Ресурсное обеспечение
городских строительных программ

Портландцемент

Состав

Портландцемент - вяжущее вещество, обладающее гидравлическими свойствами, состоящее из портландцементного клинкера, гипса и добавок.

Портландцемент характеризуют следующими способами:
по химическому составу: общему (валовому) содержанию в цементе химических элементов, представленных в оксидной форме. Обычно в портландцементе определяют содержание СаО, SiO2, AI2O3, Fe2O3, MgO, К2О, Na2O, SO3, а также ионов Cl-. Такая характеристика является малоинформативной с позиций прогнозирования свойств цемента, поскольку содержание химического элемента не соотносится с определёнными фазовыми составляющими цемента; например, содержание диоксида кремния (SiO2), связанного в силикаты кальция, суммируется с количеством кремнезёма, входящего в состав гидравлической добавки без учёта распределения их в этих составляющих цемента. Тем не менее, при сертификации цемента такую характеристику применяют.
по вещественному составу: содержанию клинкера, гипса и добавок в массовых %. При этом обычно указывается не только содержание добавок, но и их тип (шлак, зола, трепел и т.д.). Во многих случаях дополнительно приводят химический состав портландцементного клинкера, на основе которого произведён портландцемент. Химический состав клинкера характеризуют содержанием химических элементов в оксидной форме, в виде модульных характеристик (n, р) и коэффициента насыщения (КН), а также в виде расчётного минералогического состава клинкера.
по фактическому фазово-минералогическому составу цемента: содержанию основных минералов и фаз, определённому инструментальными методами физико-химического анализа - петрографическим, рентгенофазовым и др. В этом случае состав цемента, наряду с фазами клинкера (алит, белит, алюмоферрит, алюминат), характеризуется содержанием минералов и фаз, входящих также в состав гипса и добавок. Такой способ характеристики состава цемента наиболее информативен с позиций прогнозирования его свойств, однако ограничено доступен производственным лабораториям.

Классы прочности

Класс прочности - условное обозначение одного из значений параметрического ряда по прочности в максимальные сроки, установленные нормативным документом.

Как характеристика прочности цемента класс прочности, например, по ГОСТ 30744, определяется параллельно или вместо марки цемента. В дальнейшем, при изменении нормативной документации с целью её приближения к европейским нормам (EN-197), класс прочности полностью заменит марку цемента. В соответствии с ГОСТ 30515, цементы по прочности при сжатии и средним значениям нормируемой стандартной прочности подразделяют на классы 22,5; 32,5; 42,5; 52,5. Эти классы прочности примерно соответствуют маркам 300, 400, 500 и 600 действующего стандарта ГОСТ 10178. Кроме пределов верхнего и нижнего значений 28 суточной прочности при сжатии (прочность при изгибе не определяется), для отнесения цемента к определённому классу прочности необходимо обеспечить значение ранней прочности (2-х или 7-и суточной). Цементы класса прочности 32,5 и выше могут выпускаться в виде быстро-твердеющих цементов при их соответствии требованиям к быстротвердеющим цементам в ранние сроки (2 сут.): 32,5Б > 10 МПа, 42,5Б >20 МПа и 52,5Б>30 МПа. См. также ГОСТ 31108.

Марка портландцемента

Марка портландцемента - условное обозначение, выражающее минимальные требования к пределу прочности при сжатии образцов из стандартного цементного раствора, изготовленных, твердевших и испытанных в условиях и в сроки, установленные нормативной документацией (ГОСТ 10178, ГОСТ310). Марку портландцемента получают путём округления в низшую сторону до целых значений (400, 500, 550 и 600) прочностного ряда в кг/см2, определяемого соответствующим стандартом (например, в данном случае, ГОСТ 10178), величин прочности при сжатии образцов - половинок призм размером 4x4x16 см, предварительно испытанных на прочность при изгибе в возрасте 28 сут. Образцы изготавливаются (ГОСТ 310) из растворной смеси 1:3 на стандартном нормальном песке при В/Ц близком к 0,40, хранятся до испытаний в течение суток при влажности не менее 90%, а затем до 28 сут. в воде при температуре 20±2°С.

Для отнесения цемента к определённой марке, кроме нормируемых значений прочности при сжатии в возрасте 28 сут, должны быть также определены нормируемые значения прочности при изгибе, а для быстротвердеющего портландцемента и шлакопортландцемента, кроме прочности в 28 сут., также нормируемые значения прочности при сжатии и изгибе в возрасте 3 сут.

Кроме предусмотренных ГОСТ 10178 марок 400, 500, 550 и 600, производитель цемента по техническим условиям может выпускать цементы более низких (300, 200) или более высоких марок (700 и выше).

Наряду с характеристикой прочности цемента путём отнесения его к той или иной марке, нормативные документы (ГОСТ 30515, ГОСТ 30744, ГОСТ 31108} предусматривают возможность отнесения цемента к определённому классу прочности.

Быстротвердеющий портландцемент

Быстротвердеющий портландцемент - цемент на основе портландцементного клинкера, обеспечивающий получение (в нормальных условиях твердения) нормативных значений прочности образцов в ранние сроки (2-3 суток), наряду с прочностью в возрасте 28 суток. По ГОСТ 10178 к быстротвердеющим цементам (Б) относят портландцементы с минеральными добавками (ПЦД20-Б) и шлакопортландцементы (ШПЦ-Б), соответствующие следующим показателям прочности:

Цемент Предел прочности, МПа
При изгибе При сжатии
3 суток 28 суток 3 суток 28 суток
ПЦ 400 Д20-Б 3,9 5,4 24,5 39,2
ГШ 500 Д20-Б 4,4 5,9 27,5 49,0
ШТТЦ 400-Б 3,4 5,4 21,5 39,2

В ряде случаев, требованиям повышенной начальной прочности, характерной для быстротвердеющих цементов, отвечают рядовые высокопрочные цементы.

По проектам российских стандартов (ГОСТ 31108-2003), приближенных к европейским нормам (EN), для быстротвердеющих цементов нормируется повышенная, по сравнению с нормально твердеющими цементами, прочность при сжатии в возрасте 2 сут., а также прочность при сжатии в 28 сут. По стандарту EN-197 начальная прочность (2 сут.) для быстротвердеющего цемента R класса прочности 32,5 R должна превышать 10 МПа, для класса прочности 42,5 R - 20 МПа, а для 52,5 R - 30 МПа.

По уровню строительно-технических свойств быстротвердеющие цементы, кроме темпа набора прочности (обеспечение прочности в 2-3 сут.), не отличаются от рядовых портландцементов той же марки (класса прочности).

К специфическим особенностям таких цементов можно отнести лишь их пониженную воздухостойкость (атмосферостойкость), обусловленную их высокой удельной поверхностью.

Производство этого типа цементов основывается на обеспечении более высокой тонкости помола (по сравнению с рядовыми) цементов, нормировании вещественного состава (содержание и вид гидравлических добавок) и оптимизации минералогического состава клинкеров.

Применительно к составам сухих строительных смесей использование быстротвердеющих цементов может быть предпочтительнее применения рядовых цементов тех же марок (класса прочности) для многих рецептур: шпатлёвок, клеёв, ремонтных, гидроизоляционных и др., однако производитель сухих смесей при разработке рецептур и регламентации сроков хранения смесей должен учесть вероятность более быстрой потери активности таких цементов во времени.

Высокопрочные портландцементы

Высокопрочные портландцементы - цементы на основе портландцементного клинкера, обеспечивающие получение в нормальных условиях твердения значения предела прочности при сжатии стандартных образцов в возрасте 28 суток твердения, превышающие 50 МПа, что соответствует марке 500 и выше (ГОСТ 10178) или классу прочности 52,5 и выше (ГОСТ 30515).

Такая оценка цементов по прочности достаточно условна: она характеризует только потенциальную способность цемента образовывать высокопрочный камень (раствор, бетон). Следует иметь в виду, что прямая зависимость прочности раствора и бетона от значения прочности (активности) цемента наблюдается только при особых условиях. Кроме активности цемента, прочность искусственного камня зависит от многих факторов: содержания, вида и свойств заполнителей, значения В/Ц и др., и, например, на основе цемента марки 500 может быть приготовлен бетон как марки 200, так и марки 700.

Высокопрочные портландцементы чаще всего являются бездобавочными, или содержат небольшое количество активной гидравлической добавки (5-7%). Условия получения таких цементов: нормирование минералогического состава клинкера (применение алитово-алюминатных клинкеров), обеспечение высокой удельной поверхности цемента (450 мг/кг и более), обеспечение оптимального гранулометрического состава, получение клинкеров определённого структурного типа и др.

Высокопрочные цементы, характеризующиеся активностью, превышающей нормированные показатели (например, по ГОСТ 10178), могут выпускаться производителем цемента по техническим условиям (ТУ), в соответствии с которыми может предусматриваться выпуск цементов марок 700 и выше.

Свойства высокопрочных портландцементе в отличаются от свойств рядовых портландцементов; помимо более высокой прочности в 28 суток, в большинстве случаев такие цементы характеризуются более высокой прочностью в ранние сроки твердения, быстрым темпом набора прочности, а также, при правильном подборе состава растворов и бетонов, более высокой морозостойкостью, коррозионной устойчивостью, низкой водопроницаемостью. Для высокопрочных цементов (500, 550 и 600) по ГОСТ 10178 прочность в ранние сроки твердения не нормируется, однако в проектах стандартов, приближённых к европейским нормам (ГОСТ 31108-2003), для них нормируется значение прочности в ранние сроки твердения (2 или 7 сут.). Цементы, характеризующиеся более высокой ранней прочностью, чем это предусмотрено для рядовых цементов, относят к быстротвердеющим.

Пуццолановый портландцемент

Пуццолановый портландцемент - гидравлическое вяжущее вещество, продукт совместного размола портландцементного клинкера гипса и активной минеральной пуццолановой добавки или смешения тех же раздельно размолотых компонентов.

Высокая коррозионная стойкость цементного камня на пуццолановом портландцементе к действию пресных и минерализованных вод, в том числе к сульфатной коррозии, явились основой для отнесения этого цемента к группе «сульфатостойких» - ГОСТ 22266. Содержание пуццолановой добавки в таком цементе находится в пределах 20-40%. При твердении пуццолановых портландцементов цементный камень характеризуется низким содержанием Са(ОН) 2 и пониженной основностью цементного геля.

Пуццолановые портландцементы характеризуются несколько более низкой, чем у портландцемента, плотностью (2,7-2,9 г/см3), повышенной нормальной густотой цементного теста (30% и более), замедленной скоростью твердения в начальные сроки, особенно при низких положительных температурах (< +10°С), низким тепловыделением при твердении, пониженной морозостойкостью, повышенными усадочными деформациями при высыхании.

Основные области применения пуццолановых портландцементов - подземные и подводные конструкции, подвергающиеся действию пресных и минерализованных вод, в том числе сульфатных: плотины, шлюзы, каналы, туннели, фундаменты и подвалы промышленных и гражданских зданий. Ограничения использования такого цемента распространяются на сооружения, находящиеся в зоне переменного воздействия воды, и подвергающиеся попеременному увлажнению-высыханию и замораживанию-оттаиванию.

Специфические свойства пуццоланового портландцемента ограничивают области его применения в составе сухих строительных смесей теми видами смесей, которые предназначены преимущественно для службы в условиях постоянной влажности и в воде (подземные и подводные конструкции).

Цветные портландцементы

Цветные портландцементы - цементы, получаемые совместным размолом белого портландцементного клинкера, гипса, минеральных или органических пигментов и активных минеральных добавок.

Цемент, выпускаемый по ГОСТ 15825, соответствует цветам: красному, жёлтому, зелёному, голубому, розовому, коричневому и чёрному, для производства которых используются природные и искусственные пигменты: минеральные, а для голубого и зелёного цветов - щелочестойкие органические по соответствующей нормативной документации. Содержание пигмента в цветных цементах ограничивается 15% для минеральных и 0,5% - для органических пигментов. Суммарное содержание пигментов и активных добавок в цементе не должно превышать 20%. Кроме цвета, светостойкости и щелочестойкости, для цветных цементов определяют уровень строительно-технических свойств. Цветные цементы по ГОСТ 15825 выпускают марок 300, 400 и 500. По уровню строительно-технических свойств эти цементы соответствуют рядовым портландцементам тех же марок.

Цветные цементы, выпускаемые производителями по техническим условиям, характеризуются более широкой цветовой гаммой и получают их, как правило, не путём совместного размола белых клинкеров с пигментами, а смешением готового белого портландцемента и пигментов. Основным условием производства таких цементов является обеспечение тщательной диспергации пигмента при смешении компонентов.

Цветные цементы при производстве сухих смесей применяют для производства цветных затирок для укладки облицовочных плиток, цветных цементных декоративных растворных и бетонных смесей, штукатурок, шпатлёвок. Применение цветных цементов при производстве сухих смесей предпочтительнее использования в качестве компонентов сухих смесей белых цементов и пигментов с позиций обеспечения лучшего диспергирования пигмента в сухой смеси.

Гидратация портландцемента

Твердение портландцемента, т. е. его последовательное превращение после смешивания с водой (затворения) в начале в пластичное тесто, затем потеря тестом пластичности (схватывание) и его последующее твердение (формирование искусственного камня) является сложным и многостадийным физико-химическим процессом, основанным на химическом взаимодействии фазовых составляющих цемента и воды (гидратации цемента). В ходе гидратации цемента безводные клинкерные минералы - силикаты, алюминаты и алюмоферриты кальция превращаются в соответствующие кристаллогидраты - гидросиликаты, гидроалюминаты, гидроферриты кальция, гидроксид кальция. Например, гидратация основной фазы портландцемента - алита, являющегося носителем основных свойств и определённым "символом" портландцемента, происходит по следующей условной схеме реакции гидролитического разложения:

2Ca3SiO5 + 6Н2О -> Ca3Si2O*3H2O + ЗСа(ОН)2.

При обычных условиях твердения -70% C3S гидратируется за 28 сут., а полная гидратация этой фазовой составляющей цемента может наступить за 1 год и более. По аналогичной схеме гидратируется второй силикат портландцемента - белит (СЭ5), однако, его гидратация протекает медленнее (степень гидратации за 28 сут. -30%), и в результате гидролиза образуется меньшее количество гидроксида кальция (СН). Продуктами реакций гидратации являются слабозакристаллизованные (почти аморфные) гидросиликаты кальция, обладающие свойствами геля, и гидроксид кальция (СН). Гидросиликаты кальция (аморфные или слабозакристаллизованные), образующиеся при гидратации C2S и C3S, фактически не соответствуют какому-либо определённому соединению, а имеют обширную область составов, обозначаемую общим понятием - гель С-S-H. Поскольку портландцемент полиминерален и, кроме силикатов кальция, содержит алюминатные, ферритные и сульфатные фазы, реальные продукты гидратации цемента ещё более сложны, они представляют собой тонкую смесь C-S-H геля с продуктами гидратации и взаимодействия алюминатных, ферритных и сульфатных фаз (фазы AFm и AFt). Иногда продукты гидратации цемента обобщают и называют цементным гелем, хотя фактически, кроме действительно слабозакристаллизованных (гелевидных) гидросиликатных и гидроалюминатных фаз, они включают достаточно крупные кристаллы портландита Са(ОН)2.

Сроки схватывания портландцемента

Сроки схватывания портландцемента - время потери пластичности цементного теста нормальной густоты, определяемое по погружению иглы прибора Вика (ГОСТ 310). Этот показатель нормируется по ГОСТ 10178 как начало схватывания (не ранее 45 мин.) и конец схватывания (не позднее 10 ч) и является важным параметром, поскольку он связан с таким свойством растворных смесей, как живучесть. Цементы, сроки схватывания которых выходят за нормируемые пределы, относятся к быстросхватывающимся ил и, в некоторых случаях, к цементам с «ложным схватыванием». Определённые неудобства вызывает применение медленно схватывающихся цементов (начало схватывания более 4-5 ч).

Быстрое схватывание цементов упрощённо можно свести к практически мгновенной гидратации фазы С3А, которая замедляется при взаимодействии с гипсом, присутствующим в цементе. При недостатке гипса быстрое схватывание цементного теста приводит к необратимым последствиям - загустеванию смеси, что делает её непригодной для использования.

Факторами, определяющими сроки схватывания портландцемента, являются:
вещественный состав цемента (присутствие в цементе гидравлических или инертных добавок замедляет схватывание);
минералогический состав клинкера (цементы на основе высокоалюминатных клинкеров схватываются быстрее);
тонкость помола цемента (чем тоньше размолот цемент, тем, при прочих равных условиях, он быстрее схватывается);
содержание в цементе щелочей (Na2O+0,658K20) = R20. При высоком содержании щелочей (> 1,0%) сроки схватывания сокращаются, что может быть причиной быстрого схватывания даже при предельно допустимом содержании гипса (4% SO3);
сроки схватывания удлиняются при повышении В/Ц и при снижении температуры твердения.

При использовании сухих строительных смесей может возникнуть необходимость дополнительного регулирования сроков схватывания и обеспечения заданной живучести смеси. В этом случае применяют систему специально разработанных добавок, как ускорителей, так и замедлителей схватывания.

Строительно-технические свойства портландцемента

Строительно-технические свойства портландцемента - комплекс характеристик, определяющих условия (способы) применения портландцемента, а также технические характеристики и долговечность цементного камня. Поскольку цемент при его практическом применении претерпевает фазово-минералогические превращения в ряду: цемент (порошок) - цементное тесто - цементный камень, свойства портландцемента удобно рассматривать отдельно для каждого из этих трёх состояний материала.

Так, к свойствам цементного порошка относят его состав, дисперсность (тонкость помола), эффективную и насыпную плотность, воздухостойкость, температуру при отгрузке, цвет.

Характеристиками цементного теста являются его водопотребность, соответствующая нормальной густоте цементного теста (1:0), плотность цементного теста, водоотделение (седиментация), водоудерживающая способность, сроки схватывания, живучесть, время загустевания, возможность проявления «ложного схватывания», тепловыделение при гидратации цемента. В ряде случаев определяют пластифицируемость цементного теста.

Цементный камень характеризуют по абсолютному значению скорости (типу) набора прочности (сжатие, изгиб, прочность сцепления с основанием), деформациям при твердении (равномерность изменения объёма, расширение, усадка при высыхании (трещиностойкость), химическая усадка (контракция), ползучесть).

Одной из главных характеристик цементного камня является характеристика его поровой структуры (общая пористость, распределение пор по размерам). С ней связаны основные свойства цементного камня, определяющие его долговечность: проницаемость, химическая и биологическая коррозия, морозостойкость, склонность к высолообразованию. В число характеристик цементного камня входят также его термические свойства: теплопроводность, коэффициент термического расширения (КТР), огнестойкость, жаростойкость.

Вышеприведённый перечень свойств портландцемента не является исчерпывающим, т.к. каждой области применения цемента соответствует свой набор технических характеристик.

Перечисленные свойства портландцемента могут быть отнесены: к свойствам, нормируемым по нормативным документам на общестроительные или специальные цементы (например, по ГОСТ 10178) или к свойствам, определяемым факультативно (рекомендуемым), Соотношение нормируемых и факультативных свойств цемента может периодически меняться при изменении нормативных документов на цементы. Так, например, по ГОСТ 30515 к обязательным показателям качества общестроительных цементов относят: прочность при сжатии (изгибе), вещественный состав, равномерность изменения объёма, содержание MgO, SO3, Сl- в клинкере, а также активность естественных радионуклидов. Все остальные показатели качества, например: сроки схватывания, тонкость помола, подвижность цементного теста и др. является рекомендуемыми.