7.3.2 Цементы

Общие сведения. Современный облик строительной площадки определяют в основном два вида строительных материалов – бетон и сталь. В техническом и экономическом отношении они настолько важны, что высокоразвитые страны измеряют и сравнивают свой промышленный потенциал, как правило, по объему производства этих материалов. При этом объем производства бетонных и железобетонных изделий определяется количеством и качеством выпускаемого цемента. Поэтому цементная промышленность является одной из наиболее важных, а ее продукт – цемент, одним из наиболее широко применяемых материалов. Цемент часто называют еще «хлебом строительства». В Белоруссии планируется к 2010 году довести выпуск цемента до 5 млн. тонн.

Происходит слово цемент от лат. «саеmentum», что означает битый камень. Создателями его были английский каменщик из города Лидса Джозеф Аспдин и русский военный техник Егор Челиев.

Д. Аспдин в 1824 получил патент на изобретение цемента. По цвету затвердевший цементный камень напоминал портландский камень, добываемый близ города Портленда (Англия). Поэтому Д.Аспдин и назвал его портландцементом.

Е.Челиев независимо от Д.Аспдина изобрел цемент в 1811 году, а в 1825 г. издал книгу, в которой обобщил накопленный русскими строителями опыт по получению и применению цемента. В то время цемент, изобретенный Е.Челиевым, применялся при восстановлении Кремля и Москвы, разрушенных в период Отечественной войны 1812 года.

Однако вяжущее, полученное Д.Аспдиным, не было портландцементом в современном понимании этого слова, а представляло лишь разновидность романцемента, полученного при несколько повышенной температуре обжига. Гидравлическое вяжущее, описанное Е.Челиевым, было ближе по свойствам современному портландцементу и по качеству превосходило портландцемент Д.Аспдина. И тем не менее приоритет в изобретении цемента принадлежит англичанам.

В настоящее время в соответствии с ГОСТ 30515, действующем на территории Республики Беларусь, под цементом понимается порошкообразный строительный материал, который обладает гидравлическими свойствами, состоит из клинкера и, при необходимости, гипса или его производных и добавок. Цемент, отвечающий СТБ ЕН 197-1, обозначается как СЕМ цемент.

Сырье и производство. Получение цемента и его разновидностей слагается последовательно из двух технологических процессов - получения цементного клинкера а затем на основе клинкера - вяжущего вещества. Рассмотрим процесс производства цемента на примере портландцементного клинкера.

Сырьем для получения портландцементного клинкера служат известняк (СаСО₃ – 72…75%) и глина – 25…28 %. В состав глины входят: кремнезем SiО₂, глинозем Аl₂О₃, оксиды железа Fе₂О₃ и др. Такая сырьевая смесь может быть природного происхождения (мергели, мергелистые известняки) и искусственно приготовленная. Однако природное сырье такого состава встречается редко и поэтому заводам приходиться ориентироваться в основном на искусственные сырьевые смеси.

Получение портландцементного клинкера сводится к приготовлению сырьевой смеси надлежащего состава (шлама) и обжигу ее до спекания при температуре 1450^оС. Обжиг осуществляется во вращающихся печах цилиндрической формы, футерованных внутри огнеупорным материалом (рис.7.2). В зависимости от способа производства (мокрый, сухой и комбинированный) диаметр таких печей составляет от 4 до 7 м., а длина от 95 до 230 м.

Из известняка в процессе обжига (при t=1000…1100^оС) образуются оксиды кальция СаО, которые затем по мере дальнейшего повышения температуры вступают в химическое взаимодействие с составляющими глины. В результате образуются сложные химические соединения, способные после тонкого измельчения и затворения водой твердеть, т.е. превращаться в цементный камень. Такие соединения называют клинкерными минералами. Основные из них:

• алит – трехкальциевый силикат 3СаО^.SiО₂- содержится в количестве 45…65%. Это один из важнейших клинкерных минералов, определяющий время твердения, прочность и другие свойства. Отличается высокими химической активностью, скоростью твердения и прочностью, т.е. повышенное содержание в клинкере алита обеспечивает получение быстротвердеющего и высокопрочного портландцемента. При твердении выделяется много тепла.

• белит - двухкальциевый силикат 2СаО^.SiО₂ – содержится в количестве 20…35%. Менее активен, чем алит. Твердеет медленно, но продолжительное время и в последующем набирает достаточно высокую прочность. При твердении выделяет мало тепла.

• целит – трехкальциевый алюминат 3СаО^.Аl₂О₃ – содержится в количестве 4…12%. Очень быстро гидратируется и твердеет, выделяя при этом большое количество тепла. Имеет небольшую прочность и малую стойкость против воздействия сернокислых соединений.

• четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО^.Аl₂О₃^.Fe₂О₃ – содержится в количестве 10…20 %. Твердеет медленнее, чем алит, но быстрее, чем белит. Прочность тоже несколько ниже, чем у алита.

Поскольку каждый из этих минералов имеет свои специфические свойства, то и портландцемент с преимущественным содержанием одного или двух таких минералов, тоже получает присущие им свойства и соответствующее название (алитовый, белитовый, алюминатный, алюмоферритный, алитоалюминатный и др.)

Для получения портландцемента охлажденный клинкер размалывают совместно с добавками. Вводимые при помоле клинкера добавки снижают стоимость портландцемента и регулируют его свойства. Например, делают его гидрофильным или гидрофобным, снижают водопотребность, увеличивают водо- и коррозионную стойкость, усиливают декоративные свойства, ускоряют или замедляют процессы схватывания и твердения т.е. позволяют получать цементы с заранее заданными свойствами.

Основные свойства. Свойства портландцемента зависят от его химико-минералогического состава, тонкости помола, наличия и вида добавок и других факторов.

Истинная плотность портландцементов колеблется в пределах 3.05…3.15г/см³. Более низкие показатели плотности у пуццолановых портландцементов, более высокие – у портландцементов с повышенным содержанием железистых минералов.

Насыпная плотность зависит от истинной плотности, тонкости помола и степени уплотнения. В рыхлонасыпном состоянии она составляет 900…1100кг/м³, в уплотненном 1400…1700кг/м³. В расчетах принимается среднее значение насыпной плотности – 1300кг/м³.

Тонкость помола портландцемента в соответствии с СТБ ЕН 196-6-2000 характеризуется по удельной поверхности, т.е. величине поверхности зерен в см² в одном грамме цемента (см²/г) или по зерновому составу при просеивании, т.е. остатку на сите с размером ячеек 90 мкм.

Удельная поверхность отечественных портландцементов составляет 2600…3200 см²/г. По зерновому составу – через сито №009 должно проходить не менее 85% массы просеиваемой пробы. Обычно остаток на сите отечественных цементов составляет 8…12%.

С увеличением тонкости помола портландцемента увеличивается степень гидратации, возрастает содержание клеящих веществ и скорость твердения, повышается прочность цементного камня. Поэтому часто с целью повышения активности и получения быстротвердеющих цементов тонкость помола повышают. Считается, что на каждые 1000см²/г повышения удельной поверхности цемента его активность возрастает на 20…25 %. Тонкость помола высококачественных цементов составляет, как правило, 3500…4000см²/г.

Водопотребность (нормальная густота) портландцементов характеризуется относительным количеством воды (в %), необходимым не только для гидратации цемента, но и для придания цементному тесту определенной подвижности или консистенции. Определяется на приборе Вика по величине погружения в цементное тесто металлического стержня (пестика). За нормальную густоту принимается такая подвижность, когда пестик прибора Вика, погружаясь в тесто, не доходит до дна 5…7 мм.

Для процессов гидратации требуется около 15% воды от массы цемента. Однако, чтобы обеспечить необходимую подвижность цементного теста, воды берут значительно больше. Нормальная густота наших портландцементов колеблется в пределах 22…28%. У пуццолановых она выше и достигает 35%. Вода, не вступившая в химическое взаимодействие с составляющими портландцемента, образует поры и капилляры, способствует усадочным деформациям и образованию мелких трещин. Поэтому, чем ниже водопотребность портландцемента, тем выше его качество.

Сроки схватывания портландцементов устанавливают начало и конец схватывания цементного теста. Определяются тоже на приборе Вика по глубине проникания иглы в цементное тесто нормальной густоты. В соответствии с требованиями стандарта начало схватывания должно наступать не ранее 45 мин. конец схватывания – не позднее 10 часов от начала затворения водой. Реальные сроки схватывания портландцементов обычно наступают через 1…2 часа, а заканчиваются – через 4…6 часов. В эти сроки необходимо доставить и уложить растворные и бетонные смеси, иначе они потеряют пластичность и удобоукладываемость.

На строительной площадке конец схватывания цемента в растворной или бетонной смеси можно установить практическим путем. Смесь набирают в руку и сжимают. Если при сжатии на поверхности смеси не блестит вода, а комок растрескивается и рассыпается, то наступил конец схватывания.

На сроки схватывания портландцементов влияют минералогический состав, тонкость помола, температура окружающей среды, содержание воды и другие факторы.

Равномерность изменения объема. Одной из причин неравномерного изменения объема цементного камня при твердении является наличие в составе цемента свободных оксидов кальция и магния – СаО и МgО. Поскольку обжиг сырья при получении цемента происходит при более высоких температурах, (чем при получении извести) то образующиеся кристаллы оксидов кальция и магния имеют крупнокристаллическое и плотное строение. В результате они очень медленно гидратируются и, как правило, в затвердевшем цементе (растворе или бетоне). Запоздалое взаимодействие СаО и МgО с водой и сопровождающееся увеличением их в объеме и приводит к деформации и разрушению цементного камня. Поэтому содержание оксидов кальция СаО и магния МgО в исходном клинкере ограничивается и не должно превышать соответственно 1 и 5%.

Прочность на сжатие портландцемента характеризуется классом (маркой) и активностью. В соответствии с СТБ ЕН 196-1-2000 приняты три класса стандартной прочности: класс 32,5; класс 42,5 и класс 52,5. Определяют их испытанием стандартных образцов-призм размером 40х40х160 мм в возрасте 28 суток твердения. Образцы изготовляют из цементно-песчаного раствора состава 1 : 3 по массе (цемент : стандартный песок СЕN) с водоцементным отношением равным 0,50.

Для некоторых видов цементов, выпускаемых по ранее утвержденным нормативным документам, сохраняется до их пересмотра или отмены подразделение по прочности на сжатие по маркам. Маркой портландцемента в соответствии с ГОСТ 10178-85 принято именовать величину его предела прочности при сжатии в кГс/см² (МПа), но с округлением до нижнего предела и с учетом его предела прочности при изгибе. Наша промышленность выпускает портландцементы марок 300(30); 400(40); 500(50); 550(55); 600(60). Но есть цементы марок 700(70) и даже 1000(100).

Показатель предела прочности при сжатии половинок призм после испытания на изгиб принимают за активность портландцемента.

Твердение портландцемента. При смешивании портландцемента с водой образуется пластичное, легко формуемое тесто (гель), постепенно загустевающее (схватывающееся) и переходящее в камневидное состояние. Процесс твердения условно разделяется на три периода: подготовительный, коллоидации и кристаллизации.

В подготовительный период зерна цемента смачиваются водой (обволакиваются водной оболочкой), растворяются с поверхности и начинаются химические реакции между клинкерными минералами и водой. Основные из них:

3СаО^.SiO₂ + 5Н₂О = 2СаО^.SiО₂^.4Н₂О + Са(ОН)₂;

2СаО^.SiО₂ + 4Н₂О = 2СаО^.SiО₂^.4Н₂О;

3СаО^.Аl₂О₃ + 6Н₂О = 3СаО^.Аl₂О₃^.6Н₂О

4СаО^.Аl₂О₃^.Fe₂О₃ + nН₂О = 4СаО^.Аl₂О₃^.Fе₂О₃^.nН₂О.

Первыми гидратными новообразованиями являются гидросульфоалюминат и гидрооксид кальция. Со временем образуется насыщенный раствор определенной концентрации. В этот период, в течение 1…3 часов, цементное тесто пластично и легко поддается формованию.

В период коллоидации концентрация гидратных новообразований в растворе еще больше возрастает. Образуются очень мелкие гидросиликаты, гмдроалюминаты и гидроферриты кальция, практически нерастворимые в воде. Раствор становится перенасыщенным и очень быстро переходит в коллоидное состояние. В виде мельчайших частиц из него выпадают гидратные соединения, образуется гель, обладающий клеящими свойствами. В процессе дальнейшей гидратации в цементном тесте уменьшается количество свободной воды, клейкость геля увеличивается, цементное тесто густеет и наступает схватывание. Момент загустевания (схватывания) цементного теста наступает через 3…5 часов после затворения цемента водой. Прочность загустевшего теста в этот период еще невелика.

Период кристаллизации характеризуется дальнейшей гидратацией цемента. Гель постепенно преобразуется в кристаллические сростки. Формируется конденсационно-кристаллизационная структура цементного камня с химическими связями между частицами. Цементный гель теряет значительное количество воды, и наступает конец схватывания. В дальнейшем цементный камень уплотняется за счет продолжающихся реакций взаимодействия между цементом и водой, частичного обезвоживания и дальнейшей кристаллизации.

В последующем процессы растворения и гидратации минералов клинкера и кристаллизации новообразований протекают долгие годы. Кристаллический сросток, гель и непрогидратированные зерна цемента образуют цементный камень. В его структуру входят также поры и капилляры, образованные водой, химически не прореагировавшей с цементом.

Приведем наиболее важные выводы из рассмотренного механизма твердения портландцемента.

1. Все химические реакции взаимодействия клинкерных минералов с водой – экзотермические, т.е. сопровождаются выделением теплоты. Экзотермия цемента может играть как положительную роль (например, при ускорении твердения цемента, зимнем бетонировании и др.), так и отрицательную (при бетонировании массивных конструкций, производстве работ в жаркую сухую погоду и т.д.).

2. До окончания схватывания структура цементного геля способна обратимо восстанавливаться при механических воздействиях. Это позволяет определенное время сохранять формовочные свойства растворных и бетонных смесей.

3. В процессе взаимодействия минералов клинкера с водой образуется гидрооксид кальция Са(ОН)₂. Гидрооксид кальция в составе цементного камня тоже играет как положительную роль (щелочная среда хорошо защищает стальную арматуру от коррозии), так и отрицательную (Са(ОН)₂ сравнительно легко подвергается коррозии в агрессивных средах и даже может вымываться водой). Поэтому для повышения стойкости бетона к коррозии в цемент вводят активные минеральные добавки, связывающие Са(ОН)₂ в более стойкие соединения. Таким путем, например, получают пуццолановый портландцемент.

4. Затворение цемента водой – это необходимое условие образования прочного цементного камня, но избыточное количество воды уменьшает его прочность. Это связано с тем, что цемент способен химически связывать строго определенное количество воды – около 20% от массы сухого цемента. Избыточная вода, содержащаяся в цементном тесте а затем – камне, в последствии испаряется, образуя систему тончайших пор и капилляров. Чем больше содержание воды, тем больше окажется пористость, а, следовательно, ниже прочность и стойкость цементного камня и бетона.

Коррозия цементного камня вызывается воздействием агрессивных сред (жидкостей, газов) на составные части затвердевшего портландцемента и главным образом на Са(ОН)₂ и 3СаО^.Аl₂О₃^.6Н₂О. Несмотря на многообразие агрессивных веществ, основные причины коррозии можно разделить на три вида.

Коррозия первого вида обусловлена разложением составляющих цементного камня, растворением и вымыванием гидрооксида кальция (коррозия выщелачивания). Такая коррозия развивается наиболее интенсивно при действии на цементный камень проточных мягких вод (пресных), т.е. с малой временной жесткостью – не содержащих или мало содержащих солей кальция или магния. В результате содержащийся в цементном камне Са(ОН)₂ растворяется в такой воде, пористость цементного камня увеличивается, а прочность снижается. После вымывания гидрооксида кальция и снижения концентрации ниже 1,1г/л начинается разложение гидросиликатов, а затем гидроалюминатов и гидроферритов кальция. Наиболее активно протекает такой процесс, в случае давления воды на конструкции из цементного бетона. Выщелачивание можно заметить по образованию белых подтеков на поверхности изделий и конструкций.

Наиболее эффективное средство борьбы с выщелачиванием – введение в состав цемента активных минеральных добавок, связывающих Са(ОН)₂ в более стойкие соединения.

Коррозия второго вида вызвана образованием легкорастворимых солей в результате взаимодействия Са(ОН)₂ и других составных частей цементного камня с агрессивными веществами и вымыванием этих солей (кислотная, магнезиальная коррозия и др.). Такая коррозия происходит при действии на цементный камень морской воды или соленых озер, некоторых грунтовых вод, содержащих МgСl₂, МgSO₄, NaCl и другие соли.

Коррозия третьего вида обусловлена образованием в порах цементного камня новых соединений, занимающих больший объем, чем исходные продукты реакции (образованием так называемой «цементной бациллы»). Это вызывает появление внутренних напряжений в цементном камне и его растрескивание (сульфоалюминатная коррозия). Происходит чаще всего при действии на цементный камень сульфатных вод, содержащих соли серной кислоты – СаSO₄, MgSO₄, Na₂SO₄ и др. Причем разрушение цементного камня или бетона в конструкциях может происходить через 10…15 и более лет эксплуатации.

Проявляется такой вид коррозии, как правило, через сеть трещин на поверхности изделий. Местами поверхность изделий может вспучиваться и шелушиться. По поверхности раздела «цементный камень- заполнитель» образуются набухающие студенистые отложения белого цвета.

На практике редко встречается коррозия одного вида. Кроме того, трудно разграничить, например, коррозию первого и второго видов. Однако почти всегда можно выделить преобладающий вид коррозии и запроектировать мероприятия по защите конструкций от коррозии.

Классификация цементов в соответствии с ГОСТ 30515.

• По назначению цементы подразделяют на:

• общестроительные – основным требованием к которым является обеспечение прочности и долговечности бетонов или растворов;

• специальные – к которым наряду с формированием прочности предъявляют специальные требования.

• По виду клинкера цементы подразделяют на основе:

• портландцементного клинкера;

• глиноземистого (высокоглиноземистого) клинкера;

• сульфоалюминатного (-ферритного) клинкера.

• По вещественному составу цементы подразделяют на типы, характеризующиеся различным видом и содержанием добавок. В соответствии с ГОСТ 31108 и Европейским стандартом ЕН 197-I они подразделяются на пять типов:

• ЦЕМ I (портландцемент не содержащий минеральных добавок в качестве основного компонента);

• ЦЕМ II (портландцемент с минеральными добавками);

• ЦЕМ III (шлакопортландцемент);

• ЦЕМ IV (пуццолановый цемент) и

• ЦЕМ V (композиционный цемент).

Вид и содержание минеральных добавок регламентируются в нормативных документах на конкретный вид цемента.

• По срокам схватывания цементы подразделяются на:

• медленно схватывающиеся – с нормируемым сроком начала схватывания более 2 ч;

• нормально схватывающиеся – с нормируемым сроком начала схватывания от 45 мин до 2 ч;

• быстро схватывающиеся – с нормируемым сроком начала схватывания менее 45 мин.

  • По скорости твердения общестроительные цементы подразделяют на:

• нормальнотвердеющие – с нормированием прочности в возрасте 2 (7) и 28 сут;

• быстротвердеющие – с нормированием прочности в возрасте 2 сут, повышенной по сравнению с нормальнотвердеющими, и 28 сут.

Разновидности портландцементов. Для более полного удовлетворения специфических требований отдельных видов строительства промышленность выпускает большое разнообразие специальных цементов. В наименовании этих портландцементов подчеркиваются, как правило, их особые свойства (быстротвердеющий, гидрофобный) или указываются области их применения (дорожный, тампонажный) или указывается их отличие от обычных цементов по химическому составу (глиноземистый, алинитовый) и т.д.

Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) отличается от обычного интенсивным нарастанием прочности в первые трое суток твердения. Затем интенсивность роста прочности замедляется и на 28^ые сутки сравнивается с обычным портландцементом. Достигается быстрый набор прочности за счет улучшения технологии, повышения содержания активных минералов (алита и целита), более тонкого помола (до 3500…4000 см²/г) и ограниченным содержанием активных минеральных добавок.

Применение такого цемента позволяет значительно сократить сроки выдержки конструкций в опалубке, продолжительность термообработки. Целесообразно применять БТЦ также при ремонтных и восстановительных работах, в зимнее время, при изготовлении сборных высокопрочных обычных и предварительно напряженных железобетонных изделий и конструкций.

Однако при хранении БТЦ в течение 1…2 месяцев он утрачивает способность быстро твердеть и набирает прочность как, обычный портландцемент. Следовательно, хранить его длительное время нецелесообразно. Кроме того, применять такой цемент нецелесообразно в массивных конструкциях из-за чрезмерного тепловыделения и в агрессивной среде.

Особобыстротвердеющий портландцемент (ОБТЦ) является разновидностью быстротвердеющего. Активные минеральные добавки в таком цементе вообще отсутствуют, а клинкер должен содержать до 65…68% алита и около 8% целита, тонкость помола - более 4000…4500 см²/г. Помимо более быстрого набора прочности в первые сроки твердения ОБТЦ имеет еще и высокую активность – 70 МПа. Интенсивность роста прочности еще больше возрастает, если применить тепловлажностную обработку. За 4…6 ч при температуре 70…80^оС удается получить до 80 % марочной (28 сут.) прочности. Кроме того, при приготовлении бетонов расход цемента может быть снижен до 20%.

Применение такого цемента аналогично быстротвердеющему но с большей эффективностью.

Сверхбыстротвердеющий портландцемент (СБТЦ) имеет нормированный химико-минералогический состав. Кроме того, при изготовлении в сырьевую смесь вводят галогеносодержащие вещества, например, фторид кальция, увеличивающий содержание алюминатов. Через 1..4 часа твердения СБТЦ обеспечивает прочность в 10 МПа, т.е. достаточную для распалубки изделий, а через одни сутки – 60…70% нормативной прочности бетона.

Потенциальная потребность в сверхбыстротвердеющих цементах наряду с БТЦ определяется еще и прогрессирующим производством сухих строительных смесей.

Пластифицированный портландцемент получают совместным помолом портландцементного клинкера, гипсового камня и органических пластифицирующих добавок в виде концентрата сульфитно-спиртовой барды (ССБ) или кальциевой соли лигносульфоновой кислоты (ЛСТ) или других добавок в количестве 0,15…0,25% от массы цемента. При затворении водой добавки, адсорбируясь на поверхности зерен цемента, образуют водные коллоидные оболочки, ослабляющие силы молекулярного взаимодействия. В результате при приготовлении растворных или бетонных смесей при том же расходе воды повышается их подвижность и удобоукладываемость, либо при той же подвижности можно снизить расход воды и цемента. А это приведет к повышению плотности, прочности, морозостойкости и водонепроницаемости.

Гидрофобный портландцемент тоже получают совместным помолом портландцементного клинкера, гипсового камня и органических гидрофобно-пластифицирующих добавок – чаще всего мылонафта, асидола, синтетических жирных кислот и других гидрофобизирующих добавок в количестве 0,1…0,3%. Такие добавки образуют на зернах цемента тонкие мономолекулярные пленки, препятствующие смачиванию их водой (водоотталкивающие). В тоже время в процессе перемешивания бетонной или растворной смеси эти пленки разрушаются зернами заполнителя и не препятствуют взаимодействию с водой, хотя в первые сроки твердения такой цемент отличается несколько меньшим набором прочности.

Поскольку гидрофобизирующие добавки понижают гигроскопичность цемента, сроки его хранения увеличиваются без снижения прочности. Кроме того, такие добавки тоже повышают подвижность и удобоукладываемость растворных и бетонных смесей а, следовательно, плотность, прочность, водонепроницаемость и морозостойкость бетонов.

По техническим условиям гидрофобный цемент не должен впитывать воду в течение 5 минут. Существует простой способ определения такого цемента. Щепотку цемента помещают в стакан с водой – обычный цемент тонет, а гидрофобный распределяется по поверхности воды в виде пленки.

К цементам с органическими добавками следует отнести и цементы низкой водопотребности (ранее называвшиеся ВНВ – вяжущие низкой водопотребности. Получают совместным помолом портландцемента и поверхностно-активного вещества – суперпластификаторов (С-3, 10-03, 30-03 и др.). Портландцемент при этом домалывается до тонкости помола 4500…5000 см²/г. В результате зерна цемента капсулируются тончайшими оболочками из суперпластификатора. Такое вяжущее характеризуется:

• высокой тонкостью помола, что создает повышенную реакционную способность;

• низкой водопотребностью (15…18%) вместо 24…28% у обычного портландцемента;

• замедленным началом схватывания (до 6…7 часов) при сохранении конца схватывания в пределах 10 часов;

• быстрым набором прочности в ранние сроки твердения (через 1 сутки предел прочности при сжатии составляет 25…30 МПа);

• высокой конечной прочностью – до 120 МПа (класс 102,5) при максимуме 170 МПа.

Однако применение такого вяжущего технически целесообразно и экономически обосновано лишь при изготовлении высокопрочных бетонов для ответственных инженерных конструкций и уникальных сооружений.

Пуццолановый портландцемент получают путем введения при помоле клинкера от 20 до 40% активных минеральных добавок (пуццолановых, гидравлических). Такой цемент характеризуется замедленным нарастанием прочности в начальный период твердения. Сравнивается по прочности с обычным портландцементом лишь к 3…6 месяцам твердения. С понижением температуры твердения нарастание прочности еще больше замедляется и при t=+10^оС практически прекращается. При повышенных же температурах твердение такого цемента происходит более интенсивно, чем обычного портландцемента. Поэтому изделия на таком цементе целесообразно подвергать тепловлажностной обработке. Изделия на таком цементе имеют также и пониженную морозостойкость. Однако коррозионная стойкость таких цементов достаточно высокая, а себестоимость сравнительно низкая.

Шлакопортландцемент (ГОСТ 10178) получают при помоле портландцементного клинкера и доменного гранулированного шлака, содержание которого может достигать в отдельных случаях 80% от массы клинкера. По свойствам шлакопортландцемент аналогичен пуццолановому.

Глиноземистые и высокоглиноземистые цементы (ГОСТ 969) являются быстротвердеющими вяжущими. Сырьем для их производства служат известняки и породы с высоким содержанием глинозема (Аl₂О₃) – бокситные руды. Они характеризуются высоким набором прочности в начальные сроки твердения: через 5…6 часов набирают 30 %, а через 24 часа – 80…90 % марочной прочности. Через трое суток глиноземистые цементы имеют марочную прочность 40, 50 и 60 МПа, а высокоглиноземистые – 25 и 35МПа. Они хорошо твердеют при t=15…20^оС во влажной среде. Однако с повышением температуры твердения нарастание прочности замедляется. Поэтому пропаривать бетоны на таких цементах не рекомендуется. Кроме того, процесс твердения глиноземистых цементов сопровождается значительным тепловыделением, что ограничивает их применение в массивных конструкциях, но является положительным фактором при бетонировании в зимних условиях.

Предназначаются глиноземистые цементы в основном для изготовления быстротвердеющих строительных и жаростойких растворов и бетонов. Огнеупорность таких растворов и бетонов составляет 1580…1750^оС. Целесообразно использовать их также при аварийных и срочных работах, зимнем бетонировании, приготовлении бетонов высокой водостойкости, сульфатостойкости и водонепроницаемости,

Безусадочный, расширяющийся и напрягающий цементы. Процессы структурообразования цементного камня сопровождаются, как правило, его усадкой или набуханием. В результате усадки возникают самопроизвольные напряжения в цементном камне и, как следствие, микротрещинообразование с возможным ухудшением физико-механических свойств. Из-за трещин, образующихся вследствие усадки, нарушается сцепление и не обеспечивается монолитность сооружений. Усадка затрудняет применение цемента для заделки швов и стыков в конструкциях из сборного железобетона. Снять эти проблемы призваны перечисленные выше цементы. Получение их основано на образовании гидросульфоалюмината кальция (эттрингита), который связывает большое количество воды и за счет этого увеличивается объем всей твердеющей системы. Для этого применяются различные расширяющиеся компоненты, но все они сводятся в основном к использованию глиноземистого цемента или сульфоалюминатного клинкера в смеси с портландцементом, известью, гипсом или в других возможных сочетаниях. Как правило, в таких цементах содержится до 70% глиноземистого цемента.

У безусадочных цементов степень расширения невелика и лишь компенсирует усадку. Поэтому такие цементы как бы сами себя уплотняют, делая бетон водонепроницаемым.

В группу расширяющихся цементов входят – расширяющийся портландцемент, расширяющийся водонепроницаемый цемент, гипсоглиноземистый расширяющийся цемент (ГОСТ 11052) и др. Линейное расширение таких цементов составляет от 0,1 до 0,4%.

Напрягающий цемент (СТБ 1335) обладает способностью к более значительному расширению – до 4%. Этим свойством как функцией химической энергии пользуются при изготовлении предварительно напряженных железобетонных конструкций вместо более сложного механического или термического напряжения арматуры. С учетом величины достигаемой энергии самонапряжения его подразделяют на НЦ-2, НЦ-4 и НЦ-6. Цифры выражают энергию самонапряжения в МПа.

Белый портландцемент (ГОСТ 965) получают из чистых известняков и белых глин. Сырьевую смесь обжигают на беззольном топливе. У такого цемента ограничивают содержание оксидов железа Fe₂O₃ до 0,2%, которые ухудшают его белизну. В зависимости от степени белизны белый портландцемент подразделяется на три сорта с коэффициентом отражения света соответственно не менее 80, 75 и 70%. Однако отдельные фирмы поставляют на рынок цемент с белизной до 92%. Коэффициент отражения света обычного портландцемента составляет 40%. Марки белого портландцемента – 400 и 500.

Применяют белый цемент в архитектурно-отделочных, штукатурных и малярных работах, при устройстве наливных полов, изготовлении терразитовых половых плиток, искусственного камня и кирпича, изделий малых архитектурных форм и элементов декора, цветных цементов и бетонов.

Цветные портландцементы (ГОСТ 15825) представляют собой смесь совместного помола белого или цветного клинкера (не менее 80%), минеральных (не более 15%) и органических (не более 0,5%) красителей, гипса и активной минеральной добавки (не более 6%). Выпускаются желтого, розового, красного, коричневого, зеленого, голубого и черного цветов. Марки по прочности – 300, 400 и 500.

Цветные цементы по своим строительно-техническим свойствам соответствуют показателям обычного портландцемента. В то же время благодаря насыщенности и однородности цвета представляют в сочетании с оригинальными архитектурными решениями широкие возможности для эстетического формирования окружающей среды. Использование бетонных фактур из цветных цементных смесей позволяет достигнуть не только разнообразия в цветовом решении фасадов, но и имитировать другие более «благородные» фактуры, например, облицовки естественным камнем и керамикой.

Цветные цементы и бетоны могут найти широкое применение при строительстве жилых и общественных зданий, коттеджей из декоративного кирпича, аквапарков, плавательных и декоративных бассейнов, фонтанов, изготовлении садово-парковой скульптуры, декоративных ваз, оград, цветочниц, деталей наружного оформления, производстве сухих отделочных смесей, а также в дорожном строительстве для изготовлении плит и брусчатки, барьеров, парапетов, перил, бордюров, компонентов дорожной маркировки и материалов ландшафтной архитектуры, где требуются яркие цвета и высокая отражательная способность.

Вместе с тем следует обратить внимание архитекторов и строителей на недостаточно высокое качество декоративных портландцементов, выпускаемых в настоящее время. Цветным цементам свойственна склонность к усадочным явлениям, высолообразованию, выцветанию и другим недостаткам.