Цемент с минеральными добавками

Обновлено: 11.05.2024

гидравлическое минеральное вяжущее вещество, приобретающее при затворении водой высокую прочность.

* Гидравлическое – так как набор прочности и затворение происходит в присутствии воды.

* Минеральное – так как исходные материалы, используемые для его получения, – минеральной природы ( горные породы и продукты их выветривания).

Портландцемент используется для изготовления бетонов.

Портландцемент получают путем тонкого измельчения портландцементного клинкера и небольшого количества гипса. Собственно, сам портландцементный клинкер получают путем высокотемпературного отжига ( до 1450 о С) специально подготовленной сырьевой смеси из известняка и глины. Для получения портландцемента со специальными свойствами и снижения его себестоимости, при размоле портландцементного клинкера допускается введение различных минеральных и органических добавок ( шлакопортландцемент – ШПЦ, портландцемент с минеральными добавками, цемент НЦ). Кроме этого специальные виды цемента могут быть получены путем регулирования минерального состава и структуры самого цементного клинкера ( белый портландцемент, сульфатостойкий портландцемент и пр.), а также путем регулирования тонкости помола и зернового состава цемента ( быстротвердеющий портландцемент).

Основные технические характеристики портландцемента

Плотность

Плотность портландцемента в зависимости от вида и количества добавок составляет 2900-3200 кг/м 3 , насыпная плотность в рыхлом состоянии 1000 – 1100 кг/м 3 , в уплотненном – до 1700 кг/м 3 .

Тонкость помола

Характеризуется остатком на сите с сеткой № 008 ( размер отверстий 0,08 мм) – не более 6-10% и удельной поверхностью – для обычного портландцемента 2000 – 3000 см 2 /г, для быстротвердеющего 3500 – 5000 см 2 /г.

Уменьшение тонкости помола, с сохранением вещественного состава портландцемента, приводит к повышению прочности цемента.

Нормальная густота

Нормальная густота цементного теста* определяется водоцементным отношением ( масса воды / масса цемента), при котором достигается нормированная консистенция цементного теста.

* Цементное тесто – пластичная масса, образующаяся после смешивания цемента с водой.

Нормальная густота цементного теста для различных цементов составляет 23 – 29%.

Сроки схватывания

Рассчитываются от момента затворения. Начало схватывания ( начало потери подвижности цементного теста) – не менее 45 мин.; конец схватывания ( нормированная ГОСТом, степень затвердения цементного теста) – не позднее 10 часов. Сроки определяются при температуре 20 о С. Сроки схватывания бетонного раствора существенно зависят от температуры окружающей среды и длительности хранения цемента: с повышением температуры сроки схватывания ускоряются ( при повышении температуры с 20 до 40 о С сроки схватывания сокращаются вдвое); при увеличении длительности хранения – замедляются. На сроки схватывания также влияет количество воды затворения – ее уменьшение приводит к сокращению сроков схватывания.

Прочность

Кроме указанных выше основных характеристик портландцемента для строителей важны также и другие параметры, зачастую, не нормирующиеся в стандартах на цементы:

Разновидности цемента. Маркировка

Для того чтобы придать или улучшить определенные свойства портландцемента, в его состав дополняют специальными минеральными добавками или регулируют состав этих добавок.

Свойства минеральных добавок

Во всем видах минеральных добавок содержатся активные химические вещества.

К данным веществам относятся:

аморфный диоксид кремния – входит в состав вулканических горных пород и добавок искусственного происхождения;
аморфный водный диоксид кремния – входит в состав трепела, диатомита и некоторых других горных пород осадочного происхождения;
алюмосиликаты – входят в состав искусственных добавок и пород вулканического происхождения;
метакаолинит – входит в состав глинитов, глиежи, золы-уноса и топливных шлаков;
активный глинозем – входит в состав глинитов и топливных шлаков.

В составе извести и в продуктах, получившихся при твердении портландцемента, содержится гидроксид кальция, который при нормальной температуре и в присутствии влаги способен взаимодействовать со всеми перечисленными минеральными добавками. При их взаимодействии образуются нерастворимые продукты.

В результате такой реакции, у извести появляются гидравлические свойства, а портландцемент получает более низкую себестоимость и приобретает некоторые специальные свойства.

Виды минеральных добавок

Активные минеральные добавки, могут быть природного и искусственного происхождения.

Природные минеральные добавки

К активным минеральным добавкам природного происхождения относятся осадочные горные породы и породы вулканического происхождения.

К таким породам относятся:

трепел;
диатомит;
глиежи;
опоку;
туф;
трасс;
пемза;
и вулканический пепел.

Искусственные минеральные добавки

К активным минеральным добавкам искусственного происхождения относятся отходы и побочные продукты промышленности. В том числе продукты, получаемые при производстве глинозема и обожжении глины при температуре до 800 °С.

К данным продуктам относятся:

гранулированные доменные шлаки;
электротермофосфорные шлаки;
топливные шлаки;
топливные золы;
нефелиновый шлам;
двухкальциевый силикат;
цемянка;
глиниты и др.

В зависимости от вида активных минеральных добавок и их количества, портландцементы с такими добавками делятся на 3 вида:

ПЦД – портландцемент с минеральными добавками;
ППЦ – пуццолановый портландцемент;
ШПЦ – шлакопортландцемент.

Портландцемент с минеральными добавками (ПЦД)

ПЦД состоит из клинкера, минеральных добавок и гипса, которые перемешивают вместе, предварительно измельчив. При этом количество минеральных добавок в составе ПЦД не должно превышать 20%, для того чтобы сохранить все основные свойства портландцемента.

При добавлении минеральных веществ в состав портландцемента, его свойства хоть и сохраняются, но претерпевают некоторые изменения:

морозостойкость – немного снижается;
водостойкость – улучшается;
сопротивляемость коррозии – улучшается;
тепловыделение – становится ниже.

Благодаря тому, что до 20% состава ПЦД занимают минеральные добавки, экономиться портландцементный клинкер, что и способствует снижению себестоимости конечного продукта. В итоге мы получаем экономически выгодный цемент с улучшенными качествами и сниженной себестоимостью.

ПЦД выпускают всего несколько марок, это: М400, М500, М550 и М600. На отдельных заводах выпускают ПЦД М300, но только согласно специальному разрешению на это.

Если при строительстве объекта не требуется высокая морозостойкость, то вместо обычного портландцемента, чаще всего применяют именно ПЦД, поэтому он и получил такое широкое распространение.

Пуццолановый портландцемент (ППЦ)

ППЦ изготавливают также как и ПЦД, путем измельчения клинкера, гипса и минеральных добавок.

Но в составе ППЦ есть некоторые отличия:

портландцементный клинкер содержит менее 8% С3А;
активные минеральные добавки составляют от 20% до 40% объема.

Содержание минеральных добавок зависит от минерального состава и активности самих добавок.

ППЦ выпускают двух марок: М300 и М400 и согласно ГОСТу 76-го года, он относится к классу сульфатостойких цементов.

Шлакопортландцемент (ШПЦ)

ШПЦ изготавливают также как и ППЦ, но минеральный состав несколько отличается. В качестве активной минеральной добавки в ЩПЦ используется гранулированные доменные шлаки, объем содержания, которых варьируется от 20% до 80% от массы самого цемента.

Шлакопортландцемент выпускается трех марок: М300, М400 и М500. При этом он может иметь 2 разновидности, а именно сульфатостойкий шлакопортландцемент (СШПЦ) и быстротвердеющий шлакопортландцемент (ШПЦБ).

Для того чтобы изготовить ШПЦБ используют портландцементный клинкер высокого качества и размалывают его до 5000 кв.см/гр.

Для того чтобы иметь возможность управлять свойствами и структурой готового бетона и бетонной смеси, используют химические и минеральные добавки.

Виды бетонных добавок

Минеральные добавки – это порошки минеральных пород. Данные породы могут быть, как природного (горные породы), так и искусственного (молотые шлаки, зола и т. д.) происхождения.

Вещества, которые добавляют в бетонную смесь, для того чтобы улучшить или добавить какие-либо свойства, делятся на несколько групп. Группы бывают следующие: добавки, заполнители, наполнители, разбавители, уплотнители, модификаторы и т. д.

Минеральные добавки от минеральных заполнителей отличаются тем, что у них зерна имеют меньший размер и обычно не превышают 0,16 мм. При этом минеральные добавки не растворяются в воде, что отличает их от химических модификаторов.

При замешивании бетонной смеси, в наполнители образуются пустоты, которые заполняются цементом, а вместе с ним и минеральными добавками, это позволяет укрепить структуру готового бетона. В некоторых ситуациях данное свойство минеральных добавок позволяет уменьшить расход цемента. Вещества добавляемые в бетон, для того чтобы снизить расход цемента, называют наполнителями, поэтому если с помощью минеральных добавок удалось снизить расход цемента, то в данных случаях их называют минеральными наполнителями.

Разные минеральные добавки по-разному влияют на свойства и структуру готового бетона. И в зависимости от дисперсности добавки делят на разбавители и уплотнители цемента.

Минеральные разбавители

К ним относит зола и другие минеральные вещества, разбавители имеют состав, близкий к составу цемента еще его называют гранулометрическим составом, удельная поверхность такого вещества от 0,2 до 0,5 кв.м/грамм.

Минеральные уплотнители

К уплотнителям относится микрокремнезем, зерна уплотнителей обычно в 100 раз меньше, чем зерна цемента. Удельная поверхность уплотнителей от 20 до 30 кв.м/грамм. Благодаря таким мельчайшим размерам зерен, уплотнители способны заполнять пустоты между зернами цемента, что позволяет одновременно увеличить плотность и прочность готового бетона.

Виды минеральных добавок

Различают активные и инертные минеральные добавки.

Активные минеральные добавки

Данные добавки способны вступать во взаимодействие с диоксидом кальция даже при комнатных температурах, но с обязательным присутствием воды, результатом такого взаимодействия становится вещество с вяжущими свойствами.

После добавления активных минеральных добавок в бетонную смесь, они начинают взаимодействовать с Ca(OH)₂, который выделяется при гидратации портландцемента.

Существуют активные минеральные добавки, которые способны самостоятельно твердеть и тем самым увеличивать прочность общей конструкции. К таким добавкам относится молотый доменный шлак, который активизируется и начинает твердеть после добавления извести в состав.

На свойства самих минеральных добавок самое большое влияние оказывает их зерновой состав, так как именно он в значительной степени определяет удельную поверхность вещества, а вместе с этим и их реакционную способность. Так же зерновой состав в значительной степени влияет на возможность увеличения плотности готовой бетонной структуры.

Инертные минеральные добавки

Данный вид минеральных добавок, не вступает не в какие реакции при обычных температурах. Но при автоклавной обработке, данные добавки могут проявлять реакционную способность и вступать во взаимодействие с компонентами цемента. Так же применяют и другие способы для того, чтобы заставить инертные минеральные добавки вступать в реакцию с другими компонентами бетонной смеси.

Инертные минеральные добавки чаще всего используют для того, чтобы регулировать зерновой состав и заполнение пустот в твердой фазе бетона. Данный подход позволяет управлять свойствами бетона и бетонной смеси.

К инертным минеральным добавкам относятся кварцевый песок, глина, известняки и другие.

Активные природные минеральные добавки

Данный вид добавок получают путем измельчения различных горных пород, осадочного и вулканического происхождения.

К породам осадочного происхождения относятся:

К породам вулканического происхождения относятся:

Активные природные минеральные добавки иногда называют «пуццоланы». Данное название впервые было применено к туфу, который добывали в одном и одноименных мест в Италии.

Природные минеральные добавки на 80-90% состоят из глинозема и кремнезема, которые определяют активность таких добавок. Эти добавки довольно широко применяются в производстве цемента. А самым большим недостатком таких добавок является повышенная водопотребность.

Активные минеральные (гидравлические) добавки — это тонкодисперсные минеральные вещества, которые при затворении водой самостоятельно не твердеют, но, будучи добавленными к воздушной извести, придают ей способность твердеть в воде. Эта способность основана на том, что содержащиеся в активных минеральных добавках кремнезем (Si0₂) и глинозем (А1₂0₃) связывают известь в присутствии воды в нерастворимые гидросиликаты и гидроалюминаты кальция, обладающие гидравлическими свойствами. Активные минеральные добавки бывают природные и искусственные. К природным относятся некоторые горные породы как вулканического (вулканические пеплы, туфы, трассы), так и осадочного (диатомит, трепел, опока, глиежи) происхождения. К искусственным относятся доменные и электротермофосфорные гранулированные шлаки, нефелиновый шлам, искусственно обо-жженые глинистые материалы, зола-унос. Среди этих веществ наибольшее значение имеют пуццоланы — быстро охлажденные вещества вулканического происхождения, содержащие Si0₂ и А1₂0₃ в аморфной форме и имеющие высокую активность, и доменный гранулированный шлак, получаемый в качестве побочного продукта при выплавке чугуна.

Основными составляющими шлака являются СаО, Si0₂ А1₂0₃ и MgO. Расплавленный шлак, выливаемый из домны, разбивают на гранулы (гранулируют), в результате чего облегчается его дальнейшая переработка. Грануляция имеет и другую цель — за счет быстрого охлаждения получить стекловидную структуру шлака и тем самым повысить его гидравлическую активность.

Пуццолановый портландцемент (ППЦ) относится к сульфато-стойким видам цемента. Его получают путем совместного помола портландцементного клинкера нормированного состава (С₃А < 8 %, А1₂0₃< 5%, MgO < 5 %) и 20. 40% пуццоланы. При помоле добавляют гипс для регулирования сроков схватывания. При твердении ППЦ вначале образуются те же продукты, что и при гидратации ПЦ. Вслед за этим аморфный кремнезем пуццоланы, реагируя с образовавшимися Са(ОН)₂ и ЗСаО ■ А1₂0₃ • 6Н₂0, переводит их в малорастворимые низкоосновные гидросиликаты и гидроалюминаты кальция (реакции пуццоланизации):

Поскольку в составе продуктов гидратации ППЦ отсутствуют растворимый Са(ОН)₂ и высокоактивный С₃АН₆, он более стоек, чем ПЦ, к выщелачиванию и сульфатной коррозии. По сравнению с ПЦ он медленнее твердеет, выделяет меньше теплоты и имеет меньшую прочность, характеризуемую марками 300 и 400, что объясняется замещением части клинкера менее активной пуццоланой. ППЦ имеет высокую водопотребность — 30. 40% (ПЦ — только 24. 28%). Морозостойкость и воздухостойкость бетонов на ППЦ низка, однако водонепроницаемость их выше, чем бетонов на ПЦ, так как гидравлическая добавка под влиянием известковой воды сильно набухает. ППЦ дешевле, чем ПЦ, и его выгодно применять в подводных и подземных частях конструкций, во внутренних зонах бетона гидротехнических сооружений. Вследствие пониженной морозо- и воздухостойкости его не используют в атмосферных условиях и в зоне переменного уровня воды.

Шлакопортландцемент (ШПЦ) получают путем совместного помола портландцементного клинкера и гранулированного доменного шлака (от 20 до 80 %) с добавлением гипса. Допускается замена части шлака (до 10% от массы цемента) пуццоланой. При гидратации клинкерной части ШПЦ образуются те же кристаллогидраты, что и при твердении ПЦ. Под воздействием насыщенного раствора извести стекловидная фаза доменного шлака активизируется и вступает в процессы гидратации и гидролиза с образованием гидроалюминатов и гидросиликатов кальция. В ШПЦ гипс не только замедляет схватывание, но и выступает в начальный период наряду с Са(ОН)₂ в роли активизатора твердения шлака. В дальнейшем и гипс, и известь непосредственно реагируют со шлаковыми составляющими, образуя типичные для ШПЦ продукты: гидрогеленит и гидрогранаты. При твердении ШПЦ образуются гидросиликаты меньшей основности, чем при твердении ПЦ.

Преимущества ШПЦ перед ПЦ заключаются, во-первых, в более высокой водостойкости в пресных и сульфатных водах, что обусловлено низким содержанием в цементном камне Са(ОН)₂ и меньшей основностью силикатов; во-вторых, в более низкой (на 30. 40%) стоимости. Тепловыделение ШПЦ меньше тепловыделения ПЦ, что для массивных конструкций является крайне желательным. Высокая адгезия к стальной арматуре и способность при пропаривании набирать прочность быстрее ПЦ позволяют применять шлакопортландцемент на заводах железобетонных изделий. К недостаткам ШПЦ можно отнести пониженную по сравнению с ПЦ активность, в результате чего бетоны на этом цементе твердеют медленнее и имеют более низкие характеристики прочности, морозостойкости, водонепроницаемости. Марки ШПЦ по прочности: 300, 400, 500. По прочности и морозостойкости ШПЦ превосходит ППЦ, но уступает ему по водонепроницаемости. Во-допотребность ШПЦ (20. 25 %) немного меньше, чем у портландцемента.

ШПЦ используют в массивных наземных, подземных и подводных сооружениях, в частности, при воздействии агрессивной среды; для изготовления бетонных и железобетонных изделий; в составе кладочных и штукатурных растворов. Не рекомендуется применять ШПЦ в конструкциях, подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию, увлажнению и высыханию.

Активными минеральными (гидравлическими) добавкаминазывают природные или искусственные вещества, которые при смешивании в тонкоизмельченном состоянии с воздушной известью и водой образуют медленнотвердеющие гидравлические вяжущие. Активные минеральные добавки могут быть природными и искусственными.

К природным (пуццолановым) относят некоторые осадочные горные породы (диатомит, трепел, опока), а также породы вулканического происхождения (пепел, туф, пемза). Пуццолановые добавки содержат кремнезем – диоксид кремния в аморфном, а следовательно, в химически активном состоянии и способны поэтому взаимодействовать в нормальных условиях с растворимым гидроксидом кальция, образуя практически нерастворимые гидросиликаты кальция (ГСК), что значительно повышает стойкость цементного камня в отношении выщелачивания Са(ОН)₂:

В качестве искусственных минеральных добавок используют побочные продукты и отходы промышленности: быстроохлажденные (гранулированные) доменные и электротермофосфорные шлаки, топливные золы (уноса). Весьма перспективной техногенной добавкой является отход производства ферросилиция – аморфный микрокремнезем (МК), обладающий очень высокой пуццоланической активностью. Кроме того, эффективность действия МК связана с его чрезвычайно высокой дисперсностью. При заполнении пространства между цементными частицами ультрадисперсными частицами МК образуются многочисленные коагуляционные контакты, являющиеся дополнительными центрами образования гидросиликатов кальция. Более прочные и устойчивые низкоосновные ГСК кольматируют поры, повышают однородность структуры цементного камня и улучшают его качественные показатели, достигающие высокого уровня, в том числе при использовании рядовых цементов средних марок и обычной технологии их применения.

Наиболее известными и широко применяемыми среди многокомпонентных цементов с минеральными добавками и шлаковых цементов являются пуццолановый портландцемент ишлакопортландцемент.

Пуццолановый портландцемент (ППЦ) изготавливают путем совместного помола клинкера, содержащего не более 8 % C₃А, и пуццолановойдобавки в количестве 20-40 % с необходимым количеством гипса. ППЦ относится к группе сульфатостойких цементов и выпускается марок М300 и М400. Этот цемент следует применять для бетонов, постоянно находящихся во влажных условиях (подводные и подземные части сооружений). На воздухе ППЦ дает большую усадку и теряет прочность. Бетон на ППЦ твердеет медленно и имеет низкую морозостойкость. Вследствие малого тепловыделения ППЦ часто применяется для внутренних частей массивных конструкций.

Шлакопортландцемент (ШПЦ) изготовляют так же как и ППЦ, но в качестве активной добавки используют доменные гранулированные (или электротермофосфорные) шлаки, содержание которых должно быть не менее 21 % и не более 80 % от массы цемента. Доменные шлаки – продукт сплавления веществ, находящихся в пустой породе руды и флюса (известняка). По химическому составу шлаки состоятиз CaO, SiO₂, Al₂O₃и отчасти MgO. Суммарное содержание этих оксидов составляет 90 – 95 %. Грануляция шлаков заключается в быстром охлаждении шлакового расплава водой или паром. При этом расплав распадается на отдельные гранулы, приобретающие стекловидное и тонкозернистое химически активное состояние. Гранулированный шлак к самостоятельному твердению не способен; он взаимодействует с гидроксидом кальция, выделяющимся при гидратации клинкерных минералов, и с добавкой гипса с образованием гидросиликатов, гидроалюминатов и гидросульфоалюминатов кальция. Этот цемент выпускают марок 300, 400 и 500. Он отличается замедленным твердением, особенно в ранние сроки. Процесс твердения ШПЦ значительно ускоряется при тепловлажностной обработке, поэтому его эффективно применять для сборных бетонных и железобетонных изделий.

Тонкомолотые цементы (ТМЦ) получают совместным тонким помолом портландцементного клинкера или готового портландцемента, активной минеральной добавки (зола-унос, пуццоланы, шлак и т.д.), гипсового камня (гипс). От ВНВ или ЦНВ тонкомолотые цементы отличаются отсутствием суперпластификатора. Механохимическая обработка (тонкий помол) при получении ТМЦ позволяет синергетически усилить полезные свойства компонентов комплексного вяжущего: активность клинкерной части увеличивается в 1,5-2 раза, а частицы наполнителя играют роль упрочняющего компонента на микроуровне и являются структурообразующими центрами для новообразований цементного камня. Использование этих принципов позволяет ТМЦ при содержании до 70 % минеральных добавок (ТМЦ-80, ТМЦ-50, ТМЦ-30) по качеству не уступать портландцементам марок 400-500, а иногда и превосходить их. При замене гипса в ТМЦ на химические регуляторы схватывания и твердения, а также с применением специальных добавок, понижающих точку замерзания воды в бетоне, получена широкая гамма вяжущих для ведения бетонных работ при отрицательных температурах.

Принципы технологии ТМЦ использованы при получении новых гипсовых, гипсоцементно-пуццолановых и пробужденных безклинкерных вяжущих, бетоны на которых характеризуются повышенными по сравнению с традиционными материалами прочностью и стойкостью при воздействии внешних факторов, а также значительно меньшей энергоемкостью.

Читайте также: