используют также для получения высокомарочного бетона класса В45 и выше.

Значительное сокращение воды затворения при сохранении заданной пластичности цементного теста (бетона) обеспечивает формирование мелкопористой структуры с преобладанием пор размером 0,1 –
0,01 мкм, в которых вода замерзает при температуре минус 20 – 40^оС, что создает условия для твердения цемента на морозе. ВНВ-50 эффективен для снижения температуры и времени ТВО при получении сборного железобетона класса до В45 и зимнего бетонирования с температурой наружного воздуха до минус 10^оС.

Применение добавок второго типа – гидрофобных (0,1 – 0,2%), наоборот, способствует объединению (флокуляции) цементных зерен
в крупные агрегаты, а образованная водоотталкивающая пленка обеспечивает повышенное воздухововлечение при перемешивании смеси. Таким образом получают гидрофобный портландцемент (ГФ).Добавки (мылонафт, асидол), которые вводят при помоле клинкера, не только придают специальные свойства цементу, но и облегчают процесс помола, снижая тем самым энергозатраты. Гидрофобный портландцемент сохраняет свою активность при длительных перевозках и хранении, его применение повышает водостойкость и морозостойкость изделий. Определить этот вид цемента можно нанесением на поверхность капли воды, которая не должна впитываться в течение 5 мин. Условное обозначение цементов дополнительно включает в зависимости от класса добавки буквы ПЛ – пластифицированный или ГФ – гидрофобный. Например, ПЦ400-Д15-ПЛ(ГФ) ГОСТ 10178-85.

С целью ускорения набора прочности при строительстве в естественных условиях, особенно при низких положительных температурах, когда процесс взаимодействия цемента с водой резко затормаживается, а также для снижения энергозатрат и ускорения оборачиваемости форм при получении сборных железобетонных изделий применяют бездобавочный (клинкерный) и быстротвердеющие (Б) портландцементы. Из рассмотренного ранее известно, что одним из способов ускорения твердения минеральных вяжущих является увеличение тонкости его помола и целенаправленный подбор минералогического состава. Именно это и использовано при получении высокоактивных минеральных вяжущих.

Минералогический состав быстротвердеющих цементов отличается повышенным содержанием минералов С₃S и С₃А, обеспечивающих начальный рост прочности в системе портландцемент – вода. Так как реакция гидратации этих минералов происходит с большим выделением тепла, то следовательно и цементы обладают повышенной экзотермией. Наблюдаемый эффект используют при зимнем бетонировании, но в то же самое время он ограничивает применение этих цементов при возведении массивных бетонных конструкций, т.к. неравномерный разогрев бетона с поверхности и в объеме дает резкий перепад температур, приводящий к перенапряжению и, как следствие, к появлению трещин. Повышенное содержание СзS и СзА наряду с положительным эффектом ускорения набора прочности (60 – 70% от марочной в трехсуточном возрасте) несет на себе и такой отрицательный, как снижение сульфатостойкости цементного камня, т.к. продукты гидратации именно этих минералов участвуют во взаимодействии с сульфатными растворами, образуя крупнокристаллические соединения, вызывающие разрушение искусственного камня. Рассматриваемые цементы нашли применение при получении сборных высокопрочных преднапряженных и монолитных тонкостенных железобетонных конструкций.

Наличие в грунтовых водах, морской воде, технологических растворах и промышленных стоках большого содержания сульфатов предопределило создание специального вида портландцемента – сульфатостойкого.Так как основными инициаторами сульфатного разрушения цементного камня являются продукты гидратации трехкальциевого силиката – гидроксид кальция и трехкальциевого алюмината – гидроалюминаты кальция, то, следовательно, за счет снижения содержания этих минералов можно получить сульфатостойкий портландцемент. Минералогический состав сульфатостойкого бездобавочного портландцемента отличается ограниченным содержанием С₃А до 5%, C₃S до 50% и С₃А + C₄AF до 20%. К сульфатостойким цементам согласно ГОСТ 22266-94 относятся также сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками (до 20% шлака или до 10% горных пород осадочного происхождения), сульфатостойкий шлакопортландцемент с содержанием С₃А в клинкере не более 5% и пуццолановый портландцемент. Основное применение этих вяжущих – изготовление монолитных и сборных изделий и конструкций, условия эксплуатации которых связаны с действием сульфатосодержащих сред (фундаменты, гидротехнические сооружения и др.).

Последняя группа цементов относится к декоративным минеральным вяжущим и включает белые и цветные портландцементы.Всем привычный темно-серый цвет обусловлен наличием в портландцементе соединений железа, марганца и хрома, которые содержатся в исходном сырье, следовательно, чтобы получить белый портландцемент, необходимо предъявить жесткие требования к чистоте используемого сырья – известняку и глине. Сырьем для производства белого портландцемента служат светлоокрашенные карбонатные породы: доломит, мел и чистые белые каолиновые глины. При помоле полученного клинкера вводят гипс и активные минеральные добавки осадочного происхождения светлых тонов. По вещественному составу цементы подразделяют на бездобавочный белый портландцемент (БПЦ) и с добавками (активными минеральными наполнителями не более 20%). В зависимости от степени белизны, оцениваемой коэффициентом отражения света в процентах, выпускают цементы первого (80%), второго (75%) и третьего (70%) сорта.

Пример условного обозначения: портландцемент белый 2-400-Д20 –ГОСТ 965-89. Цифра 2 показывает, что цемент по степени белизны относится ко второму сорту.

Для получения цветных цементов (ГОСТ 15825-80) в исходную сырьевую массу или в мельницу при помоле белого клинкера вводят неорганические щелоче- и светостойкие добавки, например, оксид хрома – зеленый цвет, оксиды железа – красный, желтый и коричневый, соединения кобальта – голубой. Декоративные цементы выпускают следующих марок: 400, 500. Они несколько медленнее твердеют, имеют меньшую коррозионную стойкость и морозостойкость, а также большую усадку при твердении. Применяют декоративные виды портландцементов для отделки стеновых панелей, при изготовлении лестничных ступеней и мозаичных бетонных полов, плит, имитирующих горные породы.

К разновидностям портландцемента относятся также безусадочный (ПЦ-400-БУС СТБ 942-93), полученный помолом портландцементного клинкера, гипса и добавок, регулирующих объемные деформации (глиноземистые шлаки). Цемент используют для гидроизоляционных работ, изготовления воднепроницаемых бетонов и растворов.

Тампонажные портландцементы применяют для цементирования холодных (до 22^оС) и горячих (до 75^оС) нефтяных и газовых скважин. Для придания специфических свойств (замедленное схватывание, соле-стойкость, повышенная плотность) в их состав вводят минеральные добавки (шлак, кварцевый песок, известняк) в количестве от 10 до 70%.