Характеристикой дисперсности цемента является

Обновлено: 01.05.2024

Статья рассказывает о технологических приёмах, позволяющих регулировать структуру и свойства цементных растворов и бетонов.

В современном строительстве бетон является одним из основных конструкционных материалов, уровень производства которого постоянно возрастает. Современные методы исследований и разработка передовых технологий, в том числе и нанотехнологий, позволяют направленно воздействовать на структуру и свойства цементных растворов и бетонов и получать материалы, обладающие высокими технологическими и физико-техническими параметрами.

Бетон XXI века — это, в первую очередь, многокомпонентный композиционный материал, состав которого, в отличие от традиционного бетона, представлен не только цементом, песком, щебнем и водой, но также химическими модификаторами полифункционального назначения и микронаполнителями различного минерального состава и дисперсности.

В настоящее время существует широкий выбор технологических приёмов, позволяющих целенаправленно регулировать структуру и свойства цементных растворов и бетонов.

Пластифицирующие добавки различных классов и, особенно, суперпластификаторы (СП) широко применяются в технологии бетона и позволяют за счёт снижения водопотребности растворных и бетонных смесей, при сохранении требуемой подвижности, значительно повышать прочность и долговечность изделий. Однако известно, что большинство пластификаторов обладают замедляющим действием вследствие их адсорбции на поверхности цементных минералов и гидратных фаз. Увеличение количества добавок приводит к значительному замедлению процессов гидратации и твердения и, в итоге, к снижению прочности цементных композиций в ранние сроки твердения.

Анализ технической и патентной литературы показал, что наряду с широким применением новейших технологий производства бетонных смесей и бетонов с суперпластификаторами уровень использования умеренных и недорогих пластификаторов в строительном производстве не снижается. Комплексные модификаторы на основе СП, ЛСТ и других пластификаторов используются не только в производстве бетонов на основе цементных материалов, но и в составах на основе бесцементных вяжущих, например, шлаковых, карбонатно-шлаковых, глиношлаковых и т. д.

В настоящее время в строительном материаловедении наиболее распространённой является кристаллизационная теория гидратации минеральных вяжущих веществ, в соответствии с которой выделение новой фазы в твердеющей системе происходит вследствие кристаллизации из пересыщенного раствора продуктов менее растворимых по сравнению с исходными.

В результате смешивания цемента с водой начальным процессом является сорбция поверхностью твёрдых частиц молекул жидкости затворения и гидратированных ионов. При этом параллельно протекают процессы растворения, гидратации на поверхности и в растворе, а также образования зародышей кристаллизации. Однако следует отметить, что в начальный период времени довольно сложно разделить процессы адсорбции, растворения и поверхностной гидратации. Очевидно, что кинетика этих процессов во многом определяется состоянием поверхности твёрдых частиц, степенью пересыщения раствора и другими условиями.

Анализ начальных условий формирования твердеющих структур свидетельствует о том, что гетерогенным цементным системам свойственно реагировать на малейшие изменения условий гидратации. Эти изменения могут достигаться различными способами, в том числе и путём применения химических веществ и наполнителей различной природы. Например, использование тонко- и ультрадисперсных наполнителей в цементных системах может в значительной степени изменить зарядовое состояние цементных частиц, изменяя, тем самым, не только реологическое состояние системы, но также характер и скорость гидратационных процессов. Адсорбция химических модификаторов, в особенности высокомолекулярных, способствует замедлению процесса гидратообразования в начальной стадии. Таким образом, вводя в цементную систему химические соединения различной природы, мы имеем в итоге её результирующий отклик на воздействия этих веществ и изменение условий гидратации.

В общем случае пластифицирующая и адсорбционная способность разжижителей различных классов определяется рядом факторов, важнейшими из которых являются длина и строение углеводородной цепи и молекулярная масса соединения. С этой точки зрения наиболее перспективными являются пластификаторы линейной структуры, характеризующейся наличием радикалов большой молекулярной массы, типа нафталина, меламина, антрацена, фенола и активных функциональных групп типа сульфо-, амино- и карбоксигрупп моно- или поликарбоновых кислот, способных реагировать с цементными минералами и продуктами их гидратации.

Несмотря на то, что адсорбция молекул СП может происходить на гидратных новообразованиях, её вклад в пластифицирующее, диспергирующее и водоредуцирующее действие СП не является определяющим. Роль СП в предотвращении ранней коагуляции цемента определяется барьерным механизмом действия молекул СП. Эта роль непосредственно связана с ионно-электростатическим механизмом отталкивания частиц, приобретающих при адсорбции полиионов в растворе СП одноимённый поверхностный электрический заряд. На величину этого заряда и прочность хемосорбированного взаимодействия ионов с поверхностью влияет состояние самой поверхности, структура основной цепи молекул и химическая природа функциональных групп.

В работах В. И. Калашникова, касающихся оценки влияния суперпластификаторов на дисперсные системы минеральных вяжущих и природных техногенных материалов, установлено, что тонкомолотые минеральные порошки, полученные на основе природных материалов, в отличие от цементных систем в значительно большей степени подвержены разжижающему влиянию суперпластификаторов. Это объясняется тем, что минеральные порошки являются инертными по отношению к воде, не проявляют гидравлической активности и, следовательно, не связывают определённое количество воды в гидраты. Минералы цементного клинкера, особенно алюминатные фазы, с первых секунд водозатворения образуют гидраты, включающие в свою структуру большое количество молекул воды (С2АН8, САН10, С4А(F)Н13, С4А(F)Н19 и другие), снижая, тем самым, эффективность действия практически всех пластификаторов и СП.

Таким образом, введение в цементные системы тонкодисперсных минеральных наполнителей, инертных по отношению к воде, позволит обеспечить создание необходимых реологических условий для получения высокотехнологичных и удобоукладываемых смесей и формирования плотно упакованной структуры твердения. Высокая плотность структуры может быть достигнута за счёт введения в систему 2–3 фракций минеральных микронаполнителей, близких друг к другу по кристаллохимическому строению. Наиболее целесообразным в этом случае является использование микронаполнителей, параметры кристаллических ячеек которых соизмеримы с аналогичными параметрами гидратных фаз цементных систем.

Применение в цементных системах дисперсных и ультрадисперсных минеральных наполнителей со структурными особенностями близкими к цементным минералам является целесообразным не только вследствие проявления многими из них химической активности, но и вследствие возможности встраивания их молекул в структуры кристаллогидратных фаз в процессе гидратации.

Высокомолекулярные органические соединения, применяемые в качестве модифицирующих добавок, являются своего рода инородными телами для гидросиликатов и гидроалюминатов кальция, препятствующими нормальному росту кристаллогидратов. Однако, несмотря на присутствие в системе подобных соединений, твердеющая структура по истечении определённого времени твердения (14–28 сут.) реабилитируется от влияния адсорбции этих веществ и стремится восстановить нормальный процесс кристаллизации. Известно, например, что большинство органических добавок, в том числе супер- и гиперпластификаторы, обеспечивая достижения высоких реологических и технологических эффектов, замедляют на определённое время процесс твердения цементных и мономинеральных систем. Однако диспергирующий эффект органических добавок способствует ускорению гидратации и твердения, поскольку дезагрегированные частицы вяжущего начинают активно взаимодействовать с жидкой фазой, ускоряя, тем самым, кинетику твердения и, во многих случаях, обеспечивая значительное повышение прочности в поздние сроки. Окончание индукционного периода при твердении модифицированных цементных систем очевидно и свидетельствует о начале реабилитационного периода, в процессе которого присутствующие на поверхности молекулы органических соединений уже не могут оказать столь существенного влияния на кинетику гидратационного твердения в целом.

Для цементных систем, наполненных тонкодисперсными минеральными добавками, индукционного периода замедления твердения не существует, поскольку природа, а, следовательно, и механизм активирующего действия минеральных добавок принципиально отличны от механизма действия органических добавок.

Таким образом, в гидратирующихся цементных системах в присутствии органических и минеральных добавок возможны два принципиально различных варианта формирования гидратных фаз. В первом случае молекулы и наночастицы модификатора могут быть вовлечены в структуру гидратов, например, при использовании в цементных материалах некоторых электролитов и минеральных наполнителей. Во втором случае молекулы и молекулярные комплексы в силу своих параметров не могут быть встроены в структуру гидратов. Этот случай характерен для большинства высокомолекулярных органических соединений, применяемых в цементных системах в качестве индивидуальных пластифицирующих и комплексных добавок.

Одним из возможных вариантов применения микронаполнителей в цементных композициях является использование высокодисперсных карбонатных шламов, образующихся в огромных количества на предприятиях энергетики в процессе химической подготовки воды. Подобные шламы имеют дисперсность 15–17 тыс. см2/г, экологически безопасны и широко распространены в технологии химводоподготовки многих энергетических предприятий России и зарубежья.

Исследования, выполненные ранее, показали, что применение шламов в цементных системах в индивидуальном виде позволяет значительно улучшать технологические свойства и удобоукладываемость растворных и бетонных смесей и повышать прочность цементных систем в среднем на 20–30 %. Однако следует отметить, что многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что наибольшая эффективность применения карбонатных шламов обеспечивается не в «тощих» смесях, а в составах со средним расходом цемента.

Это объясняется тем, что одним из возможных механизмов активирующего действия шламов является эпитаксиальное наращивание гидратных новообразований на частицах тонкодисперсного кальцита как на затравках кристаллизации. Недостаток цементной матрицы в составах с малым расходом вяжущего снижает эффективность кальцита как подложки для формирования эпитаксиальных контактов срастания.

В модифицированных цементных системах в процессе роста частиц и кристаллизации большую вероятность встраивания в структуру гидратов имеют молекулы и ассоциаты веществ близких к ним по кристаллохимическому строению. В полиминеральном цементном вяжущем, наполненном тонкодисперсным кальцитом, эта возможность является избирательной, поскольку лишь некоторые гидратные фазы имеют параметры кристаллических ячеек близкие к кальциту. В связи с этим в процессе гидратации возможны два механизма действия кальцита:

(1) встраивание молекул кальцита в структуру гидратов близких по кристаллохимическому строению;

(2) структурообразующее влияние поверхности кальцита как подложки для ориентированной кристаллизации новообразований.

Многообразие габитусов кристаллов кальцита и значительное пересыщение в системе в начальный период кристаллизации позволяет предполагать возможность протекания этих процессов как индивидуально, так и параллельно.

С целью изучения характера влияния комплексных добавок на основе СП и минеральных наполнителей на прочность тяжёлых бетонов была выполнена серия экспериментов с использованием рядовых цементов поволжского региона. В качестве пластифицирующих добавок были использованы суперпластификаторы С-3 и модификатор «Полипласт СП-1». Количество добавок составляло 0,5–0,7 % от массы цемента. Применялись минеральные наполнители двух видов и различной удельной поверхности. В качестве тонкодисперсной фракции применялся карбонатный шлам Пензенской теплогенерирующей компании в количестве 10–15 % от массы цемента, а в качестве наполнителя более грубой фракции использовалась доломитовая мука (г. Воронеж) с удельной поверхностью 4800 см2/г, в количестве 35–40 % от массы вяжущего. Технологический процесс приготовления равнопластичных бетонных смесей заключался в подготовке водного раствора суперпластификаторов в объёме необходимого количества воды затворения, в который последовательно вводились карбонатный шлам и доломитовая мука в заданном соотношении. Водная суспензия СП и минеральных наполнителей тщательно перемешивалась и порционно вводилась в сухую бетонную смесь. Испытания образцов бетона классов по прочности В15 и В25 проводились по истечении 7, 14 и 28 сут. нормального твердения.

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что совместное применение минеральных добавок и СП позволяет повышать прочность бетона в среднем на 40–50 %. При значительном увеличении доли минеральных добавок (до 50 % от массы цемента) и незначительном снижении водопотребности композиционных смесей (до 10 %) повышение прочности бетонов в период 7–28 сут. на рядовых цементах составляет в отдельных случаях до 70 %. Это позволяет снижать расход вяжущего в составах до 25–30 % и получать высокотехнологичные бетоны требуемой прочности.

Таким образом, применение минеральных микронаполнителей, тонкодисперсных шламов и каменной муки совместно с СП в цементных растворах и бетонах открывает широкие возможности получения композиционных материалов требуемой прочности при рациональном расходе цемента и существенной его экономии.

В отношении высокомарочных бетонов, применяемых в производстве строительных конструкций, следует отметить, что использование тонкомолотых фракционированных микронаполнителей, полученных из твёрдых горных пород в составах бетона, совместно с СП позволяет, вследствие значительного повышения прочности материала, снижать массивность железобетонных строительных конструкций за счёт экономии бетона. При условии обеспечения необходимой устойчивости строительные конструкции, проектируемые из высокопрочного бетона, будут иметь меньшие поперечные сечения и объём, что позволит не только достичь большого экономического эффекта, но и повысить архитектурную привлекательность зданий и сооружений.

Цемент – вяжущее вещество, в состав которого входят неорганические соединения. При взаимодействии с водой порошок вступает в химические реакции, в результате которых образуется твердый элемент, имеющий заранее заданную форму. После набора прочности элемент, изготовленный из цемента, заполнителей, воды и дополнительных добавок, служит длительный период с сохранением первоначальных характеристик. Плотность цемента в рыхлонасыпанном состоянии составляет 900-1300 кг/м3, в уплотненном – 1400-2000 кг/м3. При объемной дозировке вяжущего при приготовлении строительных смесей и растворов его плотность принимают равной 1300 кг/м3.

Классификация цементов по вещественному составу

Важный компонент цемента – клинкер, получаемый обжигом сырьевой смеси. В его состав, в зависимости от требуемых свойств конечного продукта, могут входить: известняк, глина, доменный шлак, нефелиновый шлам и другие. После обжига в клинкер вводят при необходимости дополнительные компоненты. Полученную смесь измельчают с получением тонкодисперсного порошка.

ЦЕМ I – портландцемент, наиболее популярный вид этого стройматериала, количество вспомогательных компонентов не превышает 5 %;
ЦЕМ II – портландцемент, содержащий минеральные добавки, в качестве которых используются шлак, микрокремнезем, пуццоланы, обожженный сланец;
ЦЕМ III – шлакопортландцемент;
ЦЕМ IV – пуццолановый;
ЦЕМ V – композиционный.

Введение минеральных добавок в количестве до 15 % незначительно изменяет свойства конечного продукта.

Добавки в количестве более 20 % оказывают значительное влияние на физико-химические и механические свойства цемента и получаемых из него строительных смесей и растворов.

Прочность цемента

В соответствии с новым стандартом выпускаются цементы следующих классов (марок):

В22,5 (М300);
В32,5 (М400);
В42,5 (М500);
В52,5 (М600).

Для цементов разных классов испытания проводят через 2, 7, 28 суток после изготовления образца. На этот показатель влияют: минералогический состав, наличие активных добавок, их свойства и процентное содержание.

Производители в паспорте обязаны указывать максимальную прочность вяжущего, определяемую в возрасте 28 дней.

Сроки схватывания цемента

Сроки схватывания определяются испытанием цементного теста нормальной густоты. Стандартные значения: начало процесса схватывания не раньше, чем через 45 минут, и его окончание не позже, чем через 12 часов после заливки строительной смеси или раствора. Слишком быстрое и слишком медленное схватывание является недостатком этого стройматериала. В первом случае требуется очень быстрая укладка приготовленного раствора. Во втором – сильно замедляются сроки строительства.

На сроки схватывания теста влияют:

Тонкость помола. Чем тоньше помол, тем выше прочность цемента, скорость его схватывания и твердения.
Минералогический состав. Чем выше процентное содержание трехкальциевого алюмината, тем быстрее схватывается вяжущее, затворенное водой.
Степень обжига. Чем выше температура термической обработки, тем медленнее схватывание.
Водоцементное соотношение. Чем оно выше, тем медленнее протекает процесс схватывания.
Температура окружающей среды. Чем она выше, тем быстрее схватывается цемент.

Изменение объема цемента при твердении

Процесс твердения затворенных водой цементов сопровождается изменением объема получаемого продукта. В соответствии с нормативом лепешки, изготовленные из цемента после его затворения водой, при испытании кипячением должны изменять объем равномерно. Если вяжущее не соответствует требованиям ГОСТа, то использовать его опасно, поскольку в конструкции возникнут напряжения, которые могут привести к ее разрушению.

Портландцемент при твердении на воздухе отличается небольшими усадочными процессами. Если же клинкер содержит большое количество свободных оксида кальция и оксида магния, то в процессе их гашения водой происходят локальные изменения объема цементного продукта, что приводит к образованию в нем трещин.

Водоцементное соотношение

Для нормального протекания процессов гидратации цемента и придания раствору необходимой подвижности требуется соблюдать оптимальное водоцементное соотношение (водопотребность). Водопотребностью цемента называют минимальное количество воды, которое обеспечивает получение цементного теста нормальной густоты. Нормальной густотой называют консистенцию, при которой пестик Тетмайера опускается в продукт на глубину, установленную нормативами.

Минимальной водопотребностью обладает портландцемент – 24-28 %. Снизить этот показатель, сохранив требуемую пластичность смеси или раствора, можно введением специальных добавок – пластификаторов. Водопотребность пуццолановых цементов при наличии в них добавок осадочного происхождения составляет 35-40 %.

Водоотделение цементного теста

Водоотделением называют отжим воды в цементном тесте из-за гравитационного действия цементных частиц и зерен крупного и мелкого заполнителей. Вода может выступать на поверхности цементного продукта, между слоями послойно укладываемого бетона, внутри бетонного элемента вокруг заполнителей и арматуры. Наличие таких пленок воды внутри конструкции приводит к расслаиванию и снижению прочности строящегося объекта.

Снизить водоотделение и расслаивание раствора или смеси позволяют:

доставка специальных готовых цементно-песчаных растворов и бетонов к месту строительства специальным транспортом;
соблюдение технологии укладки смесей и растворов;
снижение водоцементного соотношения с помощью применения пластификаторов;
введение ряда добавок – трепела, глины, бетонита.

Добавки в цемент доменного шлака приводят к увеличению водоотделения.

Морозостойкость цементно-песчаных растворов и бетонов

Морозостойкостью строительных растворов и смесей, изготовленных на базе цемента, называют способность затвердевших продуктов выдерживать циклы попеременного замерзания и оттаивания. Морозостойкость характеризуется маркой, обозначаемой буквой F.

Повысить морозостойкость отвердевшего бетона или цементно-песчаного раствора позволяет введение специальных добавок, таких как абиетат натрия, омыленный древесный пек и другие.

Тепловыделение цемента в процессе твердения

Процессы гидратации цемента сопровождаются выделением тепла, которое характеризуется абсолютным выделением тепла и ходом тепловыделения во времени. Медленное выделение тепла не оказывает отрицательного влияния на технические характеристики строительной конструкции. Цементы, у которых процесс гидратации протекает быстро, со значительным повышением температуры, не рекомендуется использовать при строительстве массивных сооружений из-за температурных перепадов внутри и снаружи бетонного элемента. В этом случае возникают значительные внутренние напряжения, которые становятся причиной образования трещин в бетоне.

Цементы, процессы гидратации которых сопровождаются значительным и интенсивным выделениям тепла:

с высоким содержанием трехкальциевых силикатов и алюмината;
содержащие значительное количество стекловидной фазы.

Значительное выделение тепла – процесс, желательный при зимнем строительстве.

Коррозионная стойкость цементного камня

Ученые разделяют это понятие на химическую и физическую коррозионную стойкость. Первый показатель характеризует химическую устойчивость компонентов вяжущего к корродирующим агентам. Это свойство улучшают ограничением содержания в цементе оксида алюминия и трехкальциевого силиката. Физическую коррозионную стойкость повышают снижением пористости получаемого продукта на основе цемента, уменьшением радиуса его пор и гидрофобизацией их поверхности.

Цементом называют порошкообразное вяжущее вещество, обладающее гидравлическими свойствами. Производится на основе клинкера, в который в качестве присадок добавляются минеральные добавки, содержащие сульфат кальция. Применяется в основном для приготовления строительных растворов и различных бетонов, которые имеют широкую сферу применения. Принципиальное отличие цементного раствора от других минеральных вяжущих – возможность набирания прочности даже во влажной среде, в то время как другим растворам (например, гипсовому), нужен сухой воздух.

Характеристики и свойства цементов

Для различных видов цемента присущи свои, уникальные характеристики, общими из которых считаются следующие свойства:

Стойкость цементного камня к коррозии – способность отвердевшего бетона противостоять агрессивному воздействию химических и щелочных сред. Для улучшения коррозиестойкости, при производстве в состав вводятся полимерные компоненты, снижающие пористость бетона.
Водопотребность: потребность сухого материала в определённом количестве воды для набирания необходимой подвижности готового раствора, обусловленной техническими условиями применения. При излишках воды в растворе, его поверхность получается недостаточно прочной, склонной к разрушению.
Тонкость помола – основная характеристика дисперсности цемента. Определяется количеством сухого остатка на сите после контрольного просеивания. Тонкость помола влияет на прочностные характеристики цементного камня и себестоимость производства.
Морозостойкость: устойчивость к отрицательным температурам, а также многоразовому замораживанию и оттаиванию. Качество цемента зависит от количества циклов, которое может выдержать отвердевший раствор без видимых разрушений. Для увеличения долговечности бетона используются различные минеральные присадки, увеличивающие его морозостойкость.
Прочность и предел прочности раствора определяется усилиями (измеряются в МПа), которые необходимо приложить для разрушения опытного образца. В зависимости от этого показателя цемент подразделяется на марки от М300 до М600. Для специальных объектов применяется продукция марки 700 или 1000.
Время схватывания определяется началом и окончанием отвердевания раствора. Этот показатель зависит от вида цемента, минеральных компонентов и модификаторов, входящих в состав, а также температурных и влажностных условий.

Выбор цемента: на какие характеристики обратить особое внимание

Все строительно-технические свойства цементов важны при проведении любых работ. Поэтому с уверенностью обозначить наиболее важные характеристики невозможно. Выбор производится по совокупности свойств и характеристик, наиболее полно подходящих для выполнения конкретных строительных или других задач. Именно поэтому существует довольно большое количество различных цементов, как общего, так и специального назначения.

Совет! При выборе цемента обращайте внимание на дату изготовления и фасовки, так как со временем порошкообразный материал слёживается до образования комков, вследствие чего ухудшаются его свойства.

Виды цементов

Классификация цементов на виды осуществляется в зависимости от вида клинкера и дополнительных компонентов, использующихся при изготовлении. Состав также влияет и на основную сферу применения.

Портландцемент

ПЦ – самый распространённый вид строительного материала, имеющий несколько разновидностей. Изготавливается из портландцементного клинкера, основой которого является двух и трёхкальциевый силикат, а также оксиды кремния и кальция.

ПЦ применяется в строительстве для изготовления отделочных и кладочных растворов, приготовления пенобетона, производства ж/б сборных и монолитных конструкций общего назначения.

Быстротвердеющий портландцемент

Одной из разновидностей ПЦ считается быстротвердеющий (БПЦ) материал, в состав которого кроме портландцементного клинкера входят минеральные компоненты, обеспечивающие интенсивный набор прочности на начальном этапе отвердения.

БПЦ применяется при производстве ж/б конструкций без пропаривающих камер, а также при скоростном (безостановочном) темпе строительства для приготовления кладочного раствора.

С гидрофобирующими добавками

Разновидность ПЦ с высокими водонепроницаемыми свойствами, которые достигаются путём введения в состав таких гидрофобных компонентов, как олеиновая кислота, асидол, мылонафт и так далее. Благодаря этим добавкам на поверхности цементного камня образуется гидрофобная плёнка, которая уменьшает гигроскопичность а, следовательно, влагопоглощающие свойства бетона.

Такие присадки используются при изготовлении раствора для фундаментов, ж/б конструкций, эксплуатируемых во влажных и мокрых условиях, в воде или когда есть угроза подтопления.

Цемент с ПАД

Поверхностно-активные добавки вводятся в состав в процессе помола. При перемешивании, ПАД образуют на зёрнах цемента тончайшую плёнку, предотвращающую сцепление частиц между собой. Это придаёт готовому раствору хорошую подвижность и пластичность, делает его удобоукладываемым.

Такой раствор применяется при создании сложных архитектурных конструкций, рельефных композиций, отлива декоративных элементов.

Тампонажный

Белитокремнезёмистый и низкогигроскопичный цементы изготавливаются с применением различных присадок, увеличивающих текучесть жидкого раствора, скорость схватывания и его прочность после окончательного застывания.

Применяются для защиты от грунтовых вод нефте- и газодобычных скважин методом их тампонирования.

Белый

Повышенное содержание таких силикатных и глинозёмистых компонентов, как глина, белый диатомит, каолин, известняк без окислов железа и марганца придают цементу белого оттенка. В процессе производства разогретый клинкер подвергают резкому охлаждению водой, что позволяет повысить белизну продукции.

Белый цемент используется при производстве искусственного камня, различных декоративных сухих смесей, изготовлении скульптур и других декоративных изделий, а также для устройства наливного пола.

Цветной

Если в белый цемент добавить сухой цветовой пигмент, получается цветной материал. Этот способ позволяет добиться практически любого оттенка и насыщенности раствора. Ещё один способ получения цветного портландцемента – технологический обжиг сырья. При определённой температуре клинкер меняет цвет на зелёный, жёлтый и чёрный. Особенность цветного продукта – большая усадка, выпадение солей и медленное затвердевание. Поэтому в раствор обычно добавляются пластификаторы и наполнители.

Применение цветных составов – оформление скульптур, декоративная штукатурка, производство цветной плитки и другие сферы.

Пуццолановый

Этот вид продукции включает в свой состав до 30% минеральных добавок и активные компоненты, которые вступают в химическую реакцию с цементом. Такие добавки делают готовый бетон стойким к сульфатам и пресной воде, а при изготовлении изделий автоклавным методом – очень прочным.

Изделия их пуццоланового цемента чаще всего используются при строительстве подземных или подводных коммуникаций и сооружений, так как они обладают слабой морозостойкостью.

Шлаковый

Гидравлические вяжущие, входящие в этот вид материала, изготавливаются из помолотых шлаков доменных печей и некоторых активизаторов. Железобетонные конструкции, изготовленные из шлакового цемента, отличаются высокой прочностью, а раствор применяется для кладки фундаментов и других конструкций с несущими функциями.

В зависимости от применяемых активизаторов, выделяют два основных вида продукции на основе доменного шлака:

ШПЦ: продукт с добавлением портландцемента и гипсового наполнителя. Шлакопортландцемент отличается медленно нарастающей прочностью, низкой экзотермией и устойчивостью к агрессивным средам. Применяется при строительстве портов и других гидротехнических сооружений.
ИШЦ: материал с добавлением извести, может включать небольшое содержание гипса и портландцемента, что улучшает его прочностные характеристики. Известково-шлаковый материал применяется для изготовления низкомарочного бетона, устойчивого к воздействию пресной воды.

Глинозёмистый

Изготовляется из известняка и других видов сырья, богатых глинозёмом. Помолотое сырьё подвергается термической обработке, поэтому цемент имеет тёмно-коричневый и даже чёрный оттенок. При приготовлении раствора требуется на 10% больше воды, чем для обычного портландцемента. При застывании выделяет тепло.

Глинозёмистый материал используется при проведении зимних строительных работ, аварийного строительства, ремонта мостов, подземных и других коммуникаций. Благодаря высокой огнестойкости, применяется в качестве кладочного раствора при возведении печей, каминов, дымоотводных и вентиляционных каналов.

Расширяющийся

Этот вид цемента обладает уникальной способностью расширяться в процессе твердения. Приращение объёма происходит благодаря химической реакции между вяжущим веществом и специальной добавки. В качестве вяжущего применяется глинозёмистый цемент, гипс, портландцемент и алюминат кальция. Раствор отличается быстрой схватываемостью (в зависимости от вяжущего, от 10 до 30 минут), отличной водонепроницаемостью и прочностью.

Расширяющиеся цементы применяются для изготовления ж/б труб и других изделий, эксплуатация которых предусматривает постоянный контакт с влагой, а также при ремонте различных гидротехнических сооружений и для создания водонепроницаемых швов в строительных конструкциях.

Особенности маркировки

Чаще всего цемент фасуется в мешки по 25 и 50 кг из крафт-бумаги, на которые наносится соответствующая маркировка.

1. Прежде всего, указывается нормативный документ, согласно которому произведён данный вид цемента.

2. Класс цемента по прочности на сжатие: 22,5; 32,5; 42,5; 52,5, означающий максимальное давление в МПа, которое может выдержать опытный образец.

3. Состав входящих компонентов обозначается римскими цифрами:

I – портландцемент;
II – портландцемент с минеральными добавками;
III – шлакопортландцемент;
IV – пуццолановый;
V – композиционный цемент.

4. Маркировка цемента по видам производится следующими буквенными обозначениями:

ПЦ – портландцемент;
БЦ – белый;
ВРЦ – водонепроницаемый расширяемый;
СС – сульфатостойкий;
ПЛ – пластифицированный;
ШПЦ – шлакопортландцемент;
ГФ – гидрофобный.

5. В зависимости от скорости набирания цементом прочности, наносится следующая маркировка:

ЦЕМ I – цемент с максимальной скоростью набора прочности. 50% от проектной прочности набирается меньше чем за 48 часов. Может содержать не более 5% добавок.
ЦЕМ II – содержит от 6 до 35% добавок, влияющих на скорость затвердевания раствора. Чем больше добавок, тем медленнее происходит схватывания.
ЦЕМ III – шлакопортландцемент с нормальной скоростью схватывания. Содержит добавок от 36 до 65%.
ЦЕМ IV – цемент пуццолановый. Имеет среднюю скорость твердения. Содержит различных добавок от 21 до 35% от общей массы.
ЦЕМ V – цемент на основе композиционного сырья со средней скоростью твердения. Содержит небольшое количество дополнительных компонентов (11–30%).

Способы производства цемента

Технология получения цемента включает в себя два этапа:

Получение клинкера. Минеральное сырьё, добытое различными методами, проходит дробилку, где разбивается на куски около 10 см в диаметре. После этого все компоненты, необходимые для производства смешиваются и обжигаются до получения однородной спёкшейся массы: клинкерных шариков.
Перемалывание клинкера в порошок. В клинкерный порошок вводятся дополнительные компоненты, входящие в состав данного вида цемента, после чего производится их перемешивание и дополнительный помол.

В зависимости от физическо-технических характеристик исходного сырья, производство цемента осуществляется по одной из трёх технологий:

Мокрый метод используется при изготовлении цемента из глины, мела и железосодержащих наполнителей. В результате помола сырья в воде, образуется шихта, которая подаётся в барабанные печи. В начальной стадии лишняя влага из шихты испаряется, после чего производится высокотемпературный обжиг. На выходе из печи получают клинкерные шарики, которые затем перемалываются в порошок.
Сухая технология отличается тем, что сырьё перемалывается и подаётся в печь в сухом состоянии.
Комбинированный способ производства может осуществляться двумя методами:
1. сырьё готовится в воде, а полученная шихта фильтруется от воды, после чего подаётся в печь на обжиг;
2. сухое сырьё измельчается, после чего увлажняется до образования влажной шихты, которая и отправляется на обжиг.
В связи с высокими энергозатратами при использовании мокрого метода, большинство производителей применяют сухую технологию производства цементного порошка.

Технические стандарты

Технические условия, свойства, характеристики, сферы применения, классификация и другие аспекты регламентируются следующими документами:

Основные производители

Цемент является востребованным строительным материалом, поэтому его производство налажено практически во всех крупных промышленных регионах России. Рассмотрим наиболее крупные предприятия.

«Евроцемент груп» – крупнейший в России холдинг, специализирующийся на производстве строительных материалов. Холдинг насчитывает 16 заводов по производству цемента, расположенных в различных регионах России, а также в странах ближнего зарубежья.

ОАО «Новоросцемент» – крупный отечественный производитель цемента, в 2017 году отмечающий 135 лет со дня образования. Мощности завода позволяют выпускать около 5,7 миллиона тонн цемента, отвечающего международным стандартам качества.

ОАО «ХК „Сибирский цемент“» – цементная компания, входящая в пятёрку крупнейших производителей России. Несмотря на молодость компании (основана в 2004 году), мощности позволяют производить до 5,3 млн тонн цемента.

«Себряковцемент» – компания начала свою историю с ввода в эксплуатацию цементного завода в г. Михайловке в 1953 году, проектная мощность которого составляла 600 тысяч тонн продукции. В наши дни завод полностью модернизирован и рассчитан на выпуск 4,06 млн. т./год, что составляет около 5% всего производства цемента в России.

Повышение свойств композиционных строительных материалов

Дисперсные минеральные наполнители (волластонит, диопсид, известняковая мука, зола-унос, микрокремнезем) способствуют упрочнению структуры продуктов гидратации цементных материалов. Это обеспечивает существенное увеличение прочности цементно-песчаного раствора и бетона и повышение их морозостойкости.
При этом четко проявляется оптимальное количество добавки, уменьшающееся при увеличении ее дисперсности.

При изготовлении цементных строительных материалов (строительного раствора и особенно бетона) минеральные наполнители используются достаточно широко [1–4]. Их применение позволяет в значительной мере реализовать потенциальные возможности цементных материалов, что обусловливает повышение их важнейших свойств. Во многих случаях введение таких добавок обеспечивает сокращение расхода цемента.

Принципиальных различий в составе и структуре продуктов гидратации цемента в цементном камне, растворе или бетоне не отмечено [5]. Однако в растворе и особенно в бетоне большое значение приобретает контактная зона — слой толщиной до 50 мкм на поверхности заполнителя. Состав, плотность, пористость этой зоны зависят от водоцемент-ного отношения, химического и гранулометрического состава микронаполнителей.

Прочность сцепления цементного камня с заполнителем зависит от типа цемента и вида заполнителя. Наименьшая прочность сцепления отмечена в случае базальтового заполнителя, наибольшая — при использовании низкоалюминатного сульфатостойкого цемента [6]. Прочность сцепления цементного камня из обычного портландцемента с заполнителем больше, чем с камнем из шлакопортландцемента, а прочность сцепления с известняком выше, чем с кварцем [7].

Эффективное использование дисперсных минеральных наполнителей зависит от химического состава и дисперсности вяжущего вещества и вводимой минеральной добавки. Влияние минеральных добавок обусловлено тем, что они: воздействуют на процесс гидратационного твердения цемента, микроармируют образующийся искусственный камень, препятствуют распространению в нем микротрещин при действии внешних напряжений и вызывают перераспределение механических напряжений между частицами добавки и искусственным камнем, причем существенно, чтобы модуль упругости материала добавки был выше, чем у искусственного камня.

Дисперсные минеральные микронаполнители могут выполнять роль подложек, на которых происходит рост кристаллов образующихся гидратных соединений. При этом важно, чтобы добавки были достаточно близки по составу, типу химических связей и физико-химическим характеристикам (удельной энтальпии образования, удельной энтропии и др.) к исходным вяжущим веществам и продуктам их гидратации.

Для обеспечения высокой эффективности действия минеральных микронаполнителей важны не только их свойства, но и вводимое их количество и дисперсность. Следует отметить, что количество вводимых минеральных добавок во многих случаях колеблется в широких пределах — от доли процента до нескольких десятков процентов от массы вяжущего вещества (цемента, оксида магния, гипса) [1–4]. Дисперсность добавок учитывается далеко не всегда, и в некоторых случаях в публикациях не производится теоретическая оценка влияния количества и дисперсности микронаполнителей.

Взаимодействие наполнителей с минеральными вяжущими веществами осуществляется в зоне контакта частиц этих компонентов. Очевидно, оптимальная концентрация добавок соответствует случаю, когда частица добавки со всех сторон плотно окружена частицами гидратированного вяжущего. Меньшее количество добавки приведет к снижению эффективности их действия. При большем ее содержании возможны прямые контакты между частицами добавки, что также снизит эффективность ее влияния.

Повышение свойств цементных материалов

В данной работе исследован портландцемент производства ООО «Искитимцемент» (Новосибирская обл.) марки ПЦ 400 Д-20. Минеральный состав его, % мас.: С3S — 50–55, C2S — 18–22, C3A — 7–11, C4AF — 12–15. Удельная поверхность его составила 320 м2/кг. Химический состав цемента, % мас: SiO2 — 20,7; Al2O3 — 6,9; Fe2O3 — 4,6; CaO — 65,4; MgO — 1,3; SO3 — 0,4; п.п.п. — 0,5.

Образцы для определения предела прочности имели размеры: цементный камень — 20 х 20 х 20 мм, цементно-песчаный раствор — 40 х 40 х 160 мм, бетон — 100 х 100 х 100 мм. Тепловлажностная обработка (ТВО) проводилась по режиму: подъем температуры в течение 3 часов, выдержка при температуре 90 °С в течение 6 часов, снижение температуры в течение 2 часов.

В составе цементно-песчаного раствора соотношение «цемент/песок» составляло 1/3. Состав бетонной смеси, кг/м3: цемент — 333 кг, песок — 615 кг, известняковый щебень — 1 300 кг, вода — 226 л.

В качестве дисперсных минеральных добавок применяли измельченные природные горные породы — волластонит и диопсид, являющиеся отходами горнодобывающего производства. В работе использована измельченная волластонитовая порода Слюдянского месторождения, имевшая состав, % мас.: SiO2 — 47,0; CaO — 49,4; MgO — 1,2; Al2O3 — 0,1; Fe2O3 — 0,1; потери при прокаливании — 2,1.

Диопсидовый микронаполнитель представлял собой измельченную вмещающую породу-отход от переработки флогопитовых руд Алданского месторождения. Его химический состав, % мас.: SiO2 — 50,3; Al2O3 — 3,4; Fe2O3 — 5,8; CaO — 24,6; MgO — 15,6; R2О — 0,3.

Различная дисперсность добавок достигалась измельчением в планетарной мельнице АГО-3, имеющей мощность двигателя 30 кВт и обеспечивающей центробежное ускорение, развиваемое мелющими телами, от 400 до 800 м/с2. Величины, характеризующие дисперсность вводимых добавок, приведены в табл. 1.

Табл. 1. Результаты лазерного гранулометрического анализа порошков при различной продолжительности измельчения в планетарной мельнице

Количество добавки, % мас.

Рис. 1. Прочность цементного камня, твердевшего 28 суток в нормальных условиях, при введении добавки диопсида дисперсностью: 1 — 393 м2/кг, 2 — 636 м2/кг, 3 — 979 м2/кг, 4 — 1 157 м2/кг.

Количество добавки, % мас.

Рис. 2. Прочность цементно-песчаного раствора, твердевшего 28 суток в нормальных условиях, при введении добавки диопсида дисперсностью: 1 — 393 м2/кг, 2 — 636 м2/кг, 3 — 979 м2/кг, 4 — 1 157 м2/кг.

Изменение прочности образцов цементного камня, цементно-песчаного раствора и бетона в зависимости от количества вводимой добавки диопсида различной дисперсности приведено на рис. 1, 2 и в табл. 2.

Табл. 2. Влияние количества и дисперсности диопсида на прочность бетона после 28 суток твердения в нормальных условиях

Аналогичные данные получены при тепловлажностной обработке образцов, а также при введении добавки волластонита. При этом добавка диопсида более эффективна вследствие большей его твердости. Во всех случаях четко проявляется оптимальное количество добавки. Если ее дисперсность близка к дисперсности цемента, то оптимальное количество добавки составляет 7–8 %. При увеличении дисперсности добавки ее оптимальная концентрация уменьшается. При введении оптимального количества диопсида прочность бетона значительно возрастает.

Введение дисперсных минеральных добавок (диопсида, волластонита) оказывает влияние на формирование структуры цементного камня. Об ее упрочнении свидетельствует смещение эндоэффектов на термограмме цементного камня в область более высоких температур.

Введение таких добавок оказывает существенное влияние также на поровую структуру цементного камня. При этом по данным ртутной порометрии значительно уменьшается средний диаметр пор, возрастает их характеристическая длина и уменьшается извилистость. По-видимому, вводимые добавки являются подложками, на которых происходит образование и рост игольчатых кристаллогидратов. Вследствие таких изменений структуры значительно повышается (с марки F200 до F300) морозостойкость бетона (табл. 3).

Табл. 3. Изменение прочности и массы образцов при испытании на морозостойкость

Приведенные выше экспериментальные данные относятся к цементу, имеющему удельную поверхность, равную 320 м2/кг. Однако достаточно широко, особенно в странах Западной Европы, используются цементы со значительно большей дисперсностью. Приведем данные по такому цементу.

Цементы с повышенной дисперсностью

В работе исследовано влияние дисперсных добавок на прочность цементного камня. Использованы цемент и материалы добавок, выпускаемые в ФРГ. Изготовление и испытание образцов цементного камня произведено в Высшей технической школе г. Бохум, ФРГ. Исследование структуры и свойств использованных материалов выполнено в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете (Сибстрин, Россия).

В работе использован цемент марки СЕМ I 52,5 R(ft). Цемент содержит, % мас.: SiO2 — 19,9; Al2O3 — 2,34; Fe2O3 — 1,31; CaO — 63,4; MgO — 0,73. Удельная поверхность цемента составляет 529,5 м2/кг, то есть этот цемент имеет высокую дисперсность.

В качестве добавок использованы: микрокремнезем, зола-унос и известняковая мука. Микрокремнезем Elkem Microsilika Grade 971-U производства BASF Constructions Polymers GmbH (ФРГ) имел содержание SiO2 не менее 97,5%. Наличие гало на дифрактограмме образца свидетельствует о присутствии аморфной фазы, на фоне которой отмечены малоинтенсивные пики кристаллической фазы, не поддающиеся идентификации. Зола-унос EFA-Fuller KM/C, поставляемая предприятием BauMineral (ФРГ) в качестве добавки в цемент, в составе кристаллических фаз имела 82% мас. муллита (3Al2O3∙2SiO2) и 18 % мас. кварца (SiO2).

У известняковой муки KS-Mehl, производимой предприятием Heidelberg Zement, Baustoffe fr Geotechnik (ФРГ), единственной кристаллической фазой является кальцит (СаСО3), содержание которого составляет 97% мас.

Исследованные добавки представляют собой тонко-измельченные порошки. При этом большое значение имеет не только удельная поверхность (или средний размер зерен) порошка, важно также и распределение частиц по фракциям, гранулометрический состав материала. Для контроля дисперсности порошков в данной работе использован лазерный анализатор типа PRO-7000 Seishin Enterprice Co., LTD, Tokyo, обеспечивающий определение размеров частиц в пределах от 1 до 192 мкм по 16-ти интервалам значений.

Результаты гранулометрического анализа микрокремне-зема, золы-уноса и известняковой муки представлены в табл. 4.

Табл. 4. Результаты лазерного гранулометрического анализа дисперсности добавок

Полученные результаты показывают, что дисперсность микрокремнезема близка к дисперсности цемента, оцениваемой по величине удельной поверхности, но превы-шает ее. У микрокремнезема преобладают зерна с размерами 4–12 мкм, возможно, являющиеся агрегатами более мелких частиц — 48%. У золы-уноса (23,4%) и известняковой муки (25,3%) их доля меньше. Известняковая мука и зола-унос имеют значительно меньший среднеповерхностный размер частиц (соответственно 0,9 и 1,1 мкм), чем микрокремнезем (2,9 мкм). Это предопределяет более интенсивное взаимодействие с цементом этих добавок по сравнению с микрокремнеземом.

Рис. 3. Зависимость прочности цементного камня от продолжительности твердения в нормальных условиях

Микрокремнезем и золу-унос вводили в состав цемента в количестве 1%, 1,5%, 2%, 2,5% и 3%. Известняковую муку вводили в количестве 2%, 5%, 7%, 9% и 11%. Полученные результаты приведены в таблице 5.

Табл. 5. Зависимость прочности при сжатии (МПа) образцов цементного камня от содержания минеральных добавок

Во всех случаях четко проявляется оптимальное содержание добавок, обеспечивающее максимальное значение прочности образцов цементного камня.

В исследованных интервалах содержания добавок оно соответствовало: у микрокремнезема и золы-уноса — 1,5%, у известняковой муки — 7%. Увеличение прочности при сжатии составляет: при введении 7% известняковой муки — 15%, 1,5% золы-уноса — 11,5%, 1,5% микрокремнезема — 3%.

Воздействие добавок на механическую прочность цементного камня обусловлено тем, что, как отмечено выше, они обеспечивают микроармирование цементного камня.
Кальцит, составляющий основу известняковой муки, имеет достаточно малую твердость — 3 по шкале Мооса. Это меньше, чем у цементного камня. То есть в данном случае трудно ожидать эффективного микроармирования цементного камня, и действие добавки обусловлено другими причинами.

В рассматриваемом материале можно выделить три основных элемента структуры, определяющих механическую прочность: частицы твердого наполнителя, цементное связующее и контактную зону между ними. Разрушение будет происходить по наиболее слабым элементам структуры. Рассматриваемые наполнители отличаются высокой прочностью. Наиболее вероятно, что слабым местом структуры материала будет контактная зона или цементное связующее. По-видимому, влияние СаСО3 будет проявляться в наибольшей мере на контактной зоне системы [7]. Оптимальное содержание добавки будет определяться ее воздействием на процесс гидратации цемента, формирование контактной зоны между частицами добавки и цементным камнем.

В рассматриваемом случае оптимальное содержание известняковой муки — 7% мас.
Эти данные подтверждаются результатами комплексного термического анализа на установке NETZSCH STA 449 С в интервале температур 20–1 000 °С. Масса навески составляла 100 мг. Скорость нагрева образца — 10 °С/мин.
Анализу подвергнуты образцы цементного камня в возрасте 6 месяцев, содержащие в качестве добавок к цементу 1,5% мас. микрокремнезема, 1,5% мас. золы-уноса и 7% известняковой муки.

Табл. 6. Температура эндоэффектов на кривых ДТА цементного камня в возрасте 6 месяцев

Табл. 7. Потери массы по кривым ДТА образцов цементного камня в возрасте 6 месяцев

Анализируя полученные результаты (табл. 6, 7), можно отметить следующее.
Температура 1-го эндоэффекта (130–136 °С) во всех случаях примерно одинакова, как и потери массы в этом интервале температур.
При разложении Са(ОН)2 (около 510 °С) температуры эндоэффектов также близки между собой. Потери массы в этом интервале заметно больше при введении золы-уноса.
В области эндоэффектов при температуре 700 °С его температура при введении золы-уноса и микрокремнезема достаточно близки, как и потери массы. При введении известняковой муки температура эндоэффекта значительно выше (773 °С), потери массы больше в 2 раза. Это соответствует разложению введенного в качестве добавки СаСО3.
Наиболее высокие потери массы в интервале 20–1 000 °С отмечены при введении известняковой муки (23,8%). Однако если исключить потери массы за счет введенного в качестве добавки 7%-ного СаСО3, то они сопоставимы с потерями массы, возникающими при введении 1,5% микрокремнезема.
Повышенные общие потери массы при введении 1,5% мас. золы-уноса могут свидетельствовать о более глубокой гидратации портландцемента и об упрочняющем действии этой добавки, основными кристаллическими фазами которой являются муллит и кварц.
При введении известняковой муки эффект повышения прочности цементного камня может быть обусловлен влиянием добавки на формирование структуры искусственного камня и упрочнением контактной зоны «микронаполнитель — цементный камень».

Таким образом, введение минеральных микронаполнителей (волластонита, диопсида, золы уноса, известняковой муки) способствует повышению прочности цементных строи-тельных материалов. Это может быть обусловлено микро-армированием минеральными добавками, а также воздействием их на процесс гидратации цемента.
При введении в состав цементных строительных материалов минеральных наполнителей наблюдаются четко выраженные максимальные значения прочности, соответствующие оптимальному количеству добавок. При увеличении дисперсности микронаполнителя оптимальное количество его уменьшается.

Литература
1. Горчаков Г. И. «Строительные материалы». / Г. И. Горчаков, Ю. М. Боженов. — М.: «Стройиздат», 1986 г.
2. «Добавки в бетон». Справочное пособие. Пер. с англ. / Под ред. В. С. Рамачадрана. — М.: «Стройиздат», 1988 г.
3. Хозин В. Г. «Эффективность применения золы-уноса Гусиоозерской ГРЭС в составе цементов низкой водопотребности». / В. Г. Хозин, О. В. Хохряков, А. В. Битцер, Л. А. Урханова. // «Строительные материалы», № 7, 2011 г.
4. Лесовик В. В. «Повышение эффективности вяжущих за счет использования наномодификаторов». // «Строительные материалы», № 12, 2011 г.
5. Uchikawa Hiroshi. Similarities and discrepancies of hardened cement paste, mortar and concrete from the standpoints of composition and structure / Uchirawa Hiroshi // J.Res, Onoda Cem. Co. — 1988.40, № 119.
6. Odler I. Structure and bond strength of cement-aggregate interface / Odler I., Zurz A. // Bond. Cementitious Compos.: Symp., Boston, Mass., Dec. 2–4, 1987. — Pittsburgh (Pa), 1988.
7. Liu Yuanzhan «Прочность сцепления цементного камня с заполнителем». / Liu Yuanzhan, Yang Peiyi, Zhang Chengyi, Tang Liu YuanzhanMingshu. // J. Chin. Silic. Soc. — 1988.16, № 4.

Полная или частичная перепечатка материалов - только с письменного разрешения редакции!

Читайте также: