4.4. Основные минералы портландцемента и их соотношение.Твердение цемента. Марки и виды цемента. Применение в строительстве

Основными минералами портландцемента являются: трехкальциевый силикат или (алит), двухкальциевый силикат или (белит), трехкальциевый алюминат или (целит), четырехкальциевый алюмоферрит или .

Э ти минералы содержатся в клинкере в следующих пределах, %: .

Алита и белита вместе обычно содержится 70 – 80 %. Кроме основных минералов в цементе содержатся в небольших количествах алюминаты и алюмоферриты кальция а также феррит кальция

При затворении портландцемента водой образуется пластичное клейкое цементное тесто, постепенно густеющее и превращающееся в камень. Процесс твердения цемента в основном зависит от гидратации силикатов, алюминатов и алюмоферритов кальция.

Современные представления о процессах твердения цемента следующим образом объясняют их. В затворенном водой состоянии вначале растворяются клинкерные минералы, а затем они взаимодействуют с водой по реакциям:

Образовавшиеся в результате гидролиза и гидратации гидраты клинкерных минералов начинают выпадать из раствора в виде частичек субмикроскопических размеров, что придает цементному тесту свойства клея, способность прилипать к телам и связывать их между собой. Затем из мельчайших частичек гидратов происходит образование гидратов более крупных размеров, что способствует уплотнению теста и образованию цементного камня. Нарастанию прочности цементного камня существенно способствует кристаллизация уплотненных масс гидратов. Образующиеся при этом кристаллические сростки пронизывают еще не закристаллизовавшуюся часть цементного камня, как бы армируя его. Уплотнение продуктов гидратации цемента и их кристаллизация происходят не сразу, а постепенно, вначале сравнительно быстро, а затем все медленнее и медленнее. Таким же образом нарастает и прочность портландцемента.

Прочность портландцемента характеризуется пределом прочности его образцов при изгибе и при сжатии в возрасте 28 суток нормального твердения (относительная влажность- 95 – 100 % и температура + 20 °С). По этим показателям портландцемент разделяют на марки 300, 400, 500 и 600.

В соответствии с требованиями стандарта начало схватывания цементного теста должно наступать не ранее 45 мин, а конец – не позднее чем через 12 ч после затворения. Портландцемент должен удовлетворять тонкости помола и равномерности изменения объема. При просеивании цемента не менее 85% от массы пробы должно проходить через сито № 008, а при испытании кипячением в воде образцы из цементного камня должны показывать равномерность изменения объема.

Промышленность наряду с обыкновенным портландцементом выпускает и многие другие его разновидности, они отличаются от него особыми, ярко выраженными отдельными свойствами.

Быстротвердеющий портландцемент характеризуется высокой прочностью уже в возрасте 1 – 2 суток с момента его затворения (свыше 50% проектной прочности), что дает возможность значительно сократить продолжительность технологического процесса и отказаться от термовлажностной обработки изделий для ускорения их твердения.

Твердение портландцемента можно ускорить разными способами: подбором соответствующего состава клинкера, увеличением тонкости помола цемента, введением химических добавок-ускорителей твердения цемента.

Среди минералов портландцементного клинкера трехкальциевый силикат и трехкальциевый алюминат обеспечивают быстрое нарастание прочности цемента в начальные сроки. Поэтому повышенное содержание этих соединений позволяет получать быстротвердеющие цементы. Повышение тонкости помола цемента особенно сильно ускоряет процесс твердения, так как при соответствующем увеличении поверхности цементного порошка возрастает скорость взаимодействия частиц цемента с водой. Добавки хлористого кальция и хлористого магния также приводят к значительному ускорению твердения цемента. Н.С. Ковалевым предложена добавка в цементобетонные смеси для ускорения твердения (Авт.свидетельство № 863538).

В качестве добавки, применяемой для ускорения процесса твердения, использовали пульпу гипохлорита кальция с содержанием «активного хлора» 4 – 8%. Пульпа гипохлорита кальция ускоряет набор прочности цементобетона, особенно в начальные сроки твердения при одном и том же отношении жидкой фазы к цементу. Существенное влияние на повышение прочности цементобетона в более поздние сроки твердения оказывает отношение содержания пульпы гипохлорита кальция к цементу. При затворении бетонной смеси водой пределы прочности при сжатии бетона в возрасте 5 ч и 7 суток равны соответственно 0 и 4,4 МПа, а бетон с введением пульпы гипохлорита кальция с содержанием «активного хлора» 5% в количестве 3% от массы цемента в бетонную смесь того же состава имел в тех же возрастах пределы прочности соответственно 1,0 и 22 МПа.

Механизм действия пульпы в этом случае основан на формировании более плотных структур цементного камня в бетоне вследствие образования на первой стадии кристаллизационного каркаса преимущественно из двойных солей – гидратов типа и которые обеспечивают естественные условия кристаллизации. На последующих стадиях твердения эти соли обрастают высокодисперсными гидросиликатами и гидроалюминатами кальция, что обуславливает еще больший поджим контактов в течение времени, необходимого для их срастания.

Гидрофобный портландцемент получают введением при помоле клинкера мылонафта, олеиновой кислоты в количестве 0,05 – 0,15% от массы цемента. Мылонафт и олеиновая кислота обволакивают тончайшей пленкой зерна цемента и препятствуют проникновению влаги и воздуха к зерну, в связи с чем активность не снижается при длительном хранении, а также при перевозке его водным транспортом. Защитная пленка легко снимается с цементных зерен во время перемешивания растворов или бетонов, не оказывая отрицательного влияния на их прочность. Гидрофобный цемент целесообразно применять для получения бетонов с повышенной морозостойкостью и водонепроницаемостью.

Пластифицированный портландцемент отличается от обычного содержанием поверхностно-активной добавки, повышающей подвижность и удобоукладываемость цементного теста и придающей бетону высокую морозостойкость. В качестве пластифицирующих добавок применяют сульфитно-спиртовую барду (ССБ), сульфитно-дрожжевую бражку (СДБ). Сульфитно-дрожжевая барда – эффективная добавка для повышения морозостойкости бетонов, что объясняется главным образом получением цементного камня повышенной плотности. Пластифицированные цементы можно применять наряду с обыкновенными, получая более удобоукладываемые смеси и морозостойкие бетоны. Особенно широко эти цементы используют в дорожном, аэродромном и гидротехническом строительстве.

Дорожный портландцемент должен обладать свойствами, обеспечивающими высокую прочность цементобетона, сопротивление его износу, морозостойкость, деформативную способность и стойкость при действии агрессивных сред. В наибольшей мере удовлетворяет указанным требованиям портландцемент с высоким содержанием алита и алюмоферритной фазы, тогда как трехкальциевого алюмината не должно быть в клинкере более 10%. При помоле клинкера в качестве гидравлической добавки допускается вводить не более 15% гранулированного доменного шлака. Для дорожного бетона применяют портландцемент марки не ниже 300 при бетонировании оснований и не ниже 400 – бетонных покрытий.

Пуццолановый портландцемент – гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и во влажных условиях. Получают его путем совместного помола клинкера, гипса (до 3,5 %) и активной минеральной добавки.

Активными минеральными добавками называют природные или искусственные вещества, которые при смешивании в тонко измельченном виде с известью и затворением водой придают ей способность к гидравлическому твердению, а при смешивании с портландцементом повышают его стойкость в пресных и сульфатных водах. Самостоятельно одни гидравлические добавки не твердеют. Активные минеральные добавки подразделяют на природные и искусственные. Они содержат в значительном количестве вещество, способное при обычных условиях вступать в химическое взаимодействие с гидратом окиси кальция и давать труднорастворимые продукты реакции. В диатомитах, трепелах и других добавках осадочного происхождения этим веществом служит активный водный кремнезем, в вулканических и искусственных – преимущественно алюмосиликаты.

Для получения пуццолановых портландцементов нужно вводить добавки вулканического происхождения, обожженной глины или топливной золы не менее 25 и не более 40 % от массы цемента, а добавок осадочного происхождения – диатомитов, трепелов - 20 – 30 %. Чем активнее добавка, тем больше она способна связать гидрата окиси кальция и тем меньше ее необходимо.

Сроки схватывания и твердения, тонкость помола пуццоланового цемента такие же, что и у обычного портландцемента, однако у бетонов на пуццолановых портландцементах замедленно нарастает прочность в начальный период твердения по сравнению с бетоном на портландцементе без добавок, изготовленным из этого же клинкера. Бетон на пуццолановых портландцементах более стоек в сульфатных водах.

Шлакопортландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным помолом клинкера, гранулированных доменных шлаков (30 – 60 %) и небольшого количества гипса (до 3,5 %). Наряду со шлакопортландцементом вырабатывают также быстротвердеющий шлакопортландцемент, отличающийся более интенсивным нарастанием прочности в начальный период. Для получения быстротвердеющего шлакопортландцемента применяют клинкер быстротвердеющего цемента, доменные шлаки высокой активности, уменьшая их предельное содержание до 50 % от массы цемента.

По пределу прочности при сжатии шлакопортландцемент разделяют на марки 300, 400 и 500. Водостойкость бетонов на этого вида цементах выше, чем на портландцементе, и поэтому его целесообразно применять в гидротехнических сооружениях. Не следует применять его в конструкциях, подвергающихся частому замораживанию – оттаиванию, увлажнению – высыханию.

Известково-шлаковый цемент получают совместным помолом сухого гранулированного доменного шлака (до 70 %) и извести (до 30 %) с добавкой небольшого количества гипса. Это вяжущее медленно схватывается и медленно твердеет. Благоприятно влияет на нарастание прочности изделий из таких вяжущих тепловлажностная обработка (пропарка), тогда как при понижении температуры ниже + 10 °С твердение практически прекращается. Известково-шлаковый цемент по пределу прочности при сжатии образцов разделяют на марки 25, 50, 100, 150. Образцы изготовляют трамбованием из жесткого раствора состава 1: 3 и испытывают в возрасте 28 суток после изготовления.

Сульфатно-шлаковый цемент ‑ гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением доменного гранулированного шлака (80 – 85 %) совместно с ангидритом или гипсом (20 – 15 %) и портландцементным клинкером (до 5 %). Сульфатно-шлаковые цементы по пределу прочности при сжатии в возрасте 28 суток делят на марки 150, 200, 250 и 300. Этот цемент имеет высокую стойкость против действия сульфатных вод, его применяют в морских гидротехнических сооружениях и для подземных конструкций, подвергающихся действию агрессивных вод. Сульфатно-шлаковый цемент является самым дешевым из всех видов гидравлических вяжущих веществ.

Глиноземистым цементом называют быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением обожженной до плавления или спекания сырьевой смеси извести и бокситов. Глиноземистый цемент – наиболее дорогой вид вяжущего вещества, так как для изготовления требуется ценное сырье металлургической промышленности – бокситы. Последние служат исходными материалами для получения металлического алюминия и состоят в основном из водной окиси

В процессе обжига сырьевой смеси при температуре около 1500°С известь реагирует с окисью алюминия. При этом образуется однокальциевый алюминат , который при затворении водой реагирует по реакции

.

Образуемый двухкальциевый гидроалюминат отличается быстрым уплотнением и кристаллизацией. В результате этого прочность такого цемента нарастает в короткие сроки. Уже за сутки глиноземистый цемент набирает 80 – 90 % марочной прочности. Марки этого вида цемента – 400, 500 и 600. Начало схватывания у глиноземистого цемента – не ранее 30 мин, а конец ‑ не позднее 12 ч с момента затворения водой.

Глиноземистый цемент обладает высокой коррозионной стойкостью против действия пресных и сульфатных вод. Его используют для бетонных и железобетонных конструкций с высокой маркой бетона в особых случаях, когда необходимы короткие сроки твердения, а также для конструкций, подвергающихся попеременному воздействию воды и мороза.