 |
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 – 40оС, 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 10оС.
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 22оС) и горячих (до 75оС) 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%.
Специальные виды цементов
Специальные виды цементов отличаются от портландцемента используемым сырьем, технологией изготовления и, как следствие, наличием специфических свойств. К этому классу цементов относят глиноземистый, расширяющийся, напрягающий, безусадочный и шлакощелочной.
Глиноземистый цемент получают обжигом до плавления смеси бокситов с высоким содержанием гидроксида алюминия и известняка при температуре 1500 – 1600°С. Вместо бокситов, являющихся основным сырьем для производства алюминия, могут быть использованы высокоалюминатные шлаки, полученные при выплавке ферросплавов. Вследствие высокой прочности глиноземистый (высокоглиноземистый) клинкер размалывают в две стадии. Тонкомолотое вяжущее из-за преобладания
в нем высокоактивных алюминатов кальция (80 – 85%) интенсивно взаимодействует с водой при температуре (20±5) °С, набирая в первые сутки твердения 90% марочной прочности, спустя трое суток – марку 400, 500, 600. Процесс гидратации сопровождается интенсивным выделением тепла, поэтому этот вид цемента во избежание растрескивания изделий нельзя применять при бетонировании в условиях жаркого климата, термовлажностной обработки изделий и возведения массивных монолитных конструкций. Используя высокую морозо- и коррозионную стойкость (за исключением действия щелочей), глиноземистый цемент находит применение при изготовлении конструкций, работающих в жестких условиях эксплуатации, а также для выполнения аварийных работ, тампонирования нефтяных и газовых скважин. Так как этот вид вяжущего обладает высокой термостойкостью (до 1400°С), то в сочетании с жаростойкими заполнителями на его основе получают бетоны, эксплуатируемые при температуре до 1200°С. Вследствие низкой щелочестойкости этот цемент нельзя смешивать с известью и портландцементом, в то время как сочетание его с гипсом и гидроалюминатами кальция позволяет получить расширяющийся и безусадочный цементы.
Усадка цементного камня при взаимодействии портландцемента
с водой, сопровождаемая появлением микротрещин и нарушением целостности поверхностного слоя изделия, относится к отрицательным свойствам этого гидравлического вяжущего. Особенно это недопустимо при замоноличивании швов (стыков) в крупнопанельном домостроении, в гидротехническом строительстве, при возведении емкостей для хранения жидкостей и газов, изготовлении напорных труб. В связи с этим были созданы многокомпонентные вяжущие, обеспечивающие при твердении в воде и воздушно-влажностных условиях увеличение объема, а при ограничении их расширения – уплотнение и самонапряжение цементного камня. В зависимости от степени расширения к таким вяжущим относят безусадочный, расширяющийся и напрягающий цементы. Эффект расширения зависит от состава вяжущего и физико-химических свойств продуктов его гидратации. Безусадочный цемент получают совместным помолом или тщательным смешиванием, например, глиноземистого цемента, полуводного гипса и гидроалюминатов кальция. Начало схватывания цементов 1 – 2 мин, конец – 5 – 10 мин. В трехсуточном возрасте цементный камень достигает 60 – 80% марочной прочности. Линейное расширение цементного камня составляет десятые доли процента. Используют этот цемент в тех случаях, когда хотят исключить усадочные деформации, – омоноличивание стыков.
Расширяющиеся цементы имеют большое количество разнообразных составов, обеспечивающих в процессе твердения объемное и линейное расширение цементного камня до 0,25%. Наиболее широко используются следующие: портландцементный клинкер, высокоглиноземистый доменный шлак и двуводный гипс, а также глиноземистый шлак в сочетании с двуводным гипсом.
Механизм расширения этих систем связан с целенаправленным образованием крупнокристаллических продуктов гидратации, приводящих
к расширению всей еще достаточно пластичной системы до набора прочности. Марка цементов 400 и 500. Основное применение – изготовление напорных железобетонных труб и емкостей для хранения воды и нефтепродуктов.
Напрягающие цементы относятся к быстросхватывающимся и быстротвердеющим минеральным вяжущим, состоящим в основном из тонкомолотой смеси портландцементного клинкера, высокоглиноземистого шлака и гипса. Прочность цементного камня через 18 – 20 часов твердения составляет не ниже 200 МПа, начало схватывания 2 – 8, конец – 6 – 15 мин. Расширение в свободном состоянии составляет 3 – 4%, в ограниченном – 0,25 – 0,75%. Применяют эти цементы при получении преднапряженных железобетонных конструкций без предварительного натяжения арматуры.
Шлакощелочные цементы представляют собой гидравлические вяжущие вещества, состоящие из тонкомолотого гранулированного шлака и соединений щелочных металлов. Шлакощелочные цементы получают путем совместного измельчения сырья или затворением молотого гранулированного шлака концентрированным щелочесодержащим раствором. При получении шлакощелочных цементов при помоле вводят до 40% стеклобоя или до 25% глинистых материалов в естественном или обожженном состоянии. Этот вид вяжущего характеризуется следующими свойствами: начало схватывания от 30 мин до 1 часа, конец – 2 – 5 часов. Активность цемента составляет 400 – 1000 кгс/см2. Режим твердения разнообразен: от естественного при положительной и отрицательной температурах до термовлажностной и автоклавной обработки. Цементный камень обладает повышенной коррозионной стойкостью, морозостойкостью и способностью во влажной среде увеличивать свою прочность, поэтому шлакощелочные вяжущие наиболее эффективно использовать в гидротехническом и дорожном строительстве.
Кроме перечисленных выше цементов, полученных в основном обжигом откорректированной смеси природных материалов, все большее применение находят цементы, в состав которых входят минеральные отходы различных производств. Как показали последние исследования, эти добавки значительно повышают сульфатостойкость цементов. При производстве декоративного цемента эффективно вводить феррохромовые шлаки, которые представляют собой отходы ферросплавного производства. Использование алюмофосфатных цементов позволяет получить коррозионностойкие, жаростойкие бетоны, способные к работе при температуре до 1000 °С. Экономически целесообразно применение цементов на основе нефелинового шлака, являющегося отходом комплексной переработки при получении оксида алюминия и соды. Этот цемент имеет повышенные показатели по морозо-, коррозионной стойкости и особенно эффективен при термовлажностной обработке.
Используемая нормативная литература
1. ГОСТ 9179-77. Известь строительная.
2. ГОСТ 125-79. Вяжущие гипсовые.
3. СТБ 4.204-95. Материалы вяжущие. Номенклатура показателей.
4. СТБ 1032-96. Плиты звукопоглощающие гипсовые литые. Технические условия.
5. СТБ 1034-96. Плиты теплоизоляционные из ячеистых бетонов. Технические условия.
6. СТБ 1117-98. Блоки из ячеистых бетонов стеновые. Технические условия.
7. СТБ 1228-2000. Кирпич и камни силикатные. Технические условия.
8. СТБ 1229-2000. Фосфогипс нейтрализованный окускованный. Технические условия.
9. СТБ 1230-2000. Плиты гипсовые декоративные. Технические условия.
10. ГОСТ 6266-97. Листы гипсокартонные. Технические условия.
11. ГОСТ 24748-81. Изделия известково-кремнеземистые теплоизоляционные.
12. СТБ ЕН 197-1(2). Цемент. Состав спецификации и критерии соответствия.
13. ГОСТ 30515-97. Цементы. Общие технические условия.
14. СТБ 942-93. Портландцемент безусадочный.
15. ГОСТ 25328-82. Цемент для строительных растворов. Технические условия.
16. ГОСТ 1581-96. Портландцементы тампонажные. Технические условия.
17. ГОСТ 10178-85. Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия.
18. ГОСТ 22266-94. Цементы сульфатостойкие. Технические условия.
19. ГОСТ 25094-94. Добавки активные минеральные для цементов.
20. СТБ 4.204-95. Цементы. Показатели качества.
ГЛАВА 5.
|
|
|
