5. Разновидности портландцемента

Изменяя соотношение минералов в портландцементе можно получить довольно широкую гамму ПЦ, разнообразных по свойствам. Например: снижая С₃А при умеренном содержании С₃S получается сульфатостойкий ПЦ, а при высокой C₃S и С₃А получается быстро твердеющий ПЦ. При повышенном соединении C₂S и C₄AF, цемент, обладает низкой экзотермией, но высокой прочности такой цемент достигает лишь при длительном твердении.

Быстро и особо быстро твердеющие портландцементы БТЦ ОБТЦ. Они содержат повышенное количество C₃S С₃А, а также имеют очень тонкий помол, удельная поверхность составляет > 4000 см²/г. Такой цемент через 3 суток имеет предел прочности порядка 250, 300 кг/см². Бывает марок 400 и 500.

Гидрофобный ГФЦ (водоотталкивающий) получают его, вводя в клинкер при помоле до 0,12 –0, 2 % гидрофобных ПАВ (мылонафт, асидол, и др.). Такие цементы длительно хранятся и не слеживаются. При приготовлении бетонной смеси гидрофобные ПАВ снижают ее водопотребность. При перемешивании ПАВ с поверхности удаляются.

Пластифицированный. Получают, вводя при помоле клинкера до 0,2 % добавок пластификаторов (ЛСТ, ЛСТ-М, ССБ, получаемые из отходов целлюлозно-бумажной промышленности). В основном они гидрофильны. ПАВ создают оболочку притягивающую воду, снижая величину межфазовой энергии и увеличивая смачивающую способность воды. Добавки позволяют значительно повысить подвижность и удобоукладываемость смеси, снизить водоцементное отношение В/Ц и повысить прочность.

ПЦ с минеральными добавками. В настоящее время производятся цементы в основном с добавками. В маркировке ПЦ 400 Д20, 400 – марка цемента, а Д20 – 20% добавки. Добавки позволяют снизить стоимость цемента, уменьшить тепловыделение, повысить плотность и прочность, повысить стойкость к агрессивным средам. Добавки вводят от 10% до 20 % и более. Их подразделяют:

1. Активные минеральные добавки (трепел, опока, диатомит, вулканический пепел). Они содержат активный SiO ₂ , обязывающий гидросиликаты Ca (OH)₂

2. Инертные наполнители (тонкомолотые доломиты, карбонаты и т.д.)

Пуццолановый (ППЦ) получают путем совместного помола портландцемента и минеральных добавок свыше 20 % (диатомит, трепел, опока до 30 %, пемза, туфы, топливная зола до 40 %).

Шлакопортландцемент (ШПЦ) получают совместным помолом портландцемента и доменного шлака в количестве последнего не менее 21 % и не более 80 %. Качество шлака оценивают модулем основности.

М_о = (СаО + МgО) \ (Si₂О₃ + Al₂O₃)

Более активные основные шлаки М_о более 1, менее активные кислые – М_о менее 1.

Сульфатостойкий ПЦ (ССПЦ) изготовляют из клинкера, в котором С₃А< 5%, C₃S < 50% .В таком цементе практически не обтазуется эттрингита в сульфатной среде. Бываю марок от 300 до 500.

Белый БЦ и цветные цементы. Клинкер изготавливают из чистых извястняков и белых глин, с минимальным содержанием оксидо железа и марганца. Обжиг осуществляют на газовом топливе. Цветные портландцементы получают путем смешения белого цемента с пигментами.

Глиноземистый и высокоглиноземистый цемент ГЦ и ВГЦ. Быстротвердеющее и высокопрочное гидравлическое вяжущее. Глиноземистый цемент получают путем тонкого измельчения обожженной до спекания или сплавления богатой глиноземом сырьевой смеси. В настоящее время обжиг проводится чаще всего до плавления в доменных или электродуговых печах. При этом не требуется тонкого измельчения сырьевых компонентов и создаются условия для удаления железа и кремнезема.

Сырьем для глиноземистого цемента служат бокситы и чистые известняки СаСО₃. Бокситы – горная порода, состоящая из гидратов глинозема (А1₂О₃ • nН₂О) и примесей (в основном Fe₂O₃, SiO₂, СаО и др.). Обжиг проводят при температурах 1300-1400ºС.

Химический состав глиноземистого цемента, получаемого разными методами, находится в следующих пределах: СаО – 35-45 %; А1₂О₃ – 30-50 %; Fe₂O₃ до 15 %; SiO₂ – 5-15 %. В минеральном составе клинкера глиноземистых цементов преобладает:

• СаО А1₂О₃ – однокальциевый алюминат, определяющий основные свойства вяжущего вещества.

• 2СаО А1₂О₃ SiO₂ – геленит

• C₂S

В процессе твердения образуется двухкальциевый гидроалюминат. В процессе твердения образуется большое количество тепла (в 1,5 раза выше, чем у обычного ПЦ).

2(СаО А1₂О₃) + 11Н₂О = 2СаО А1₂О₃ 8Н₂О + 2А1₂(ОН)₃

При взаимодействии глиноземистого цемента с водой не образуется гидрата окиси кальция, благодаря чему цементный камень, бетоны и растворы на глиноземистом цементе значительно лучше противостоят действию минерализованных вод; отсутствие трехкальциевого гидроалюмината повышает стойкость к сульфатной коррозии. С повышением температуры твердения глиноземистого цемента сверх 25-30° С прочность цементного камня понижается, вследствие перекристаллизации двухкальциевого гидроалюмината в трех-кальциевый. Поэтому пропаривание и автоклавную обработку изделий на глиноземистом цементе не производят.

Для глиноземистого цемента характерно выделение большого количества тепла, при этом энергичное выделение тепла полностью происходит в первые часы схватывания и твердения цементного теста. Это свойство глиноземистого цемента, с одной стороны, ограничивает использование его для бетонирования массивных конструкций, с другой — может оказать положительное влияние на производство бетонных работ при отрицательных температурах до -10 градусов без подогрева. При этом следует отметить, что интенсивность твердения при пониженных положительных температурах замедляется, а при охлаждении массы цемента (бетона) ниже -2 °С твердение практически прекращается.

По сравнению с портландцементом глинозёмистый цемент обеспечивает получение бетонов и растворов большей плотности и водонепроницаемости. Однако бетоны на глиноземистом цементе корродируют в кислых агрессивных средах, концентрированных растворах сернокислого магния и в щелочных средах при концентрации щелочей более 1%, цемент быстро разрушается даже слабыми растворами солей аммония и щелочей. Его нельзя применять в щелочных средах и смешивать с известью или портландцементом.

Глиноземистый цемент выпускается по ГОСТ 969-91 трех марок: ГЦ-40, ГЦ-50, ГЦ-60. Марку цемента определяют в возрасте трех суток после изготовления образцов.

Различают 2 вида глиноземистого цемента:

• обычный глиноземистый цемент (содержит  не менее 35 % глинозема, до 1% кремнекислоты и менее 0,5% оксида железа, состоит в основном из диалюмината кальция — СА₂ и небольшого количества геленита и моноалюмината, температура плавления сырья 1450-1480С)

• высокоглинозёмистый цемент (не менее 60 % глинозема содержит 2—3 % кремнекислоты, температура плавления сырья  - 1700-1750С)

Применяют данный вид цемента для изготовления бетонных и железобетонных сооружений, когда расчетная прочность бетона должна быть достигнута в течение 1-х, 2-х, или 7 суток; для строительства морских и подземных сооружений, где требуется повышенная сульфатостойкость; для тампонирования холодных нефтяных скважин, тампонирования трещин в породах; для заделки пробоин в судах морского транспорта; для заливки анкерных болтов; восстановления поврежденных зданий и мостов; в качестве ускорителя твердения бетона; для изготовления огнеупорных бетонов и штучных изделий с огнеупорностью до 1700 °C.

Глиноземистый цемент используют для получения расширяющихся цементов: водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ), водонепроницаемый безусадочный цемент (ВБЦ), гипсоглиноземистый расширяющийся цемент (ГГРЦ).

ВРЦ – представляет собой быстросхватывающее и быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного помола и тщательного смешивания измельченных глиноземистого цемента, гипса и высокоосновного гидроалюмината кальция. Цемент характеризуется быстрым схватыванием: начало процесса – ранее 4 мин., окончание – не позднее 10 мин. с момента затворения. Линейное расширение образцов из цементного теста, твердеющих в воде в течении 1 сут., должно быть в пределах 0,3-1%. Применяют для зачеканки и гидроизоляции швов тюбингов, раструбных соединений создания гидроизоляционных покрытий, заделки стыков и трещин в железобетонных конструкциях и т.д.

ВБЦ – быстросхватывающееся и быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тщательного смешивания глиноземистого цемента, полуводного гипса и гашеной извести. Начало схватывания не ранее 1мин., а конец не позднее 5мин. с момента затворенеия. Цемент применяют для устройства гидроизолирующей торкретной оболочки бетонных и железобетонных сооружений, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности (туннели, фундаменты и т.д.).

ГГРЦ – гипсоглиноземистый расширяющийся цемент производят путем помола смеси высокоглиноземистого шлака и двухводного сернокислого кальция. ГГРЦ содержит не более 30% гипса и характеризуется началом схватывания не ранее 10 минут и концом схватывания не позднее 4 часов с момента начала затворения. Для замедления схватывания используют буру, уксусную кислоту, СДБ.

Сырьем гипсоглиноземистого цемента служат высокоглиноземистые шлаки моноалюминатного типа. При погружении в воду гипсоглиноземистого цемента происходит линейное расширение цемента, составляющее не менее 0,1% через 1 час после затворения и не более 0,6% через 3 суток твердения.

На начальном этапе твердения цемента ГГРЦ скорость роста прочности выше, чем у глиноземистого цемента, однако на следующих этапах рост прочности такой же, как у глиноземистого цемента. Деформационная способность ГГР-цемента незначительно больше такой деформационной способности глиноземистого цемента.

Первые 3-7 суток ГГРЦ должен расширяться в водной или сильно увлажненной среде. При твердении на воздухе цемент не только не расширяется, но даже дает усадку. Иногда используется комбинированный режим твердения, при котором первые 3 суток твердение поддерживается в водной среде, а в последующем твердение продолжается в воздушной среде. При такой процедуре сначала происходит расширение, а затем усадка с незначительным остаточным расширением около 0,15%.

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент предназначается для изготовления безусадочных и расширяющихся водонепроницаемых растворов, бетонов и гидроизоляционных штукатурок; для заделки стыков сборных бетонных и железобетонных конструкций; для омоноличивания и усиления конструкций, подливки фундаментов и заделки фундаментных болтов; для зачеканки швов и раструбов водопроводных линий при рабочем давлении до 10 атм, создаваемом не ранее 24 ч с момента окончания зачеканки.

Учитывая дефицитность сырья (бокситов) и значительную стоимость глиноземистого цемента, его выпускают в сравнительно небольших количествах (менее 1 % от общего выпуска цемента).

По новому ГОСТу 31108-2003 цемент делится на типы:

 Цем I – портландцемент с минеральными добавками не более 5%. Этот цемент на начальном этапе твердеет очень быстро. Уже на вторые сутки прочность достигает 50% от проектной.

Цем II – портландцемент с мин. добавками от 6 до 35%. При увеличении минеральных добавок в цементе уменьшаются темпы набирания прочности на начальном этапе.

Портландцемент с мин. добавками будет представлен в двух подтипах:

Подтип А - процентный состав мин добавок 6% - 20%,

Подтип В - присутствие в составе от 21 до 35% добавок.

Отличие по видам добавки: гранулированный шлак с литерой Ш, пуццолан – с литерой П. По классам прочности: 22,5; 32,5; 42,5 и 52,5, Цифры - обозначают минимальную (гарантированную) прочность цементного камня на сжатие в МПа в возрасте 28 суточного твердения. Так же, для классов 32.5-52.5 вводятся дополнительные обозначения по прочности в возрасте 2 или 7 суток: литеры : Н - нормальнотвердеющий, Б - быстротвердеющий.

Цем III – шлакопортландцемент, цемент с добавками шлака более 35%. У данного типа цемента на раннем этапе немного замедлен набор прочности.

Цем IV – пуццолановый портландцемент

Цем V – композиционный портландцемент

Портландцемент класса 42,5 быстротвердеющий: Портландцемент ЦЕМ I 42,5Б ГОСТ 31108—2003.

Портландцемент со шлаком (Ш) от 21 % до 35 %, класса прочности 32,5, нормальнотвердеющий: Портландцемент со шлаком ЦЕМ II/В-Ш 32,5Н ГОСТ 31108—2003.

Портландцемент с известняком (И) от 6 % до 20 %, класса прочности 32,5, нормальнотвердеющий: Портландцемент с известняком ЦЕМ II/А-И 32,5Н ГОСТ 31108-2003.

Композиционный портландцемент с суммарным содержанием доменного гранулированного шлака (Ш), золы-уноса (З) и известняка (И) от 6 % до 20 %, класса прочности 32,5, быстротвердеющий: Композиционный портландцемент ЦЕМ II/А-К(Ш-З-И) 32,5Б ГОСТ 31108-2003.

Шлакопортландцемент с содержанием доменного гранулированного шлака от 36 % до 65%, класса прочности 32,5, нормальнотвердеющий: Шлакопортландцемент ЦЕМ III/A 32,5H ГОСТ 31108-2003.

Пуццолановый цемент с суммарным содержанием пуццоланы (П), золы-уноса (З) и микрокремнезема (МК) от 21 % до 35 %, класса прочности 32,5, нормальнотвердеющий: Пуццолановый цемент ЦЕМ IV/A (П-З-МК) 32,5Н ГОСТ 31108-2003.

Композиционный цемент с содержанием доменного гранулированного шлака (Ш) от 11 % до 30 % и золы-уноса (З) от 11 % до 30 %, класса прочности 32,5, нормальнотвердеющий: Композиционный цемент ЦЕМ V/А(Ш-З) 32,5Н ГОСТ 31108-2003.

Лекция 8