9.10. Специальные виды цемента

Для получения портландцемента с заданными специальными свойствами используются следующие основные меры: регулирование минерального состава и структуры клинкера; введение минеральных и органических добавок; оптимизация тонкости помола и зернового состава цемента.

Разновидности быстротвердеющих портландцементов

Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) отличается от обычного более быстрым нарастанием прочности: через 3 суток имеет прочность около 25-28 МПа, т.е. более половины его марочной 28-суточной прочности (40 и 50 МПа). БТЦ получают путем измельчения (с добавкой 3-5% гипса) алито-алюминатного клинкера (сумма C₃S и C₃A = 60-65%). БТЦ – один из основных видов вяжущих для изготовления сборного железобетона. Используется также в монолитных немассивных железобетонных конструкциях для ускорения набора прочности, в особенности при зимнем бетонировании. Непригоден для массивных конструкций.

Особобыстротвердеющий высокопрочный портландцемент (ОБТЦ) в возрасте 1 сутки имеет прочность 20-25 МПа, 3 суток – 40 МПа. Столь быстрый рост прочности обусловлен высоким содержанием C₃S (65-68%) при умеренном количестве C₃А (до 8%) и высокой тонкостью помола (удельная поверхность цемента около 4000см²/г). Применение ОБТЦ в высокопрочных бетонах марок М500 – М600 снижает на 15-20% расход цемента, сокращает время и энергозатраты на тепловую обработку железобетонных изделий.

Сверхбыстротвердеющий цемент (СБТЦ) быстро схватывается, отличается от БТЦ значительно более высокой ранней прочностью, превышающей через 6 часов после затворения водой 10 МПа. Применение СБТЦ дает возможность через 1-4 часа получать без тепловой обработки прочность бетона, достаточную для распалубки изделий. Для изготовления СБТЦ требуется вводить в сырьевую смесь галогеносодержащие вещества (например, фторид или хлорид кальция) и повышать содержание алюминатов.

Сульфатостойкие портландцементы

Изготовляют на основе клинкера нормированного минерального состава (ограничивается содержание в клинкере алита, трехкальциевого алюмината и оксида магния) и применяют для изготовления бетонных и железобетонных конструкций, обладающих коррозионной стойкостью при воздействии сред, содержащих опасный уровень сульфатов.

Подразделяют на следующие виды: сульфатостойкий портландцемент марки 400; сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками марок 400 и 500; сульфатостойкий шлакопортландцемент марок 300 и 400; пуццолановый портландцемент марок 300 и 400.

Первый вид может также использоваться для бетонов повышенной морозостойкости. Сульфатостойкие шлакопортландцементы и пуццолановый портландцемент обычно применяют для подземных или подводных частей сооружений, подвергающихся сульфатной коррозии. Благодаря пониженному тепловыделению могут использоваться для бетонирования массивных гидротехнических сооружений.

Портландцементы с минеральными добавками

Активными минеральными добавками (АМД) называются природные или искусственные вещества, которые при смешивании в тонкоизмельченном виде с известью и затворении водой образуют тесто, которое после начального твердения на воздухе может продолжать твердеть и под водой.

АМД (называемые иначе гидравлическими добавками) содержат SiO₂ в аморфном, а следовательно, в химически активном состоянии и поэтому способны взаимодействовать с Са(ОН)₂, образуя гидросиликаты кальция.

В качестве природных АМД используются осадочные горные породы (диатомит, трепел, опока, глиежи), а также вулканические породы (туф, вулканический пепел, пемза, витрофир, трасс). Искусственные АМД представляют собой побочные продукты и отходы промышленности: быстроохлажденные (гранулированные) доменные шлаки, белитовый (нефелиновый) шлам, зола-унос.

АМД химически связывают растворимый в воде Са(ОН)₂, выделяющийся при твердении портландцемента, при этом повышается плотность и водостойкость цементного камня, возрастает его сопротивление коррозии.

Портландцемент с АМД до 20% имеет те же марки, что и бездобавочный портландцемент и близок к нему по своим свойствам.

Пуццолановый портландцемент изготовляют путем совместного помола портландцементного клинкера и АМД с необходимым количеством гипса. Добавок осадочного происхождения должно быть от 20 до 30%, а вулканического – от 25 до 40%. Химическое связывание Са(ОН)₂ происходит по реакции:

m Са(ОН)₂ + SiO_2(акт) + n H₂O → (0,8÷1,5)CaOSiO₂pH₂O,

образуя практически нерастворимый силикат кальция. В результате значительно возрастает стойкость бетона к коррозии 1-го типа.

Пуццолановый портландцемент следует применять для бетонов, постоянно находящихся во влажных условиях (подводные и подземные части сооружений). На воздухе такой бетон дает большую усадку и в сухих условиях частично теряет прочность. Кроме того, бетоны на этом цементе имеют низкую морозостойкость и не годятся для сооружений, подвергающихся замораживанию и оттаиванию.

Пуццолановый портландцемент твердеет медленнее, чем портландцемент, особенно при низких температурах. Он обладает небольшим тепловыделением, и поэтому его часто используют для бетонирования внутренних частей массивных сооружений (плотин, шлюзов и т.п.).

Шлакопортландцемент производится путем совместного тонкого помола клинкера и гранулированного доменного (или электротермофосфорного) шлака с необходимым количеством гипса. Имеет марки 300, 400, 500.

Доменные шлаки по своему химическому составу напоминают цементный клинкер. Количество доменного шлака в шлакопортландцементе должно быть от 21 до 80% массы цемента (допускается замена до 10% шлака трепелом или другими АМД).

Гранулированный шлак, взаимодействуя с Ca(OH)₂, образует низкоосновные гидросиликаты СаОSiO₂2,5H₂O и гидроалюминаты 2СаОAl₂O₃8H₂O кальция. Процесс твердения шлакопортландцемента значительно ускоряется при тепловлажностной обработке.

Шлакопортландцемент более стоек в мягких и сульфатных водах, по сравнению с портландцементом. Тепловыделение при твердении в 2 – 2,5 раза меньше, чем у пуццоланового портландцемента, поэтому шлакопортландцемент хорошо подходит для бетонов массивных конструкций. Шлакопортландцемент выгодно отличается от пуццоланового портландцемента умеренной водопотребностью, более высокой воздухо- и морозостойкостью. Применяется для наземных, подземных и подводных частей сооружений.

Однако, шлакопортландцементу присущ тот же недостаток, что и пуццолановому портландцементу – он медленно набирает прочность в первое время твердения, в особенности при низких температурах. Этот недостаток устраняется в быстротвердеющем шлакопортландцементе (имеет марку 400), который за трое суток приобретает прочность более 20 МПа.

Портландцементы с органическими добавками

Такие цементы изготовляют, вводя при помоле клинкера поверхностно-активные добавки, которые можно подразделить на гидрофилизирующие и гидрофобизирующие.

К гидрофилизирующим добавкам (которые улучшают смачивание частиц цемента водой и одновременно ослабляют силы взаимного сцепления между частицами вяжущего) относят сульфитно-дрожжевую бражку (СДБ), состоящую из лигносульфоната кальция (ЛСТ).

К гидрофобизирующим (т.е. водоотталкивающим) добавкам относят мылонафт, асидол, синтетические жирные кислоты и их соли.

Введение гидрофилизирующих и гидрофобизирующих добавок повышает пластичность, подвижность бетонных смесей и качество бетона.

Пластифицированный портландцемент – изготавливают путем введения при помоле клинкера около 0,25% СДБ (в расчете на сухое вещество), в результате растворам и бетонным смесям придается повышенная подвижность. Пластифицирующий эффект используется для уменьшения водоцементного отношения (В/Ц) и повышения плотности, морозостойкости и водонепроницаемости бетона. При неизменном В/Ц появляется возможность снизить расход цемента.

Гидрофобный портландцемент – изготавливают, вводя при помоле клинкера 0,1–0,2% мылонафта или других гидрофобизирующих добавок. Эти вещества, адсорбируясь на частицах цемента, понижают его гигроскопичность, поэтому такой цемент может долго храниться в очень влажных условиях, сохраняя свою активность.

Гидрофобизирующие вещества действуют и как пластификаторы, повышая подвижность бетонных смесей. После затвердевания бетона они существенно повышают его водо- и морозостойкость, увеличивают стойкость к коррозии.

Белый и цветные портландцементы

Это декоративные цементы, их основой является белый клинкер, который изготавливают из чистых известняков и белых глин, почти не содержащих оксидов железа или марганца. Обжигают сырьевую смесь газовым топливом. По степени белизны подразделяются на 3 сорта, имеют марки по прочности 400 и 500.

Цветные портландцементы (желтый, розовый, красный и др.) получают совместным помолом белого клинкера с соответствующими стойкими минеральными пигментами.

Белые и цветные цементы применяются для индустриальной отделки стеновых панелей, при изготовлении лестничных ступеней, цементно-бетонных покрытий площадей и для архитектурно-художественного оформления зданий и сооружений.

Цементы для строительных растворов

(кладочные цементы)

Изготавливают совместным помолом клинкера и минеральных добавок, взятых примерно в равных количествах или в соотношении до 30% клинкера и 70% добавок. При помоле могут вводиться пластификаторы.

Получаются низкомарочные цементы (активность в 2-3 раза меньше портландцемента), прочность которых достаточна для кладочных и штукатурных работ. Основное достоинство – экономия дорогого клинкера и в результате низкая стоимость таких цементов.