Определение и классификация

К минеральным вяжущим веществам относятся тонкоизмельченные порошкообразные материалы (за исключением растворимого стекла), способные при затворении водой образовывать пластичное тесто, постепенно превращающееся в камневидное состояние, т. е. затвердевать. Процесс перехода вяжущих веществ из пластичного состояния в твердое (камневидное) называется процессом твердения, происходящее в результате очень сложных физико-химических процессов между вяжущим веществом или составляющими вяжущего вещества и водой. В зависимости от условий твердения и сохранения камневидного состояния вяжущие вещества подразделяются на воздушные и гидравлические.

Воздушные вяжущие вещества могут твердеть и длительно сохранять или повышать прочность только на воздухе, т. е. в воздушно-сухих условиях. В условиях повышенной влажности их твердение замедляется или совсем прекращается, а прочность затвердевших изделий снижается. К воздушным вяжущим относятся глины, магнезиальные и гипсовые, воздушная известь, жидкое стекло, кислотоупорный цемент.

Гидравлические вяжущие вещества способны твердеть и сохранять прочность как на воздухе, так и в воде, но лучшей средой для их твердения является влажная среда. Они способны твердеть на воздухе до тех пор, пока в их составе в достаточном количестве сохраняется вода затворения. К гидравлическому твердению способны вещества, в составе которых имеются соединения оксидов кальция (СаО) с кремнеземом (SiО₂), глиноземом (А1₂О₃) и оксидом железа (Fe₂О₃), т. е. это силикаты кальция (пСаО × Si0₂), алюминаты кальция (пСаО × А1₂0₃), ферриты кальция (nСаО × Fe₂О₃), алюмоферриты кальция (nСаО × А1₂О₃ × Fe₂О₃) и др. К таким вяжущим относят гидравлическую известь, цемент и его разновидности.

Гидравлические свойства вяжущих (водостойкость, способность твердеть во влажных условиях) можно усилить путем введения в их состав природных или искусственных минеральных материалов (добавок), в составе которых содержатся водный (гидратированный) кремнезем или алюмосиликаты. Такие добавки называют активными минеральными или гидравлически ми, потому что при смешивании их в тонкоизмельченном виде с известью-пушонкой они придают ей гидравлические свойства, а при смешивании с портландцементом повышают его водостойкость. Их называют также пуццолановыми (в древности «пуццоланой» называли вулканическую рыхлую породу (вулканический пепел), которая широко использовалась как добавка к извести при строительстве порта в Путеолах (Древняя Италия)).

Помимо неорганических добавок для целенаправленного регулирования технологических свойств минеральных вяжущих и их смесей, а также затвердевшего искусственного камня вводят так называемые химические добавки органического происхождения.

Воздушные вяжущие

К магнезиальным вяжущим (цемент Сореля) относят каустические магнезит и доломит, изобретенные французским инженером С. Сорелем в 1867 г.

Каустический магнезит получают обжигом при температуре 750...850 °С горной породы – магнезита (MgCО₃) до полного разложения в оксид магния (MgO) с последующим измельчением в тонкий порошок белого или желтоватого цвета. Затворяют каустический магнезит не водой, а водным раствором хлористого или сернокислого магния, сернокислого железа и других солей. Изготовленные из каустического магнезита и сосновых опилок состава по массе 3:1 изделия достигают прочности 50 МПа и выше.

Каустический доломит получают обжигом при температуре 650...750 °С природного доломита (СаСО₃ × MgCО₃) тоже с ПО; следующим измельчением в тонкий порошок. Из-за низкой температуры обжига разлагается только MgCО₃ в оксид магния (MgO), а большая часть карбоната кальция остается не разложившейся, так как температура его разложения выше (оКоЛ° 900 °С). Поэтому реакционная активность каустического доломита ниже, чем магнезита а, следовательно, ниже и прочность (10...30 МПа). Затворяют каустический доломит теми же растворами солей, что и магнезит.

Характерной особенностью магнезиальных вяжущих является повышенная прочность сцепления с минеральными и органическими заполнителями. Кроме того, органические заполнители в такой среде не подвергаются разложению.

Жидкое стекло (растворимое) — водный раствор силиката натрия (натриевой соли кремниевой кислоты). Оно известно с середины XVI в., но доступным для технического использования стало после работ Фукса (1818 г). Поэтому раньше его называли «фуксовым стеклом».

В настоящее время жидкое стекло получают при сплавлении в стекловаренных печах при температуре 1300... 1400 °С измельченного чистого кварцевого песка с содой (Na₂ CО₃) или сульфатом натрия (Na₂ SО₄). После охлаждения образующиеся куски стекла (силикат-глыбы) растворяют паром в автоклавах под давлением 0,6...0,8 МПа и температуре 150 °С до сиропообразной консистенции. В результате образуется вязкий раствор с истинной плотностью 1,40... 1,55 г/см³, называемый натриевым жидким стеклом, способным в дальнейшем растворяться в воде и затвердевать на воздухе.

Значительно реже в качестве второго компонента используется поташ (К₂ СО₃) и тогда получают калиевое жидкое стекло. Оно более дорогое и применяется в основном для изготовления силикатных красок и клеящих составов.

В строительстве чаще всего используется натриевое жидкое стекло. Его применяют при изготовлении кислотоупорных и огнеупорных растворов и бетонов, огнезащитных красок и замазок, стабилизации грунтов и в других целях.

Кислотоупорный цемент получают из смеси, приготовленной путем совместного помола или тщательного перемешивания раздельно измельченных кварцевого песка и кремнефто- ристого натрия в соотношении 10:1, и затворенной на водном растворе натриевого жидкого стекла. Твердеет такой цемент в воздушно-сухих условиях и при положительной температуре. Через 28 сут прочность изделий на кислотоупорном цементе достигает 20 МПа.

Применяют кислотоупорный цемент для изготовления кислотостойких растворов, бетонов, замазок, обмазок, устройства кислотостойких полов. Изделия и конструкции из кислотоупорного раствора или бетона рекомендуется обрабатывать крепкой минеральной кислотой, например соляной, т. е. откисловать. В результате протекания химических реакций смесь уплотняется, обезвоживается и происходит образование твердого опаловидного кремнезема (SiО₂ × Н₂О). Прочность кислотоупорного бетона, обработанного концентрированной кислотой, достигает 50...60 МПа.

Гипсовыми вяжущими (ГОСТ 125) называют вещества, состоящие из полуводного гипса CaSО₄ × 0,5 Н₂О или ангидрита CaSО₄. Получение их основано на способности двуводного гипса CaSО₄ × 2 Н₂О в процессе нагревания частично или полностью дегидратироваться, т. е. отдавать воду.

На такое свойство гипсового камня обратили внимание еще в Древнем Египте. Египтяне еще 5...6 тыс. лет назад заделывали швы сложенных из камней пирамид. Такие швы были обнаружены, в частности, в пирамиде Хеопса. Сырьем служил природный сернокислый известняк, залежи которого располагались близ города Алебастрон (алебастровый камень от греч. alebastros — название двух различных минералов: гидросульфата кальция и карбоната кальция). Будучи размолот в тонкий порошок и хорошо высушенный на солнце, алебастровый камень после затворения водой вначале способен был превращаться в пластичное тесто, которое затем в течение нескольких минут затвердевало и превращалось в монолит (камень). Этим и объясняется ранее существовавшее название строительного гипса — алебастр. Позднее греки дали минералу название гипрос, означающее «кипящий камень». Современное название гипс (от греч. gypsos) — мел, известняк, сернокислый камень.

В настоящее время сырьем для производства гипсовых вяжущих служат гипсовый камень (CaSО₄ × 2 Н₂О) и гипсосодержащие отходы (фосфогипс, борогипс и др.). В зависимости от вида и режимов термической обработки гипсового камня получают две разновидности гипсового вяжущего: α- и β-модификации.

Если природный гипс подвергают термической обработке в герметически закрытых аппаратах и, следовательно, при повышенном давлении, то получают а-модификацию. Такое вяжущее имеет более крупнокристаллическое строение, меньшую растворимость и водопотребность, увеличенные сроки схватывания и повышенную прочность.

Гипсовое вяжущее (3-модификации получают в атмосфере не насыщенной парами воды. В результате частицы вяжущего имеют капиллярно-пористую структуру, более развитую внутреннюю поверхность и более реакционноспособны. Водопотребность их выше, а прочность при той же консистенции ниже.

Основными свойствами гипсовых вяжущих α- и β-модификации являются нормальная густота (водопотребность), сроки схватывания, тонкость помола и прочность.

Водопотребность гипсового вяжущего характеризуется количеством воды затворения в процентах от массы вяжущего, которое необходимо для получения теста заданной подвижности. Определяется

на специальном приборе — вискозиметре Суттарда. Водопотребность гипсовых вяжущих составляет 40...70%, в то время как химически связывается воды при твердении — около 20%.

В зависимости от сроков схватывания гипсовые вяжущие подразделяют на три вида:

А — быстротвердеющие (начало схватывания - не ранее 2 мин, конец схватывания — не позднее 15 мин);

Б — нормальнотвердеющие (начало схватывания — не ранее 6 мин, конец схватывания — не позднее 30 мин);

В — медленнотвердеющие (начало схватывания — не ранее 20 мин, конец схватывания — не нормируется).

В производственных условиях часто возникает необходимость либо замедлить, либо ускорить процесс схватывания и твердения вяжущего. Достигается это путем введения соответствующих добавок. В качестве замедлителей используются сульфитно-спиртовая барда (ССБ), водный раствор столярного клея, 50%-й раствор уксуса и др. Ускорителями служат молотый природный гипс (1% от массы вяжущего), поваренная соль (0,5%) и др.

Тонкость помола гипсового вяжущего характеризуется остатком на сите с отверстиями размером 0,2 мм. В зависимости от тонкости помола различают три степени помола:

I — грубый помол (остаток на сите не более 23%);

II — средний помол (остаток на сите не более 14%);

III — тонкий помол (остаток на сите не более 2%).

По прочности гипсовые вяжущие подразделяются на марки: Г-2... Г-7; Г-10; Г-13; Г-16; Г-19; Г-22; Г-25. Цифры обозначают минимально допустимую прочность при сжатии в МПа образцов- балочек размером 40 x40 x160 мм, изготовленных из гипсового теста нормальной густоты после 2 ч твердения. Для повышения прочности гипсовых изделий в состав при их приготовлении вводят полимерные добавки. Это приводит к значительному увеличению прочности: литых гипсополимербетонов до 20...30 МПа, прессованных — до 60 МПа.

Особенностью гипсовых вяжущих является также способность при твердении увеличиваться в объеме до 1%. Это позволяет использовать их для отливки художественных изделий сложной формы.

Маркируются гипсовые вяжущие по трем показателям: прочности, скорости схватывания и тонкости помола. Например, Г-7 АII — гипсовое вяжущее прочностью на сжатие не менее 7 МПа, быстросхватывающееся, среднего помола.

Применяются гипсовые вяжущие для изготовления перегородочных плит и панелей, вентиляционных коробов, гипсокар- тонных листов (сухая гипсовая штукатурка), акустических плит, растворов, в том числе сухих строительных смесей, различных архитектурных деталей и при реставрационно-восста- новительных работах. Однако применять их следует в условиях, не подвергающихся воздействию водной среды — с относительной влажностью воздуха до 60%.

К разновидностям гипсовых вяжущих относятся высокопрочный, формовочный, высокообжиговый (эстрих-гипс), фосфогипс, борогипс, ангидритовый цемент и др.

В настоящее время разработаны составы водостойких гипсовых вяжущих (ВГВ). Они представляют собой смешанные вяжущие вещества на основе различных модификаций гипсового вяжущего в сочетании с портландцементом (пуццолано- вым, шлакопортландцементом) и активными минеральными или органоминеральными добавками. На их основе возможно получение бетонов классов В 10... В 25.

Известь строительная (ГОСТ 9179) является очень древним и в то же время современным вяжущим веществом. Сырьем для ее получения служат широко распространенные карбонатные горные породы (известняки, мел, доломиты). Получают обжигом указанных пород при температуре 1000... 1200 °С (рис. 6.1). Обжиг сырья ведут в печах различных конструкций: шахтных, вращающихся, кольцевых и др. Наиболее распространены шахтные печи по пересыпному способу или с выносимыми топками (рис. 6.2). Высота их достигает 20 м. Длина вращающихся печей составляет 30... 100 м при диаметре 1,8...3 м, а производительность и качество получаемого продукта — выше, чем у шахтных.

В процессе обжига СаСОз и MgCО₃ разлагаются на оксиды кальция (СаО), магния (MgO) и углекислый газ (С0₂). Углекислого газа выделяется до 44% по массе. Следовательно, продукт обжига имеет пористую структуру плотностью 900... 1000 кг/м³ и носит название комовой или молотой (в случае помола) негашеной извести (кипелки). До XIX в. комовую известь называли едкой, жгучей, живой известью. Неравномерность обжига может привести к образованию в извести недожога и пережога, ухудшающих ее качество.

Рис. 6.1. Схема производства воздушной извести

При помоле комовой извести в ее состав можно вводить различные добавки (шлаки, золы, песок, пемзу, известняк и др.). Они, как правило, улучшают качество смешанного известкового вяжущего.

В зависимости от содержания оксидов кальция и магния воздушную известь подразделяют на кальциевую (содержание MgO не более 5%), магнезиальную (MgO не более 20%) и доломитовую (MgO - 20...40%).

Гашеную, или гидратную, известь (Са(ОН)₂) получают гашением извести-кипелки с определенным количеством воды:

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂ + Q, (6.1)

где Q — количество теплоты, равное 1160 кДж на 1 кг оксида кальция.

Выделение тепла при гашении извести вызывает вскипание воды и образование пара, что послужило основанием называть негашеную известь кипелкой.

Различают два способа гашения извести — мокрый (в известковое тесто) и сухой (в известь-пушонку). Если воды для гашения извести берут 40...70%, то получают тонкий рыхлый порошок со значительным увеличением в объеме (в 2,5... 3 раза), называемый известь-пушонка. При избытке воды (в 3...4 раза больше, чем извести) продукт гашения переходит в известковое тесто, если в 5...7 раз больше — получают известковое молоко. Качество гашеной извести по мокрому способу выше.

Рис. 6.2. Шахтная печь: 1 — шахта; 2 - загрузоч­ное устройство; 3 - газо- отводящая аппаратура; 4 — воздухоподводящая аппаратура; 5 - раз­грузочное устройство

В древности известь подвергалась гашению в течение очень длительного времени (2...3 года) с периодическим интенсивным перемешиванием, разминанием и другими операциями. Известь, гасившуюся длительное время, называли морянкой.

Основными техническими характеристиками извести являются активность, скорость гашения, количество непогасившихся зерен, выход известкового теста, тонкость измельчения, прочность и другие показатели.

Чем больше суммарное содержание в извести оксидов кальция и магния
(СаО + MgO), тем выше ее активность, а, следовательно, и качество. Активность высококачественных сортов маломагнезиальной извести может достигать 93...97%, негашеной извести с добавками — 55...65%.

За скорость гашения принимается время, прошедшее от момента приливания воды к извести до начала снижения максимальной температуры.

В зависимости от скорости гашения различают известь:

- быстрогасящуюся (со скоростью гашения не более 8 мин);

- среднегасящуюся (до 25 мин);

- медленногасящуюся (не менее 25 мин).

Выход известкового теста определяется его количеством, получаемым при гашении 1 кг извести. Чем выше выход теста, тем оно пластичнее и тем больше его пескоемкость. Высококачественные сорта извести (с содержанием более 90% СаО) при правильном гашении характеризуются выходом теста в 2,5...3,5 л и больше. Такую известь по традиции называют жирной. Известь с меньшим выходом теста и большим количеством примесей называют тощей.

Известковое тесто твердеет по мере испарения воды. В результате образуется пересыщенный раствор Са(ОН)₂, из которого выпадают кристаллы, скрепляющие отдельные частицы в единый монолит. Процесс твердения растягивается на годы и десятилетия. Поэтому в реальные сроки строительства прочность затвердевшей извести сравнительно низкая, не превышает 0,5...5 МПа и нормативными документами не устанавливается. Тем не менее, прочность воздушной извести тоже является важной характеристикой и не учитывать ее нельзя.

Если на затвердевшее известковое тесто будет действовать влага, то оно вновь может перейти в пластичное состояние. Однако при длительном твердении (десятилетиями) известь приобретает довольно высокую прочность и удовлетворительную водостойкость. Причиной этому служат процессы карбонизации:

Са(ОН)₂ + СО₂ = СаСО₃ + Н₂О. (6.2)

В результате образуется нерастворимый в воде и довольно прочный карбонат кальция, т. е. известь как бы обратно переходит в известняк. Кроме того, при длительном контакте извести с кварцевым песком в присутствии влаги между ними происходит реакция с образованием контактного слоя из гидросиликатов. Это тоже повышает прочность и водостойкость бетонов и растворов на извести, например в кирпичной кладке, имеющей возраст более 200...300 лет.

Схема получения, гашения и твердения воздушной извести показаны на рис. 6.3.

Рис. 6.3. Получение, гашение и твердение воздушной извести

Применяется строительная известь для приготовления кладочных и штукатурных, в том числе декоративных растворов, силикатных материалов и изделий и при реставрационно-восстановительных работах. Известь-пушонка применяется преимущественно для получения сухих смесей, широко распространенных в настоящее время.

Гидравлические вяжущие

Гидравлическая известь является продуктом обжига не до спекания при температуре около 1000 °С мергелистых известняков, содержащих в своем составе от 8 до 20% глинистых примесей. Производство ее принципиально не отличается от производства воздушной извести.

В процессе обжига известняк тоже разлагается на СаО и С0₂- Углекислый газ (С0₂) улетучивается, а часть свободной извести (СаО) вступает в химическое взаимодействие с составляющими глинистых примесей: кремнеземом (Si0₂) и глиноземом (А1₂0₃). Продукты этого взаимодействия (силикаты и алюминаты кальция) обладают в размолотом состоянии способностью твердеть в воде. Чем больше в извести будет содержаться этих веществ, тем сильнее будут ее гидравлические свойства. Поэтому при твердении гидравлической извести имеют место как процесс высыхания и карбонизации известкового теста (аналогично воздушной извести), так и процесс гидратации силикатов и алюминатов кальция.

При затворении гидравлической извести водой она некоторое время должна твердеть на воздухе (от 7 до 21 сут), а затем уже приобретает способность твердеть в воде без опасности снижения прочности. При этом, чем меньше в ней содержится свободной СаО, тем меньше требуется выдержка растворов и бетонов на воздухе. Поэтому, в зависимости от содержания свободной СаО и возможности твердеть в воде такая известь подразделяется на слабогидравлическую и сильногидравлическую.

Прочность гидравлической извести невелика и в возрасте 28 сут составляет 0,5...5 МПа. Твердеет медленно: начало схватывания наступает через 0,5...2 ч, конец схватывания — 8... 16 ч.

Применяют гидравлическую известь для изготовления кладочных и штукатурных растворов, искусственных каменных материалов и бетонов и других изделий.

Цемент (от лат. caementum — битый камень) был создан английским каменщиком из г. Лидса Джозефом Аспдином и русским военным техником Егором Челиевым.

В настоящее время в соответствии с ГОСТ 30515 под цементом понимается порошкообразный строительный материал, который обладает гидравлическими свойствами, состоит из клинкера и, при необходимости, гипса или его производных и добавок. Цемент, отвечающий СТБ ЕН 197-1, обозначается как СЕМ-цемент.

Получение цемента и его разновидностей слагается последовательно из двух технологических процессов: получение цементного клинкера, а затем на основе клинкера — вяжущего вещества. Рассмотрим процесс производства цемента на примере портландцементного клинкера.

Сырьем для получения портландцементного клинкера служат известняк (СаС0₃ - 72...75%) и глина - 25...28%. В состав глины входят: кремнезем (Si0₂), глинозем (А1₂0₃), оксиды железа Fe₂0₃ и др. Такая сырьевая смесь может быть природного происхождения (мергели, мергелистые известняки) и искусственно приготовленная. Однако природное сырье такого состава встречается редко и поэтому производителям приходиться ориентироваться в основном на искусственные сырьевые смеси.

Получение портландцементного клинкера сводится к приготовлению сырьевой смеси надлежащего состава (шлама) и обжигу ее до спекания при температуре 1450 °С. Обжиг осуществляется во вращающихся печах цилиндрической формы, футерованных внутри огнеупорным материалом. В зависимости от способа производства (мокрый, сухой и комбинированный) диаметр таких печей составляет 4...7 м, а длина 95...230 м.

Из известняка в процессе обжига (при t = 1000... 1100 °С) образуются оксиды кальция (СаО), которые затем по мере дальнейшего повышения температуры вступают в химическое взаимодействие с составляющими глины. В результате образуются сложные химические соединения, способные после тонкого измельчения и затворения водой твердеть, т. е. превращаться в цементный камень. Такие соединения называют клинкерными минералами. Основные из них:

— алит (трехкалъциевый силикат 3СаО • SiО₂) — содержится в количестве 45...65%. Это один из важнейших клинкерных минералов, определяющий время твердения, прочность и другие свойства. Отличается высокими химической активностью, скоростью твердения и прочностью, т. е. повышенное содержание в клинкере алита обеспечивает получение быстротвердеющего и высокопрочного портландцемента. При твердении алита выделяется много тепла;

— белит (двухкальциевый силикат 2CaО SiО₂) — содержится в количестве 20...35%. Менее активен, чем алит. Твердеет медленно, но продолжительное время и в последующем набирает достаточно высокую прочность. При твердении выделяет мало тепла;

— целит (трехкальциевый алюминат 3СаО А1₂О₃) — содержится в количестве 4... 12%. Очень быстро гидратируется и твердеет, выделяя при этом большое количество тепла. Имеет небольшую прочность и малую стойкость против воздействия сернокислых соединений;

— четырехкалъциевый алюмоферрит (4 СаО-А1₂О₃ • Fe₂О₃) — содержится в количестве 10...20%. Твердеет медленнее, чем алит, но быстрее, чем белит. Прочность тоже несколько ниже, чем у алита.

Поскольку каждый из этих минералов имеет свои специфические свойства, то и портландцемент с преимущественным содержанием одного или двух таких минералов тоже получает присущие им свойства и соответствующее название (алитовый, белитовый, алюминатный, алюмоферритный, алитоалюминатный и др.)

Для получения портландцемента охлажденный клинкер размалывают совместно с добавками. Вводимые при помоле клинкера добавки снижают стоимость портландцемента и регулируют его

свойства. Например, делают его гидрофильным или гидрофобным, снижают водопотребность, увеличивают водо- и коррозионную стойкость, усиливают декоративные свойства, ускоряют или замедляют процессы схватывания и твердения, т. е. позволяют получать цементы с заранее заданными свойствами.

Свойства портландцемента зависят от его химико-минералогического состава, тонкости помола, наличия и вида добавок и других факторов.

Истинная плотность портландцементов колеблется в пределах 3,05...3,15 г/см³. Более низкие показатели плотности у пуццолановых портландцементов, более высокие - у портландцементов с повышенным содержанием железистых минералов.

Насыпная плотность зависит от истинной плотности, тонкости помола и степени уплотнения. В рыхлонасыпном состоянии она составляет 900... 1100 кг/м³, в уплотненном - 1400... 1700 кг/м³. В расчетах принимается среднее значение насыпной плотности - 1300 кг/м³.

Тонкость помола портландцемента в соответствии с СТБ ЕН 196-6-2000 характеризуется удельной поверхностью, т. е. суммарной величиной поверхности зерен одного грамма цемента (см²/г) или по зерновому составу при просеивании, т. е. остатку на сите с размером ячеек 90 мкм.

Удельная поверхность отечественных портландцементов составляет 2600...3200 см²/г. По зерновому составу - через сито № 009 должно проходить не менее 85% массы просеиваемой пробы. Обычно остаток на сите отечественных цементов составляет 8...12%.

С увеличением тонкости помола портландцемента увеличивается степень гидратации, возрастает содержание клеящих веществ и скорость твердения, повышается прочность цементного камня. Поэтому часто с целью повышения активности и получения быстротвердеющих цементов тонкость помола повышают. Считается, что на каждые 1000 см²/г повышения удельной поверхности цемента его активность возрастает на 20...25%. Тонкость помола высококачественных цементов составляет, как правило, 3500...4000 см²/г.

Водопотребность (нормальная густота) портландцементов характеризуется относительным количеством воды (%), необходимым не только для гидратации цемента, но и для придания цементному тесту определенной подвижности или консистенции. Определяется на приборе Вика по величине погружения в цементное тесто металлического стержня (пестика). За нормальную густоту принимается такая подвижность, когда пестик прибора Вика, погружаясь в тесто, не доходит до дна 5...7 мм.

Для процессов гидратации требуется около 15% воды от массы цемента. Однако, чтобы обеспечить необходимую подвижность цементного теста, воды берут значительно больше. Нормальная густота наших портландцементов колеблется в пределах 22...28%. У пуццолановых она выше и достигает 35%. Вода, не вступившая в химическое взаимодействие с составляющими портландцемента, образует поры и капилляры, способствует усадочным деформациям и образованию мелких трещин.

Поэтому, чем ниже водопотребность портландцемента, тем выше его качество.

Сроки схватывания портландцементов устанавливают начало и конец схватывания цементного теста. Определяются тоже на приборе Вика по глубине проникания стандартной иглы в цементное тесто нормальной густоты. В соответствии с требованиями стандарта начало схватывания должно наступать не ранее 45 мин, конец схватывания - не позднее 10 ч от начала затворения водой. Реальные сроки схватывания большинства портландцементов обычно наступают через 1...2 ч, а заканчиваются - через 4...6 ч. В эти сроки необходимо доставить и уложить растворные и бетонные смеси, иначе они потеряют пластичность и удобоукладываемость.

На сроки схватывания портландцементов влияют минералогический состав, тонкость помола, температура окружающей среды, содержание воды и другие факторы.

Важным свойством портландцемента является равномерность изменения объема. Одной из причин неравномерного изменения объема цементного камня при твердении является наличие в составе цемента свободных оксидов кальция (СаО) и магния (MgO). Поскольку обжиг сырья при получении цемента происходит при более высоких температурах, чем при получении извести, то образующиеся кристаллы оксидов кальция и магния имеют крупнокристаллическое и плотное строение. В результате они очень медленно гидратируются и, как правило, в уже затвердевшем цементе (растворе или бетоне). Запоздалое взаимодействие СаО и MgO с водой, сопровождающееся увеличением их в объеме, и приводит к деформации и разрушению цементного камня. Поэтому содержание оксидов кальция (СаО) и магния (MgO) в исходном клинкере ограничивается и не должно превышать соответственно 1 и 5%.

Прочность на сжатие портландцемента характеризуется классом (маркой) и активностью. В соответствии с СТБ ЕН 196-1-2000 приняты три класса стандартной прочности: 32,5; 42,5 и 52,5. Определяют их испытанием стандартных образцов-призм размером 40 x40 x160 мм в возрасте 28 сут. твердения. Образцы изготовляют из цементно-песчаного раствора состава 1:3 по массе (цемент: стандартный песок CEN) с водоцементным отношением, равным 0,50.

Маркой портландцемента в соответствии с ГОСТ 10178 принято именовать величину его предела прочности при сжатии в кгс/см² (МПа), но с округлением до нижнего предела и с учетом его предела прочности при изгибе. Наша промышленность выпускает портландцементы марок 300(30); 400(40); 500(50); 550(55); 600(60), но есть цементы марок 700(70) и даже 1000(100).

Показатель предела прочности при сжатии половинок призм после испытания на изгиб принимают за активность портландцемента.

Классификация цементов в соответствии с ГОСТ 30515;

ü по назначению цементы подразделяют:

— на общестроительные — основным требованием их является обеспечение прочности и долговечности бетонов или растворов;

— специальные — наряду с формированием прочности к ним предъявляют специальные требования;

ü по виду клинкера:

— на основе портландцементного клинкера;

— глиноземистого (высокоглиноземистого);

— сульфоалюминатного (ферритного) и др.

ü по вещественному составу цементы подразделяют на типы, характеризующиеся различным видом и содержанием добавок. В соответствии с ГОСТ 31108 и европейским стандартом ЕН 197-1 они подразделяются на пять типов:

— ЦЕМ I (портландцемент, не содержащий минеральных добавок в качестве основного компонента);

— ЦЕМ II (портландцемент с минеральными добавками);

— ЦЕМ III (шлакопортландцемент);

— ЦЕМ IV (пуццолановый цемент);

— ЦЕМ V (композиционный цемент).

Вид и содержание минеральных добавок регламентируются в нормативных документах на конкретный вид цемента;

ü по срокам схватывания:

— на медленно схватывающиеся — с нормируемым сроком начала схватывания более 2 ч;

— нормально схватывающиеся — от 45 мин до 2 ч;

— быстро схватывающиеся — менее 45 мин;

ü по скорости твердения:

— на нормально твердеющие — с нормированием прочности в возрасте 2 (7) и 28 сут;

— быстро твердеющие — с нормированием прочности в возрасте 2 сут, повышенной по сравнению с нормальнотвердеющими, и 28 сут.

Разновидности портландцемента. Для более полного удовлетворения специфических требований отдельных видов строительства выпускается большое разнообразие специальных цементов. В наименовании подчеркиваются, как правило, их особые свойства (быстро твердеющий, гидрофобный), указываются области их применения (дорожный, тампонажный) или отличие от обычных цементов по химическому составу (глиноземистый, алинитовый) и т. д. В зарубежной практике каждый вид цемента маркируется своим цветом (красным, синим, зеленым и т. д.).

Быстро твердеющий портландцемент (БТЦ) отличается от обычного интенсивным нарастанием прочности в первые трое суток твердения. Затем интенсивность роста прочности замедляется и на 28-е сут, как правило, сравнивается с обычным портландцементом. Достигается быстрый набор прочности за счет улучшения технологии, повышения содержания активных минералов (алита и целита), более тонкого помола (до 3500...4000 см²/г), ограниченным содержанием активных минеральных добавок или введением ускорителей твердения.

Применение такого цемента позволяет значительно сократить сроки выдержки конструкций в опалубке или продолжительность термообработки. Целесообразно применять БТЦ также при реставрационных и восстановительных работах, в зимнее время, при изготовлении сборных высокопрочных обычных и предварительно напряженных железобетонных изделий и конструкций.

Однако при хранении БТЦ в течение 1...2 месяцев он утрачивает способность быстро твердеть и набирает прочность, как обычный портландцемент. Следовательно, хранить его длительное время нецелесообразно. Кроме того, применять такой цемент нецелесообразно в массивных конструкциях из-за чрезмерного тепловыделения и в агрессивной среде.

Особо быстро твердеющий портландцемент (ОБТЦ) является разновидностью быстротвердеющего. Активные минеральные добавки в таком цементе практически отсутствуют, а клинкер должен содержать до 65...68% алита и около 8% целита, тонкость помола — более 4000 см²/г. Помимо более быстрого набора прочности в первые сроки твердения ОБТЦ имеет еще и высокую активность — 70 МПа.

Применение такого цемента аналогично быстротвердеюще- му, но с большей эффективностью.

Сверхбыстротвердеющий портландцемент (СБТЦ) имеет нормированный химико-минералогический состав. Кроме того, при изготовлении в сырьевую смесь вводят галогеносо- держащие вещества, например фторид кальция, увеличивающий содержание алюминатов. Через 1...4 ч твердения СБТЦ обеспечивает прочность в 10 МПа, т. е. достаточную для распалубки изделий, а через одни сутки - 60...70% нормативной прочности бетона. За рубежом такой цемент выпускается под названием Regulated Set Cement.

Потенциальная потребность в сверхбыстротвердеющих цементах наряду с БТЦ определяется еще и прогрессирующим производством сухих строительных смесей.

Портландцементы с органическими добавками изготовляют путем введения при помоле клинкера в небольших количествах (0,05...0,3% от массы цемента) поверхностно-активных веществ (ПАВ). Эти вещества пластифицируют бетонные и растворные смеси, улучшают их удобоукладываемость. Кроме того, бетоны и строительные растворы, изготовляемые на цементах с органическими поверхностно-активными добавками, отличаются повышенной морозостойкостью и сопротивляемостью коррозии.

Чаще используют поверхностно-активные добавки двух типов: гидрофилизующие и гидрофобизующие. Цементные зерна, покрытые пленкой таких веществ, приобретают особые свойства по отношению к действию воды: они становятся либо более гидрофильными, либо более гидрофобными. В результате и портландцементы получили соответствующие названия — пластифицированный и гидрофобный.

К цементам с органическими добавками следует отнести и вяжущие низкой водопотребности (ВНВ), получаемые совместным помолом портландцемента и поверхностно-активных веществ — суперпластификаторов (С-3, 10-03, 30-03 и др.). Портландцемент при этом домалывается до тонкости помола 4500...5000 см²/г. В результате зерна цемента капсулируются тончайшими оболочками из суперпластификатора. Такое вяжущее характеризуется низкой водопотребностью (15... 18%), замедленным началом схватывания, но быстрым набором прочности и высокой конечной прочностью (до 170 МПа).

Однако применение такого вяжущего технически целесообразно и экономически обосновано лишь при изготовлении высокопрочных бетонов для ответственных инженерных конструкций и уникальных сооружений либо при ремонтно-вос- становительных работах.

Существуют портландцементы с активными минеральными добавками. Активными минеральными добавками (гидравлическими) называют природные или искусственные вещества, которые при смешивании в тонкоизмельченном виде с воздушной известью и затворении водой образуют тесто, способное после твердения на воздухе продолжать твердеть и под водой. В составе таких добавок содержатся реакционноспособные диоксид кремния (Si0₂) в аморфном состоянии и оксид алюминия (А1₂0₃), которые способны взаимодействовать в обычных условиях с Са(ОН)₂ с образованием набирающих прочность силикатов и алюминатов кальция. В качестве природных активных добавок применяют горные породы (диатомит, трепел, вулканический пепел, опоку), искусственных - гранулированные доменные шлаки, золу-унос и др.

Активная минеральная добавка, содержащаяся в составе портландцемента, тоже вступает в химическое взаимодействие с выделяющимся при его твердении гидрооксидом кальция. В результате образуются более устойчивые химические соединения — гидросиликаты и гидроалюминаты кальция. При этом повышается плотность цементного камня и возрастает его сопротивление коррозии. В зависимости от вида добавки такие цементы получили следующие названия:

— пуццолановый портландцемент получают путем введения при помоле клинкера от 20 до 40% природных пуццолановых добавок. Такой цемент характеризуется несколько замедленным нарастанием прочности в начальный период твердения и сравнивается по прочности с обычным портландцементом лишь к 3...6 месяцам твердения. С понижением температуры твердения нарастание прочности еще больше замедляется и при t = +10 °С практически прекращается. При повышенных же температурах твердение такого цемента происходит более интенсивно, чем обычного портландцемента. Поэтому изделия на таком цементе целесообразно подвергать тепловлажностной обработке;

— шлакопортландцемент (ГОСТ 10178) получают при помоле портландцементного клинкера и доменного гранулированного шлака, содержание которого может достигать в отдельных случаях 80% от массы клинкера. По свойствам шлакопортландцемент аналогичен пуццолановому.

В ОАО «Красносельскстройматериалы» освоен выпуск так называемого песчанистого портландцемента (ПЦП). Получают его путем совместного помола клинкера, кварцевого песка (10...20% от массы клинкера) и гипсового камня. Марка по прочности — 500, тонкость помола — более 3000 см²/г (см. ЦЕМ V). Применение такого цемента оговаривается техническими условиями.

Процессы структурообразования цементного камня сопровождаются, как правило, его усадкой или набуханием. В результате усадки возникают самопроизвольные напряжения в цементном камне и, как следствие, микротрещинообразование с возможным ухудшением физико-механических свойств. Из-за трещин, образующихся вследствие усадки, нарушается сцепление и не обеспечивается монолитность сооружений. Усадка затрудняет применение цемента для заделки швов и стыков в конструкциях из сборного железобетона. Снять эти проблемы призваны безусадочный, расширяющий и напрягающий цементы. Получение их основано на образовании гидросульфоалюмината кальция (эттрингита), который связывает большое количество воды и за счет этого увеличивается объем всей твердеющей системы. Для этого применяются различные расширяющиеся компоненты, но все они сводятся в основном к использованию глиноземистого цемента или сульфоалюминатного клинкера в смеси с портландцементом, известью, гипсом или в других возможных сочетаниях. Как правило, в таких цементах содержится до 70% глиноземистого цемента.

У безусадочных цементов степень расширения невелика и лишь компенсирует усадку. Поэтому такие цементы как бы сами себя уплотняют, делая бетон водонепроницаемым.

Напрягающий цемент (СТБ 1335) обладает способностью к более значительному расширению — до 4%. Этим свойством как функцией химической энергии пользуются при изготовлении предварительно напряженных железобетонных конструкций вместо более сложного механического или термического напряжения арматуры. С учетом величины достигаемой энергии самонапряжения его подразделяют на НЦ-2, НЦ-4 и НЦ-6. Цифры выражают энергию самонапряжения в МПа.

Белый портландцемент (ГОСТ 965) получают из чистых известняков и белых глин. Сырьевую смесь обжигают на беззольном топливе. У такого цемента ограничивают содержание оксидов железа Fe₂О₃ до 0,2%, которые ухудшают его белизну. В зависимости от степени белизны белый портландцемент подразделяется на три сорта с коэффициентом отражения света соответственно не менее 80, 75 и 70%. Однако отдельные фирмы поставляют на рынок цемент с белизной до 96%. Коэффициент отражения света обычного портландцемента составляет 40%. Марки белого портландцемента — 400 и 500.

Применяют белый цемент в архитектурно-отделочных, штукатурных и малярных работах, при устройстве наливных полов, изготовлении терразитовых половых плиток, искусственного камня и кирпича, изделий малых архитектурных форм и элементов декора, цветных цементов и бетонов, а также при ре- ставрационно-восстановительных работах.

Цветные портландцементы (ГОСТ 15825) представляют собой смесь совместного помола белого или цветного клинкера, минеральных или органических красителей (пигментов), гипса и активной минеральной добавки (не более 6%). Наиболее распространенными пигментами являются соли и оксиды железа, титана, кобальта, меди, хрома и прочих природных минералов. Оксиды обеспечивают отличную насыщенность цвета и, имея всего четыре базовых колера (черный, желтый и два красных с оттенками желтого или голубого), позволяют получать практически любые требуемые цвета. Выпускаются желтого, розового, красного, коричневого, зеленого, голубого и черного цветов. Марки по прочности — 300, 400 и 500.

Цветные цементы и бетоны находят применение при строительстве жилых и общественных зданий, коттеджей, аквапарков, плавательных и декоративных бассейнов, фонтанов, изготовлении садово-парковой скульптуры, декоративных ваз, оград, цветочниц, деталей наружного оформления, производстве сухих отделочных смесей, а также в дорожном строительстве для изготовления плит и брусчатки, барьеров, парапетов, перил, бордюров, компонентов дорожной маркировки и материалов ландшафтной архитектуры, где требуются яркие цвета и высокая отражательная способность.

Маркировка цементов на соответствие нормам ЕС (Европейское сообщество) приводится на упаковках или в сопроводительных документах и включает:

- идентификационный номер органа по сертификации;

- наименование или опознавательный знак изготовителя;

- юридический адрес;

- наименование или товарный знак завода;

- последние две цифры года упаковки или отправки цемента;

- номер сертификата соответствия ЕС;

- номер европейского стандарта;

- класс прочности;

- дополнительные данные.

Вопросы и задания для самоконтроля

1 Приведите классификацию неорганических вяжущих веществ.

2 В чем отличие гидравлических вяжущих от воздушных? Приведите примеры вяжущих обеих групп.

3 Перечислите виды воздушной извести.

4 Производство гипсовых вяжущих α- и β-модификаций, свойства и применение.

5 Приведите технологическую схему производства портландцемента.

6 Опишите основные свойства портландцемента.

7 Перечислите основные виды портландцемента.

8 Как получают белый и цветные цементы?