2.3 Цементы на основе портландцементного клинкера. Специальные цементы

Специальные виды портландцемента.

Для получения портландцемента с заданными специальными свойствами используют следующие основные пути:

-регулирование минералогического состава и структуры цементного клинкера;

-введение минеральных и органических добавок, позволяющих на­правленно изменять свойства вяжущего, экономить клинкер, умень­шать расход цемента в бетоне;

-регулирование тонкости помола и зернового состава цемента, влияющих на скорость твердения, актив­ность, тепловыделение и другие свойства цемента.

Быстротвердеющий и особобыстротвердеющий портландцемент.

Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) - портландцемент с минеральными добавками, отличающийся повышенной прочностью через 3 сут твердения, более половины его марочной прочности. Сумма C₃S + С₃А в клинкере - обычно не менее 60-65%. Помол БТЦ производится до удельной поверхности 350-400 м /кг. Это ускоря­ет твердение цемента. БТЦ выпускают М400 и М500.

Особобыстротвердеющий высокопрочный портландцемент (ОБТЦ) марки 600 в возрасте 1 сут имеет предел прочности 20-25 МПа, а через 3 сут - 40 МПа. Такой быстрый рост прочности обу­словливается содержанием C₃S до 65-68%, С₃А - до 8%, тонкость помола около 400 м²/кг. Применение ОБТЦ позволяет снижать рас­ход цемента на 15-20%.

Эти цементы применяются в производстве сборных железобе­тонных конструкций, а также при зимних бетонных работах. Следует иметь в виду их повышенное тепловыделение, которое исключает применение для массивных конструкций. БТЦ с повышенным содер­жанием трехкальциевого алюмината не пригоден для бетона, подвер­гающегося сульфоалюминатной коррозии.

Сверхбыстротвердеющий цемент (СБТЦ), разработанный на ос­нове специального минералогического состава, дает раннюю прочность через 1-4 часа, достаточную для распалубки изделий. В сырьевую смесь СБТЦ вводятся галогеносодержащие вещества (фторид или хлорид кальция) и повышается содержание алюминатов.

Сульфатостойкий портландцемент.

Сульфатостойкий портландцемент изготовляют на основе клин­кера, содержащего не более 50% C₃S, 5% С₃А и 22% С₃А + C₄AF.

Сульфатостойкий портландцемент предназначается не только для изготовления бетонов, подвергающихся действию сульфатной корро­зии, но и для бетонов повышенной морозостойкости. Это обеспечи­вается, прежде всего, пониженным содержанием трехкальциевого алюмината. Кроме того, при его помоле не вводится никаких минеральных добавок, кроме гипса, но возможно введение пластифици­рующих или гидрофобизующих веществ, повышающих морозостой­кость.

Портландцементы с органическими добавками.

В современной технологии бетона широко применяют поверхностно-активные вещества, вводимые в малых дозах (0,05-0,3% от массы цемента) в бетонные и растворные смеси при их изготовлении и добавляемые в цемент при помоле клинкера.

Поверхностно-активные добавки можно разделить на гидрофилизующие и гидрофобизующие.

К гидрофилизующим добавкам относятся лигносульфонаты кальция (ЛСТ).

К гидрофобизующим добавкам относят мылонафт, синтетические жирные кислоты и их соли.

Пластифицированный портландцемент изготовляют путем вве­дения при помоле клинкера 0,15-0,25% ЛСТ (считая на сухое веще­ство). Он отличается от обычного портландцемента способностью придавать растворным и бетонным смесям повышенную подвиж­ность. Пластифицирующий эффект используется для уменьшения водоцементного отношения, повышения морозостойкости и водоне­проницаемости бетона. Если же сохранить В/Ц постоянным, то можно снизить расход цемента (примерно на 10-15%) без ухудшения качества бето­на. Имеет такие те марки, как и обычный портландцемент.

Гидрофобный портландцемент получают, вводя при помоле клинкера 0,08-0,25% мылонафта, асидола, синтетических жирных ки­слот, их кубовых остатков и других гидрофобизующих веществ. Он обладает пониженной (по сравнению с обычным цементом) ги­гроскопичностью, лучше сохраняет свою активность при хранении и перевозках. Гидрофобный портландцемент пластифицирует бе­тонные и растворные смеси, повышает морозостойкость и водоне­проницаемость бетона.

Белый и цветные портландцементы.

Клинкер белого цемента изготовляют из чистых известняков и белых глин, почти не содержащих оксидов железа и марганца, кото­рые придают обычному портландцементу зеленовато-серый цвет. Обжигают сырьевую смесь на беззольном (газовом) топливе. При помоле клинкера предохраняют цемент от попадания в него частиц железа.

В качестве эталона для определения степени белизны применяют молочное матовое стекло типа МС-14 с коэффициентом отражения не менее 95%.

Степень белизны, определяемая коэффициентом отраже­ния (в % абсолютной шкалы), должна быть для белого портландце­мента 1-го сорта - не ниже 80%, 2-го сорта - 75%, 3-го сорта - 68%; цемент выпускают М400 и М500.

Сорт белого портландце­мента	Коэффициент отраже­ния (в % абсолютной шкалы)
1	не ниже 80%
2	75-80%
3	68-75%

Цветные декоративные портландцементы получают, примеши­вая к белому цементу щелочестойкие пигменты (охру и др.).

Тампонажный портландцемент.

Тампонажный портландцемент изготовляют измельчением клинкера, гипса и добавок. Он предназначен для цементирования нефтяных и газовых скважин. Цемент для холодных скважин испы­тывают при температуре 22 2°С, для горячих скважин - при 75 3°С. Основная прочностная характеристика цемента - предел прочности при изгибе образцов-балочек размером 4 4 16 см, изготовленных из цементного теста с В/Ц = 0,5. Предусматривают выпуск специальных разновидностей портландцемента: утяжеленного, песчанистого, со­лестойкого, низкогигроскопичного.

Глиноземистый цемент.

Глиноземистый цемент – быстротвердеющее и высокопрочное гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельченного клинкера, содержащего преимущественно низкоосновные алюминаты кальция. Однокальциевый алюминат CaO∙Al O определяет быстрое твердение и другие свойства глиноземистого цемента. В сравнительно небольших количествах в нем также содержатся другие алюминаты кальция, например CaO∙2Al O . Влияние на качество цемента оказывает алюмосиликат кальция – геленит CaO∙Al O ∙SiO . Силикаты кальция представлены небольшим количеством белита.

Для получения клинкера глиноземистого цемента в качестве главных компонентов сырьевой массы берут известняк CaCO и породы, содержащие глинозем (Al O ∙nH O), например, бокситы.

Глиноземистый цемент обладает высокой прочностью только в том случае, если он твердеет при умеренных температурах, не свыше 25°С. Поэтому глиноземистый цемент нельзя применять для бетони­рования массивных конструкций из-за разогрева бетона, а также под­вергать тепловлажностной обработке.

Основным свойством глиноземистого цемента является его необычно быстрое твердение. Марки глиноземистого цемента, опре­деляемые по результатам испытания образцов 3-суточного возраста М400, М500 и М600. Портландцемент приобретает та­кую прочность только через 28 сут нормального твердения.

При столь быстром твердении глиноземистый цемент обладает нормальными сроками схватывания, почти такими же, как и порт­ландцемент. Начало схватывания глиноземистого цемента должно наступать не ранее 30 мин (у портландцемента не ранее 45 мин), а конец - не позднее 12 ч от начала затворения. Тепловыделение глино­земистого цемента при твердении примерно в 1,5 раза больше, чем у портландцемента. В продуктах гидратации глиноземистого цемента не содержится гидроксида кальция и трехкальциевого шестиводного гидроалюмината (если температура не превышает 25°С), поэтому бетон на глиноземистом цементе более стоек по сравнению с порт­ландцементом против выщелачивания Са(ОН)₂, а также в растворах сульфата кальция и магния (в частности, в морской воде). Однако затвердевший глиноземистый цемент разрушается в растворах кислот и щелочей, поэтому глиноземистый цемент нельзя смешивать с порт­ландцементом и известью.

С учетом специфических свойств и высокой стоимости глиноземистый цемент предназначается для получения быстротвердеющих, а также жаростойких бетонов и растворов. Кроме того, глиноземистый цемент используется для получения расширяющихся цементов.

Расширяющиеся и безусадочные цементы.

Расширяющиеся цементы относятся к числу смешанных, иногда многокомпонентных цементов. Изучались различные расширяющиеся компоненты, однако наиболее эффективным оказался трехсульфатный гидросульфоалюминат кальция 3CaO∙Al O ∙3CaSo ∙32H O. Состав цемента дает возможность регулировать количество и скорость образования кристаллов гидросульфоалюмината кальция и избежать появления вредных напряжений, вызывающих растрескивание затвердевшего цементного камня.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) является быстросхватывающимся и быстротвердеющим гидравлическим вя­жущим. Он получается путем тщательного смешивания глиноземи­стого цемента (70%), гипса (20%) и молотого специально изготов­ленного высокоосновного гидроалюмината кальция (10%).

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент - быстротвердеющее гидравлическое вяжущее, получаемое совместным тонким измельчением высокоглиноземистых клинкера или шлака и природ­ного двуводного гипса или тщательным смешиванием тех же мате­риалов, измельченных раздельно. Гипсоглиноземистый цемент обла­дает свойством расширения при твердении в воде; при твердении на воздухе он проявляет безусадочные свойства.

Расширяющийся портландцемент (РПЦ) является гидравличе­ским вяжущим веществом, получаемым совместным тонким измель­чением следующих компонентов (в % по массе): портландцементного клинкера - 58-63, глиноземистого шлака или клинкера - 5-7, гипса - 7-10, доменного гранулированного шлака или другой активной мине­ральной добавки - 23-28. РПЦ отличается быстрым твердением в ус­ловиях кратковременного пропаривания, высокой плотностью и во­донепроницаемостью цементного камня и способностью расширяться в водных условиях при постоянном увлажнении в течение первых 3 сут.

Напрягающий цемент состоит из 65-75% портландцемента, 20% глиноземистого цемента и 6-10% гипса; затворенный водой сначала твердеет и набирает прочность, затем расширяется как твердое тело и напрягает железобетон. Самонапряженный железобетон применяется в напорных трубах, в монолитных и сборных резервуа­рах для воды, в спортивных и подземных сооружениях.

В зависимости от достигаемой энергии самонапряжения (выражаемой в МПа) выделяют: НЦ-2; НЦ-4; НЦ-6. Напрягающий цемент быстро твердеет, прочность его при сжатии через 1 сутки должна быть не менее 15 МПа, через 28 суток – 50 МПа.

Вяжущие низкой водопотребности (ВНВ)

Получают по специальной технологии совместным помолом ингредиентов: клинкера с добавкой гипсового камня или готового портландцемента с добавкой сухого суперпластификатора и при необходимости с добавлением активной минеральной добавки (золы уноса, шлака, микрокремнезема). Механохимическая обработка позволяет синергетически усилить полезные свойства компонентов ВНВ: прочность цемента возрастает на 2-3 марки, пластифицирующий эффект суперпластификатора возрастает примерно в два раза. Это приводит к снижению водопотребности равноподвижных бетонных смесей до 120-135 л/м³ и водоцементного отношения до 0,25-0,30 для подвижных смесей и 0,20-0,25 – для жестких.

Обозначение: ВНВ-100, ВНВ-70, ВНВ-50 (М600), ВНВ-30 (М400…500).

Цифра — количество в % клинкера ПЦ.

Достоинства ВНВ:

1. Экономия клинкера

ВНВ-30 — из 1 т. клинкера можно получить более 3 т. ВНВ

2. Меньшая водопотребность

ПЦ — НГ ≈22…30 %; ВНВ — НГ ≈15…18 %.

За счёт этого резко повышается марка цемента. Из ПЦ М400 можно получить ВНВ М800…М1000.

3. Можно получать бетоны высокой морозостойкости и водонепроницаемости.

4. Ранняя прочность в возрасте 1 суток ≈0,5 R_Ц²⁸

Недостатки:

1. Дорогой за счёт добавки С-3, большей технологичности;

2. Быстро теряет свою активность.

Шлакощелочные вяжущие

Получают затворением молотого доменного гранулированного шлака растворами соединений натрия и калия в количестве 5-6% от массы шлака. Для затворения молотого шлака используют водные растворы щелочных компонентов 15-20%-ной концентрации по массе. В качестве щелочных компонентов применяют соду кальцинированную, поташ, растворимый силикат натрия. Шлакощелочное вяжущее имеет марки 400, 500, 600.

Приготовление и укладка бетона производятся обычными способами, однако на бетоносмесительном узле должно быть установлено специальное оборудование для приготовления щелочного компонента.

Щелочной компонент: Na₂CO₃, K₂CO₃ (поташ), x Na₂O y SiO₂ (жидкое растворимое стекло)

Мс=y/x — силикатный модуль жидкого стекла

Свойства:

1. Высокие прочность (тяжёлые бетоны — до 100 МПа и выше, лёгкие — до 60 МПа и выше);

2. Высокая водонепроницаемость;

3. Высокая морозостойкость (до тысячи и более циклов);

4. Высокое нарастание прочности в начальные сроки;

5. Экологичность;

6. Возможны высолообразования.