Общестроительные портландцементы

Свойства портландцемента. К основным свойствам портландцемента относятся истинная и насыпная плотности, тонкость помола, водопотребность, сроки схватывания, равномерность изменения объема, прочность, тепловыделение, удельная эффективная активность естественных радионуклидов.

Истинная плотность портландцемента составляет 3,1–3,2 г/см³. Более экономичные цементы с пониженной плотностью. Они дают больший выход цементного теста.

Насыпная плотность в рыхлонасыпном состоянии равна 900–1100 кг/м³, в уплотненном – 1400–1700 кг/м³. Чем тоньше измельчен цемент, тем он имеет меньшую насыпную плотность. При расчете вместимости складов насыпную плотность принимают 1200 кг/м³.

Тонкость помола характеризует степень измельчения цемента. Она определяется ситовым анализом. При просеивании пробы цемента через сито с сеткой 4900 отв/см² должно проходить не менее 85 % массы просеянной пробы. Тонкость помола оценивается также удельной поверхностью, т.е. площадью всех зерен, содержащихся в 1 грамме цемента. Она составляет у большинства цементов 2500–3000 см²/г и только у быстротвердеющих и высокопрочных 3500–4500 см²/г. Чем тоньше помолот цемент, тем выше его активность. Условно считается, что повышение удельной поверхности цемента на 1000 см²/г увеличивает его активность на 20–25 %. Однако измельчение цемента более 6000 см²/г не целесообразно. Уменьшается морозостойкость цементного камня и может произойти снижение прочности из-за перекристаллизации гидратных новообразований.

Водопотребность портландцемента характеризуется водоцементным отношением (отношением массы воды к массе цемента), при котором достигается нормированная подвижность стандартного цементно-песчаного раствора, состоящего из цемента, песка и воды. Испытание выполняется по методике определения консистенции растворной смеси при помощи встряхивающего столика и формы – конуса при определении прочности цемента, которая должна составлять 106–115 мм.

Водопотребность портландцемента можно оценить по нормальной густоте цементного теста, при которой достигается нормированная консистенция цементного теста. Она характеризуется водоцементным отношением и в процентах составляет обычно 24–28 %.

Водопотребность портландцемента зависит от минералогического состава клинкера, тонкости помола, минеральных и химических добавок. Она выше у цементов с более высоким содержанием минерала С₃A и меньше у цементов с повышенным содержанием минерала C₂S. Более тонко помолотый цемент имеет более высокую водопотребность. При введении активных минеральных добавок осадочного происхождения диатомита, трепела, опоки водопотребность цемента становится больше, при введении пластифицирующих добавок С-3, ЛСТ, ЛСТМ и др. – понижается. Цементы с меньшей водопотребностью образуют более плотный цементный камень. Уменьшается расход цемента на 1 м³ бетона. Их качество более высокое.

Схватыванием называют необратимую потерю подвижности цементным тестом в результате гидратации. Смесь цемента с водой загустевает и ее переработка затрудняется и становится даже невозможной.

Сроки схватывания характеризуются началом и концом схватывания. Они определяются на приборе Вика путем погружения иглы в тесто нормальной густоты. За начало схватывания принимают время от начала затворения цемента водой до момента, когда игла прибора не дойдет до дна пластинки на 2–4 мм. За конец схватывания принимается время от начала затворения до момента, когда игла опуститься в тесто на 1–2 мм.

Начало схватывания портландцемента должно наступать не ранее 45 мин, конец – не позже 10 ч. Этого времени достаточно, чтобы приготовить, транспортировать и уложить в конструкцию бетонные и растворные смеси.

На скорость схватывания портландцемента влияют минералогический состав клинкера, добавка двуводного гипса, химические добавки, степень обжига клинкера, водоцементное отношение, температура окружающей среды, время хранения на складах. Ускоряет схватывание минерал С₃А. Для замедления сроков схватывания к клинкеру при помоле добавляют двуводный гипс от 1.0 до 4.0 % в пересчете на SO₃. Образуется гидросульфоалюминат кальция (3CaO · Al₂O₃ · 3CaSO₄ · (31-32)H₂O), который обволакивает зерна цемента тонкой пленкой и препятствует реакциям гидратации. Замедляют схватывание добавки Na₃PO₄, Na₂B₄O₇, уксуснокислый кальций, сахар, ЛСТ. Ускоряют схватыванёие CaCl₂, Ca(NO₃)₂, Na₂SO₄, Na₂O · n SiO₂.

Сильнообожженный клинкер схватывается медленней, а слабообожженный – быстрее по сравнению с нормальнообожженным.

При помоле клинкера с гипсом смесь может нагреться до температуры 140–160 ^оС, при которой образуется полуводный гипс, который быстро схватывается. Возникает ложное схватывания цемента. Бетонные и растворные смеси на таких цементах не жизнеспособны. При изготовлении цемента это явление устраняют охлаждением клинкера перед помолом, охлаждением мельницы в процессе помола. При приготовлении бетонных и растворных смесей после схватывания их интенсивно перемешивают с небольшим количеством дополнительно введенной воды.

Более быстро схватываются тонкомолотые цементы. С увеличением В/Ц скорость схватывания замедляется, с уменьшением – ускоряется. С повышением температуры схватывание происходит быстрее, с понижением – замедляется.

При хранении на цементы воздействуют пары воды и углекислый газ. На поверхности зерен образуются пленки гидратных веществ и карбоната кальция, которые препятствуют гидратации и замедляют сроки его схватывания.

Равномерное изменение объема – свойство цемента при твердении образовывать цементный камень, деформация которого не превышает допустимых значений. Она определяется кипячением в воде, а при содержании МgO более 5 % – пропариванием в автоклаве образцов из цементного теста. Отсутствие на образцах радиальных, доходящих до краев трещин и искривлений, свидетельствует о равномерности изменения объема.

Неравномерность изменения объема цемента уменьшает прочность бетона и может привести к его разрушению. Она вызывается гидратацией СаО_своб при содержании более 1,5–2,0 %, MgO_своб в виде периклаза – более 5 %, при избыточном введении гипса. Это происходит из-за нарушения технологии производства и состава сырьевой смеси.

Гидратация СаО_своб и MgO_своб начинается после гидратации основных клинкерных минералов и идет медленно с увеличением объема продуктов гидратации, которые вызывают растягивающие усилия в цементном камне.

При большом содержании в клинкере С₃А и избыточном введении гипса происходит образование повышенного количества гидросульфоалюмината, который тоже может вызвать неравномерность изменения объема.

Цементы, содержащие щелочные оксиды Na₂O и K₂O более 0,5–0,6 % на заполнителях с реакционноспособным кремнеземом (опал, халцедон и др.) при химическом взаимодействии образуют водные щелочные силикаты, которые вызывают набухание бетона и могут его разрушить.

Согласно ГОСТ 10178–85 общестроительные портландцементы подразделяют на марки 300, 400, 500, 550 и 600. Они устанавливаются по активности – фактическому пределу прочности стандартных образцов -- балочек в 28-суточном возрасте на изгиб и сжатие, которые должны быть не менее значений, приведенных в таблице 3.2.

 

Таблица 3.2 – Марочная прочность общестроительных портландцементов

 

Обозначение портландцемента	Марка	Предел прочности, МПа (кгс/см2)
при изгибе в возрасте, сут	при сжатии в возрасте, сут
ПЦ-Д0, ПЦ-Д5, ПЦ-Д20, ШПЦ		— — — — —	4,4(45) 5,4(55) 5,9(60) 6,1(62) 6,4(65)	— — — — —	29,4(300) 39,2(400) 49,0(500) 53,9(550) 58,8(600)
ПЦ-Д20-Б		3,9(40) 4,4(45)	5,4(55) 5,9(60)	24,5(250) 27,5(280)	39,2(400) 49,0(500)
ШПЦ-Б		3,4(35)	5,4(55)	21,5(220)	39,4(400)

 

Нарастание прочности для большинства цементов происходит по лагоритмической зависимости. Через трое суток она составляет 35, через 7 суток – 65, через 90 суток – 125, через 1 год – 150 % от марочной прочности. Твердение цемента продолжается годы и может превысить марочную в 2–3 раза.

На прочность портландцемента оказывает влияние минералогический состав портландцементного клинкера. Портландцементы с повышенным содержанием минерала С₃S имеют наибольшую конечную прочность. Меньшая прочность – у портландцементов с высоким содержанием в клинкере минерала С₂S.

Активность портландцемента в раннем возрасте зависит от тонкости его помола. Размер зерен портландцемента составляет от 15 до 40 мкм. Глубина гидратации их через 6–12 мес. не превышает 10–15 мкм. Таким образом, до 20 % цемента не участвует в гидратации. Повышение тонкости помола с 3 до 4–4,5 тыс см²/г увеличивает активность на 15–20 %.

Существенно влияет на активность цемента продолжительность хранения. Через 3 месяца хранения она снижается на 15–20 %, через 6 месяцев – на 20–30 %. Еще быстрее теряют активность тонкоизмельченные портландцементы. Это происходит в результате образования на поверхности зерен гидратных соединений и карбоната кальция.

Введение в портландцемент гидрофобных добавок повышает их устойчивость при хранении.

Медленней теряют активность портландцементы в мешках, обернутых термоусадочной полиэтиленовой пленкой.

Температура среды оказывает большое влияние на скорость твердения портландцемента. Повышение ее при достаточной влажности ускоряет интенсивность реакций между клинкерными минералами и водой. Наиболее быстро набирает прочность цементный камень при температуре 175–200 ^оС и выше и давлении 0,8–1,6 МПа в автоклаве.

На заводах сборного железобетона для ускорения твердения бетона применяют тепловую обработку изделий. Их чаще всего пропаривают в среде насыщенного водяного пара при температуре 60–85 ^оС.

Эффективность цементов при пропаривании определяется при испытании образцов, пропаренных при температуре 80 ^оС. Рост прочности зависит от минералогического состава клинкера и вещественного состава портландцемента.

По эффективности пропаривания портландцементы подразделяются на группы со значениями, приведенными в таблице 3.3.

 

Таблица 3.3 – Распределение цементов по эффективности пропаривания

 

Группы по эффективности пропаривания	Вид цента	Предел прочности при сжатии после пропаривания, МПа(кгс/см2), для цемента марок	Коэффи- циент расхода цемента
			550-600
	ПЦ   ШПЦ	Более 23 (230) Более 21 (210)	Более 27 (270) Более 25 (250)	Более 32 (320) Более 30 (300)	Более 38 (380)	0,93
	ПЦ   ШПЦ	От 20 до 23 (от 200 до 230) От 18 до 21 (От 180 до 210)	От 24 до 27 (От 240 до 270) От 22 до 25 (От 220 до 250)	От 28 до 32 (От 280 до 320) От 26 до 30 (От 260 до 300)	От 33 до 38 (От 330 до 380)	1,0
	ПЦ   ШПЦ	Менее 20 (200) Менее 18 (180)	Менее 24 (240) Менее 22 (220)	Менее 28 (280) Менее 24 (240)	Менее 33 (330)	1,07

 

При температуре от 0 до 8 ^оС твердение портландцемента замедляется, а ниже 0^оС, при замерзании воды, вообще прекращается.

Применение добавок солей – нитрита натрия NaNO₂, поташа KCO₃ и др., понижающих температуру замерзания воды, обеспечивает твердение цемента в растворах и бетонах при отрицательных температурах.

Добавки хлорида кальция CaCl₂, сульфата натрия Na₂SO₄ и др. применяются как ускорители твердения при обычных температурах.

Тепловыделение цемента является результатом экзотермических реакций между клинкерными минералами и водой. Оно зависит от минералогического состава клинкера, тонкости помола, вещественного состава цемента и составляет: через 3 суток – 113–376, 7 суток – 130–418, 28 суток – 176–553, и через три месяца – 192–570 Дж/г цемента. Наибольшее количество тепла выделяют цементы с повышенным содержанием в клинкере минералов С₃S и C₃A, меньшее при более высоком количестве C₂S и C₄AF. Тепловыделение имеет большое практическое значение. При бетонировании массивных конструкций рекомендуются цементы с меньшим тепловыделением. Бетонирование зимой требует применения цементов с высоким тепловыделением.

Удельная эффективность естественных радионуклидов (Аэфф) не должна превышать 370 Бк/кг.

Портландцемент (без минеральных добавок) – гидравлическое вяжущее вещество, получаемое помолом клинкера и двуводного гипса. Гипса вводится от 1,0 до 4,0 % в пересчете на ангидрид серной кислоты (SO₃).

Выпускают его марок 400, 500, 550 и 600 (ПЦ 400-ДО, ПЦ 500-ДО, ПЦ 550-ДО, ПЦ 600-ДО) со значениями пределов прочности на изгиб и сжатие, приведенными в таблице 3.2.

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

Для бетона железобетонных шпал, мостовых конструкций, стоек контактной сети железнодорожных путей и освещения, опор высоковольтных линий, бетона дорожных и аэродромных покрытий, напорных и безнапорных труб, гидротехнических сооружений зоны переменного уровня воды следует применять портландцемент нормированного минералогического состава с содержанием в клинкере трехкальциевого алюмината (С₃А) не более 8 % без минеральных добавок марок 400 и 500 (ПЦ 400-ДО-Н, ПЦ 500-ДО-Н).

Начало схватывания портландцемента для дорожных и аэродромных покрытий должно наступать не ранее 2 ч, для труб – не ранее 2 ч 15 мин.

Портландцемент с добавками (с активными минеральными добавками не более 20 %) получают помолом клинкера, двуводного гипса и активных минеральных добавок. Добавок разрешается вводить до 20 %. Количество и виды добавок приведены в таблице 3.4.

 

 

Таблица 3.4 – Содержание и виды активных минеральных добавок

 

Обозначение цемента	Содержание добавки, %, по массе
всего	в том числе
доменные гранулированные и электротермофосфорные шлаки	осадочного происхождения, кроме глиежа	прочие активные, включая глиеж
ПЦ-Д5 ПЦ-Д20, ПЦ-Д20-Б	До 5 Св. 5 до 20	До 5 До 20	До 5 До 10	До 5 До 20

 

До 5 % активных минеральных добавок от массы цемента можно заменять добавками, ускоряющими твердение или повышающими прочность цемента без ухудшения его строительно-технических свойств: крентами, обожженными алунитами и каолинами, сульфоалюминатными и сульфоферритными продуктами.

Выпускают его марок 400, 500, 550 и 600, допускается марка 300 со значениями пределов прочности на изгиб и сжатие, приведенными в таблице 3.2.

Этот цемент имеет, в основном, такие же свойства, что и чистоклинкерный портландцемент. Добавки несколько повышают его водостойкость, сульфатостойкость. Морозостойкость же уменьшается. Замена клинкера более дешевыми минеральными добавками уменьшает его стоимость. Он применяется в строительстве вместо портландцемента. ПЦ 400-Д20-Н и ПЦ 500-Д-20-Н с содержанием в клинкере минерала С₃А до 8 % и с добавкой гранулированного шлака до 15 % можно применять для бетона дорожных и аэродромных покрытий.

Разновидностями портландцемента с минеральными добавками являются быстротвердеющий и сульфатостойкий портландцементы.

Шлакопортландцемент – гидравлическое вяжущее вещество, получаемое помолом портландцементного клинкера, гипса и гранулированных доменного или электротермофосфорного шлака. Шлаки вводятся от 20 до 80 %. До 10 % их может заменяться активной минеральной добавкой.

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

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

Попрочностишлакопортландцемент выпускают марок 300, 400 и 500 со значениями пределов прочности на изгиб и сжатие, приведенными в таблице 3.2. Он характеризуется замедленной скоростью твердения в начальный период. В дальнейшем она нарастает и к 6–12 месяцам прочность шлакопортландцемента сравнивается с портландцементом и даже ее превышает. Термообработка при температуре 80–95 °С активизирует твердение шлакопортландцемента. Поэтому его рекомендуют применять при заводском изготовлении изделий.

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

Жаростойкостьшлакопортландцемента из-за пониженного содержания в цементном камне гидроксида кальция выше, чем у портландцемента, и составляет 600–800 °С, поэтому его рекомендуют для жаростойких бетонов.

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

Небольшое количество в цементном камне гидроксида кальция повышает стойкость его в мягких водах. Снижение гидроксида кальция в жидкой фазе твердеющего цемента препятствует образованию эттрингита 3СаО×Al₂O₃×3CaSO₄×(31-32)×H₂O. Поэтому он имеет повышенную стойкость в сульфатных водах.

Шлакопортландцемент – одно из самых распространенных вяжущих. Применение шлака, который не следует обжигать, делает его стоимость на 15–20 % ниже стоимости портландцемента.

Разновидностями шлакопортландцемента являются быстротвердеющий и сульфатостойкий шлакопортландцементы.

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

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

Пластифицирующее действие добавки должно быть такой, чтобы расплыв стандартного конуса из цементно-песчаного раствора состава 1:3 при водоцементном отношении 0,4 составил не менее 135 мм против 106-115 мм для цемента без добавки.

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

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

Портландцемент гидрофобный получают введением в цемент при помоле гидрофобизирующих добавок в количестве 0,06–0,3 %. Это мылонафт и асидол, получаемые из отходов очистки дистиллятов нефти, метилсиликонат и этилсиликонат натрия (ГКЖ-10 и ГКЖ-11) и др. Адсорбируясь на поверхности зерен, добавки образуют водоотталкивающую пленку, которая изменяет свойства цемента. Понижается гигроскопичность. Цемент не впитывает капель воды в течение 5 мин., в отличие от обычного, когда вода впитывается через 1–2 с. Он не теряет активности при хранении 1–2 года, не комкуется. При перемешивании бетонных смесей пленка срывается, и гидрофобные цементы набирают прочность так же, как и обычные. Удобоукладываемость бетонных смесей и их однородность увеличивается, повышается водонепроницаемость и морозостойкость бетона, уменьшается водопоглощение и капиллярный подсос. Его рекомендуется применять для гидротехнических и дорожных бетонов, при длительном хранении цемента.

Быстротвердеющие портландцементы – цементы общестроительного назначения. К ним относят: быстротвердеющий портландцемент и быстротвердеющий шлакопортландцемент.

Портландцемент быстротвердеющий получают совместным измельчением портландцементного клинкера нормированного минералогического состава с гипсом и минеральными добавками. Допускается вводить от 5 до 20 % активных минеральных добавок. В том числе – доменных и электротермофосфорных гранулированных шлаков до 20 %, добавок осадочного происхождения кроме глиежа, до 10 % и прочих активных, включая глиеж до 20 %. До 5 % активных добавок может быть заменено на кренты, сульфоалюминатные и сульфоферритные продукты, обожженные алуниты и каолины.

Выпускают его марок 400 и 500 (ПЦ 400-Д20-Б, ПЦ 500-Д20-Б). Для него дополнительно нормируется прочность в возрасте 3 суток. Предел прочности на изгиб и сжатие приведен в таблице 3.2.

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

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

Быстротвердеющий шлакопортландцемент получают совместным помолом портландцементного клинкера нормированного минералогического состава с гипсом и доменным или электротермофосфорным гранулированными шлаками. Шлака вводится от 20 до 80 %. До 10 % шлака может быть заменено активными минеральными добавками и до 5 % крентами, обожженными алунитами и каолинами, сульфоалюминатными и сульфоферритными продуктами.

В клинкере должны содержаться быстротвердеющие минералы: C₃S – 55–65 % и C₃А – 8–12 %. Тонкость помола должна составлять 4000–5000 см²/г. Выпускают его марки 400 (ШПЦ 400-Б). Для него дополнительно нормируется прочность в возрасте 3 суток. Пределы прочности на изгиб и сжатие приведены в таблице 3.2.

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

Завод-изготовитель должен гарантировать соответствие цемента требованиям ГОСТ 10178–85 при поставке в таре – в течение 45 суток после отгрузки для быстротвердеющих цементов и 60 суток для остальных, при поставке навалом – на момент поступления цемента потребителю, но не более 45 суток после отгрузки для быстротвердеющих и 60 суток для остальных.