Портландцемент и его разновидности

1.7.1. Портландцемент (ПЦ) есть гидравлическое вяжущее вещество – продукт тон­кого измельчения клинкера, получаемого обжигом до спекания сырьевой смеси, состоящей чаще всего из известняка (75…78 %), содержащего CaCO₃, и глины (25…22 %), назначение которой – обеспечить при разложении нужное количество в шихте кислотных окислов: SiO₂, Al₂O₃ и Fe₂O₃. Эти окислы должны связать всю свободную известь CaO, образующуюся при разложении CaCO₃, в труднорастворимые соединения: ЗСаО·SiO₂; 2СаО·SiO₂; ЗСаО·Al₂O₃; 4СаО·Al₂O₃·Fe₂O₃.

Приготовление сырьевой смеси выполняется мокрым (с добавлением воды при смешении и измельчении сырьевых компонентов) или сухим способом, с получением либо жидкогопродукта (шлама), либо сухой сырьевой муки.

Химический состав сырья и получаемого из него клинкера включает окислы, указанные ниже.

Окислы	СаО	SiO2	Al2O3	Fe2O3	МgO	SO3	Проч.
Содержание, %	63÷66	21÷24	4÷8	2÷4	0,5÷5	0,3÷1	0,7÷1,8

Необходимыми окислами являются: окись каль­ция (СаО), кремнезем (SiO₂), глинозем (Al₂O₃) и окись железа (Fe₂O₃). Остальные окислы нежелательны. Их содержание ограничивается пределами: МgO≤5 %; SO₃=1,5…3,5 %; (Nа₂O+К₂О)≤0,6 %. Превышение указанных пределов может привести к увеличению объема цементного камня при твердении. Это происходит также, если часть CaO остается несвязанной.

Обжиг проводят исключительно во вращающихся печах, которые позволяют обжигать как жидкую смесь (шлам), так и сырьевую муку. При обжиге происходит диссоциация углекислого кальция (СаСО₃=СаО+СО₂) и разложение минералов глины на кислот­ные окислы SiO₂, Al₂O₃ и Fe₂O₃, вступающие во взаимодействие с основным окислом СаО. Этот процесс завершается в зоне наиболее высокого нагрева (1450 °С), где происходит спекание материала, т. е. превращение его из порошкообразного в камнеподобное состояние, в результате застывания расплава, который образуется в небольшом количестве (20…30 %). Материал, выходящий из печи, представляет собой окатанные гранулы, называемые клинкером. Клинкер охлаждают до 50…150 °С и подвергают помолу в шаровых мельницах, однако, не сразу, а через 3…4 дня, что повышает качество цемента.

Помол клинкера производится в основном в шаровых мельницах. При помоле добавляют до 5 % природного гипса для удлинения сроков схватывания. Без добавки гипса портландцемент схватывается практически мгновенно. Допускается введение при помоле до 20 % по массе активных минеральных добавок. Содержание добавки указывается обозначением Д0, Д5 и Д20 после обозначения марки цемента, например, ПЦ 400-Д20

Минералогический состав клинкера портландцемента представлен четырьмя индивидуальными веществами (минералами), условно названными­: алит, белит, алюминат и целит. По химическому составу они близки, соответственно, к трехкальциевому силикату; двухкальциевому силикату; трехкальциевому алюминату; четырехкальциевому алюмоферриту и для простоты отождествляются с ними (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Минералы состав портландцементного клинкера

Минерал портландцементного клинкера	Соединение, отождествляемое с минералом	Сокращенное обозначение	Содержание в нормальном клинкере, %	Продукты гидратации	Теплота в кДж, выделяемая 1 % минерала в 1 кг цемента к возрасту, сут.
Алит	ЗСаО·SiO2	C3S	37,5÷60	Са(ОН)2+C2SН2	4,58	4,95
Белит	2СаО·SiO2	C2S	37,5÷15	C2SН2	0,97	0,97
Алюминат	ЗСаО·Al2O3	С3А	7÷15	С3АН6	8,66	10,29
Целит	4СаО·Al2O3·Fe2O3	С4АF	18÷10	С3АН6+CFН	–1,73	1,39

Вопрос 6.

1.7.2. Портландцемент быстротвердеющий (ПЦ-Б)[1] является алито-алюминатным цементом, с повышенным содержанием C₃S и C₃A (в сумме 60…65 %) и более тонким по сравнению с ПЦ помолом клинкера (S_уд=3500…4500 см²/г).

Скорость твердения ПЦ-Б возрастает со скоростью охлаждения клинкера. При быстром охлаждении от температуры 1250…1300 °С отдельные фазы клинкера остаются в аморфной форме, сохраняя высокую активность. При помоле ПЦ-Б добавляют активные минераль­ные добавки (не более 20 % от веса цемента), которые обеспечивают равномерный рост прочности (без сбросов прочности). В отличие от ПЦ прочность ПЦ-Б нормируется в возрасте 3 и 28 суток. В возрасте 3 суток ПЦ-Б должен иметь не менее половины (обычно 60…70 %) марочной (28-суточной) прочности. Стандарт предусматривает две марки ПЦ-Б: 400 и 500. ПЦ-Б предназначается для изготовления сборных железобетон­ных конструкций и изделий на заводах и полиго­нах, а также для скоростного строительства.

1.7.3. Сульфатостойкий портландцемент (ССПЦ) изготовляют на основе клинкера нормированного состава, содержащего: C₃S – не более 50 %; С₃А – не более 5 % и суммы С₃А + С₄AF – не более 22 %. Минеральные добавки не допускается, т. к. они снижают морозостойкость бетона. Для этого цемента характерны пониженное тепловыде­ление и замедленное твердение в начальные сроки, что объясняется пониженным содержанием активных минералов. Сульфатостойкий портландцемент выпускается только одной марки 400. Он предназначен для изготовления бетона наружных зон сооружений, работающих в усло­виях сульфатной агрессии воды и одновременно подверженных система­тическому попеременному увлажнению и высыханию или заморажива­нию и оттаиванию.

1.7.4. Портландцемент пластифицированный (ПЦ-ПЛ) изготовляют путем вве­дения при помоле клинкера пластифицирующей поверхностно-активной добавки в количестве 0,15…0,30 % от массы цемента. В качестве таких добавок часто применяют технические лигносульфонаты (ЛСТ, ЛСТМ и др.). Добавка облегчает помол клинкера и придает растворным и бетонным смесям повышенную подвижность. Пластифицирующий эффект позволяет либо сократить расход цемента (при В/Ц=const), либо повысить прочность, морозостой­кость и водонепроницаемость бетона, уменьшив В/Ц.

1.7.5. Порт­ландцемент гидрофобный (ПЦ-ГФ) получают при добавлении к цементу в процессе помола клинкера и гипса гидрофобизующих до­бавок (асидола, мылонафта, олеиновой кислоты, кубовых остат­ков синтетических жирных кислот и пр.) в количестве 0,06…0,30 % от массы цемента. Гидрофобизующие добавки образуют на зернах цемента тончайшие адсорбцион­ные слои, обладающие водоотталкивающими свойствами и понижающие способность цемента смачиваться водой. Поэтому гидрофобные цементы не снижают активности в течение 1…2 лет хранения на воздухе, в то время как обычные цементы уже через 1…3 месяца теряют до 30 % и более начальной прочности. В начале процесса твердения вода проникает к зерну цемента путем диффузии через адсорбционные пленки, при этом несколько замедляется рост прочности. По мере гидратации и увеличения в объеме новообразований гидрофобные слои разрываются и твердение протекает нормально. Благодаря воздухововлекающей способности этих добавок пористость бетона возрастает на 3…5 % по объему, что несколько понижает прочность, но из-за снижения доли открытых пор уменьшается водопоглощение, повышается водонепроницаемость и морозостойкость бетона. Гидрофобизующие добавки интенсифицируют процесс помола цемента и предотвращают слипание частиц цемента и налипание их на мелющие тела.

Вопрос 7