Механические и физические требования к портландцементу в зависимости от класса

Класс прочности	Прочность при сжатии, МПа				Начальное время схватывания, мин	Расширение, мм
	Прочность в раннем возрасте		Стандартная прочность
	2 сут	7 сут	28 сут
32,5 N		16,0	32,5	52,5	75	10
32,5 R	10,0	
42,5 N	10,0		42,5	62,5	60
42,5 R	20,0	
52,5 N	20,0		52,5		45
52,5 R	30,0	

Для обозначения класса прочности в раннем возрасте добавляется соответствующая буква N или R. Например, портландцемент, соответствующий СТБ ЕН 197-I–2007 класса прочности 42,5 с высокой прочностью в раннем возрасте, обозначается СЕМ I-42,5 R.

3.2. Свойства портландцемента

К основным свойствам портландцемента относятся: прочность (активность), сроки схватывания, равномерность изменения объема, тонкость помола, плотность, водопотребность, водоотделение, морозостойкость, тепловыделение, сцепление со стальной арматурой.

Прочность цементного камня и скорость его твердения зависят от минералогического состава клинкера и тонкости помола цемента, количества воды для его затворения, условий и продолжительности твердения.

Активностью портландцемента называют предел прочности при осевом сжатии образцов в возрасте 28 сут. В зависимости от активности с учетом предела прочности при изгибе портландцемент подразделяется на марки. Требования к маркам цемента и его разновидностям представлены в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Требования к маркам портландцемента и его разновидностям (гост 10178–85)

Наименование цемента	Марка цемента	Предел прочности при изгибе, не менее, МПа (кгс/см2)	Предел прочности при сжатии, не менее, МПа (кгс/см2)
Портландцемент и портландцемент с минеральными добавками	400 500 550 600	5,4 (55) 5,9 (60) 6,1 (62) 6,4 (65)	39,2 (400) 49,0 (500) 53,9 (550) 58,8 (600)

У быстротвердеющих портландцементов нормируется как 28, так и 3-суточная прочность.

Соответствие марок цемента по старому и новому стандартам примерно следующее:

 портландцемент (без минеральных добавок) ПЦ500Д0 имеет несколько меньшую прочность, чем СЕМ I-42,5N;

 портландцемент с добавками ПЦ500Д20 приближается к СЕМ II/А-S 42,5N;

 шлакопортландцемент ШПЦ400 отвечает СЕМ II/В-S 32,5N.

Сроки схватывания портландцемента определяют при испытании теста нормальной густоты. Согласно ГОСТ 10178–85, начало схватывания цемента не должно наступить ранее чем через 45 мин, а конец – не позднее 10 ч с момента затворения его водой. Если цемент быстро схватывается, то прежде чем его успеют использовать, он уже превращается в камневидное тело. При медленном схватывании цемента замедляются темпы строительства. По новому стандарту начало схватывания всех типов цементов, за исключением быстротвердеющих, должно быть не ранее 60 мин, а для всех быстротвердеющих и высокопрочных – не ранее 45 мин. Конец схватывания для всех цементов не регламентируется.

Для регулирования сроков схватывания цемента применяется гипсовый камень или другие материалы, содержащие сульфат кальция и отвечающие нормативным требованиям. Содержание гипса (в пересчете на SO₃) должно быть не ниже 1,5% и не выше 3,54,0 (для высокопрочных бездобавочных) для цементов типа I, II, V, а для цементов типа III, IV лимитирующие пределы составляют соответственно 1 и 4%. Потери массы при прокаливании, а также содержание нерастворимого остатка ограничиваются 5% только для цементов I типа.

На скорость схватывания портландцемента влияют также его минералогический состав (быстрее других минералов гидратируется С₃А), качество обжига (цемент из пережженного клинкера схватывается медленнее, а из недожженного  быстрее, чем цемент нормального обжига), тонкость помола (более тонкий помол ускоряет схватывание цемента), количество воды при затворении (повышенное количество воды замедляет процесс схватывания), температура окружающей среды (при повышении температуры процесс схватывания ускоряется, а при понижении  замедляется).

Твердение цементного камня всегда сопровождается некоторым изменением объема, что обусловлено процессами, протекающими как внутри твердеющей системы, так и возникающими под воздействием внешней среды. Изменение объема связано с:

 химическим связыванием части межзерновой воды;

 влажностью внешней среды;

 взаимодействием Са(ОН)₂ в цементном камне с углекислотой воздуха;

 потерей свободной воды;

 отсосом воды в зону гидратации.

Усадка цементного камня зависит от его минералогического состава и в возрасте 28 сут характеризуется следующими значениями: C₃S – 0,46; C₂S –0,77; C₃A – 2,34; C₄AF – 0,49 мм/м. Усадка цементного камня обычно достигает 3–5 мм/м.

При хранении цементных образцов в воде происходит набухание цементного камня, причем расширение составляет 0,1–0,3 мм/м. Увеличение объема у цементов различных типов в возрасте 275 сут составляет для рядового портландцемента – 0,023%, быстротвердею- щего портландцемента – 0,024%, шлакопортландцемента – 0,016%, глиноземистого цемента – 0,030%.

Набухание сопровождается поглощением воды и увеличением массы цементного камня на 3–5% в зависимости от продолжительности твердения. При набухании цементного изделия поры и капилляры заполняются водой, цементный гель адсорбирует на своей чрезвычайно развитой поверхности воду, которая раздвигает гидратные новообразования, в результате чего структура цементного камня уплотняется.

В некоторых случаях у затвердевшего цементного камня наблюдается значительное увеличение объема, причем такое расширение может возникнуть даже через несколько месяцев или лет. Расширение цементного камня сопровождается появлением трещин, вздутий, раскрашиванием углов и деформацией частей изделий. Данное явление связано с запоздалой, но весьма сильной по своему действию гидратацией некоторых компонентов портландцемента. Этот процесс протекает по месту расположения гидратирующегося зерна преимущественно в одном направлении, что вызывает неравномерное изменение объема. Неравномерность изменения объема может быть обусловлена следующими причинами:

– гидратацией свободного СаО, если его содержится в цементе более 1,5–2%. Кристаллы пережженного СаО требуют длительного времени для гидратации, и хотя объем, занимаемый Са(ОН)₂, составляет только 95,5% объема исходного СаО, рост кристаллов Са(ОН)₂ в одном направлении приводит к появлению трещин;

– крупные кристаллы периклаза (MgO) в количестве более 5%, которые могут образовываться при медленном охлаждении клинкера, гидратируются чрезвычайно медленно, скорость гидратации увеличивается с повышением температуры. Поэтому неравномерность изменения объема может проявиться при термовлажностной обработке изделий;

– при больших добавках гипса в цементном камне в отдаленные сроки твердения (после 3 сут) идет образование эттрингита, которое сопровождается расширением затвердевшей массы и ее разрушением.

Цемент, в котором обнаруживается неравномерность изменения объема, по всем действующим стандартам считается браком, и отгрузка его потребителям запрещена.

В настоящее время по ГОСТ 310.3–76 предусмотрено испытание на равномерность изменения объема кипячением лепешек из цементного теста нормальной густоты в пропарочной камере при 100C после их твердения в течение 1 сут с момента изготовления во влажно-воздушной среде.

По ГОСТ 10178–85, как и по европейскому стандарту, оценка равномерности изменения объема производится количественно по методу Ле-Шателье. Испытание ведут кипячением через сутки после изготовления цилиндриков, помещенных в кольцо, разрезанное по высоте и снабженное двумя иглами, концы которых расходятся под действием напряжений, возникающих в результате расширения цементного камня.

Тонкость помола портландцемента влияет на скорость его схватывания и твердения. Чем тоньше измельчен цемент, тем выше его прочность, особенно в начальный период твердения. В соответствии с ГОСТ 1017885 тонкость помола должна быть такой, чтобы при просеивании пробы цемента сквозь сито № 008 проходило не менее 85% массы просеиваемой пробы.

Тонкость помола характеризуется также удельной поверхностью. У обыкновенного портландцемента удельная поверхность обычно составляет 25003000 см²/г.

Вода, добавляемая к цементу при твердении, необходима для нормального течения химических процессов, происходящих при твердении цемента, и для придания свежеприготовленному цементному раствору и бетону подвижности, что обеспечивает плотность его укладки в форму или опалубку.

Плотность цемента 3100–3200 г/см³. Объемная масса в рыхлом состоянии бездобавочных цементов ПЦ I составляет 900, а в уплотненном 1400–1700 кг/м³. Чем меньше плотность и чем тоньше измельчен цемент, тем меньше его объемная масса. Цементы типа II, III, IV, V имеют меньшую плотность, причем она тем меньше, чем больше вводится добавок. Плотность шлакопортландцемента и пуццоланового цемента составляет 2700–3000 г/см³. Объемная масса пуццолановых цементов в рыхлом состоянии 800–1000 кг/м³, у шлакопортландцементов 900–1200 кг/м³, а в уплотненном состоянии соответственно 1200–1500 и 1400–1700 кг/м³. Наименьшую объемную массу имеют цементы с добавками осадочного происхождения – трепелом, диатомитом и т. д.

Согласно европейскому стандарту СТБ EН 197-I–2007, часть N, при водосодержании цементного теста, обеспечивающем стандартную консистенцию, плунжер не должен доходить до нижнего основания формы на 61 мм. Стандартная консистенция зависит от минералогического состава цемента, тонкости его помола, наличия гидравлических добавок и т. д. При введении гидравлических добавок осадочного происхождения, увеличении тонкости помола водопотребность цемента возрастает. Чем больше в цементе алюминатов кальция, тем выше водопотребность. Поскольку не вся вода расходуется на реакции гидратации клинкерных минералов, повышенная водопотребность цемента приводит к увеличению пористости, что снижает прочность и морозостойкость цементного камня. Водопотребность цемента можно регулировать специальными пластификаторами 0,1–0,3% ССБ или СДБ и другими лигносульфанатами кальция или адипинатом натрия.

Водопотребность портландцемента сравнительно невелика: для получения теста нормальной густоты требуется 2127% воды. Водопотребность различных портландцементов зависит от их минералогического состава, тонкости помола, присутствия активных минеральных добавок, допускаемых ГОСТ 10178–85, или шлаков и некоторых других факторов.

Уменьшить водопотребность и увеличить пластичность портландцемента можно путем введения пластифицирующих органических и неорганических ПАВ, например СДБ.

Водоотделение цементного теста  процесс отжима воды в затворенном цементном тесте, растворе или бетоне под действием силы тяжести зерен заполнителя и частиц цемента. Некоторое количество воды при этом выступает на поверхность уложенной бетонной смеси, а часть скапливается под поверхностями зерен крупного заполнителя. При послойной укладке бетона выделяющаяся из него вода скапливается между укладываемыми слоями, в результате образуется прослойка бетона с большим содержанием воды, что отрицательно сказывается на сцеплении одного слоя с другим. Происходит как бы расслаивание бетона, нарушающее его монолитность. Расслаивание может происходить и внутри бетона. Образующаяся в результате водоотделения пленка воды может понизить сцепление цемента также и с арматурой.

При испарении отделившейся воды образуется дополнительное количество пор, облегчающих проникновение агрессивной воды в глубину бетона. Водоотделение можно значительно уменьшить введением в растворные и бетонные смеси активных минеральных добавок (трепела, опоки), а также путем применением некоторых ПАВ.

Морозостойкость цементных растворов и бетонов  способность сопротивляться попеременному их замораживанию и оттаиванию в пресной или морской воде. Вода при замерзании превращается в лед, при этом она увеличивается в объеме. Это создает давление на стенки пор, нарушает структуру и в конечном результате приводит к его разрушению.

При снижении содержания в клинкере С₃А и повышении активности цемента морозостойкость цементных растворов и бетонов увеличивается.

В процессе твердения портландцемент выделяет теплоту. Если теплота выделяется очень медленно, то это обычно не вызывает возникновения трещин в бетоне. Если же этот процесс протекает сравнительно быстро, то применять данный цемент для возведения массивных сооружений не следует. Количество теплоты, выделяемой за 28 сут твердения отдельными клинкерными минералами, колеблется от 167,6 Дж/г для С₂S до 879,9 Дж/г для С₃А. Кроме того, на количество теплоты, выделившейся при твердении портландцемента, влияет тонкость его помола, количество воды затворения и температура окружающей среды.

Коррозионная стойкость портландцемента в основном зависит от плотности бетона или раствора и минералогического состава цемента. Наименьшей коррозионной стойкостью обладают цементы с повышенным содержанием алюминатов кальция и С₃S. Коррозионная стойкость бетона уменьшается с увеличением его пористости и с повышением тонкости помола цемента.