Портландцемент

Портландцемент является важнейшим вяжущим веществом. По производству и применению он занимает первое место среди других вяжущих веществ. Современное производство гиперпрессованного кирпича также не обходится без цемента.

Изобретение портландцемента (1824 г.) связано с именами Егора Герасимовича Челиева - начальника мастерских военно-рабочей бригады и Джозефа Аспдина - каменщика из английского города Лидса.

Портландцемент - гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе. Его получают тонким измельчением обожженной до спекания сырьевой смеси известняка и глины, обеспечивающей преобладание в клинкере силикатов кальция. Спекшаяся сырьевая смесь в виде зерен размером до 40 мм называется клинкером; от качества его зависят важнейшие свойства цемента: прочность и скорость ее нарастания, долговечность, стойкость в различных эксплуатационных условиях.

Для регулирования сроков схватывания в обычных цементах марок 300...500 при помоле к клинкеру добавляют гипс не менее 1,0% и не более 3,5% от массы цемента в пересчете на ангидрид серной кислоты SO3, а в цементах высокомарочных и быстротвердеющих - не менее 1,5% и не более 4,0%. Портландцемент выпускают без добавок или с активными минеральными добавками.

ГОСТ 10178-85 предусматривает выпуск трех разновидностей портландцемента: Д0 - без добавок, Д5 - с введением до 5% активных минеральных добавок всех видов и Д20, в которую разрешается вводить свыше 5%, но не более 20% добавок, в том числе до 10% активных минеральных добавок осадочного происхождения (кроме глиежа) или до 20% доменных и электротермофосфорных гранулированных шлаков, глиежей активных минеральных добавок.

Качество клинкера зависит от его химического и минералогических составов. Для производства портландцементного клинкера применяют известняк и глину. Известняк в основном состоит из двух оксидов: СаО и СО2, а глина - из различных минералов, содержащих в основном три оксида: SiO2, Al2O3 и Fe2O3. В процессе обжига сырьевой смеси удаляется СО2, а оставшиеся четыре оксида: СаО, SiO2, Al2O3 и Fe2O3 - образуют клинкерные минералы. Содержание оксидов в цементе примерно следующее: 64...67% CaO, 21...24% SiO2, 4...8% Al2O3, 2...4% Fe2O3.

Кроме указанных основных оксидов в портландцементном клинкере могут присутствовать MgO и щелочные оксиды К2О и Na2O, снижающие качество цемента. Оксид магния, обожженный при температуре около 1500°C, при взаимодействии с водой очень медленно гасится и вызывает появление трещин в уже затвердевшем растворе или бетоне, поэтому содержание оксида магния в портландцементе не должно быть более 5%. Наличие в цементе щелочных оксидов выше 1% может вызвать разрушение отвердевшего бетона на таком цементе.

Указанные выше основные оксиды находятся в клинкере не в свободном виде, а образуют при обжиге четыре основных минерала, относительное содержание которых в портландцементе следующее (%): трехкальциевый силикат 3СaО•SiO2 (алит) - 45...60; двухкальциевый силикат 2CaO•SiO2 (белит) - 20…35; трехкальциевый алюминат 3CaO•Al2O3 - 4...12; четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО•Al2O3•Fe2O3 - 10...18. Сокращенное евый обозначение этих минералов следующее: C3S, C2S, С3А и C4AF.

Алит (C3S) основной минерал клинкера, быстро твердеет и практически определяет скорость твердения и нарастания прочности портландцемента. Он представляет собой твердый раствор трехкальциевого силиката и небольшого количества (2...4%) MgO, Al2O3, P2O5, Cr2O3 и других примесей, которые могут существенно влиять на структуру и свойства портландцемента.

Белит (β-C2S) - второй по важности и содержанию силикатный минерал клинкера, медленно твердеет и достигает высокой прочности при длительном твердении. Белит в клинкере представляет собой твердый раствор двухкальциевого силиката (β-C2S) и небольшого количества (1...3%) Al2O3, Fe2O3, MgO, Cr2O3 и др. В связи с тем что белит при медленном охлаждении клинкера теряет вяжущие свойства, переходя из β-C2S в γ-C2S, это явление предотвращается быстрым охлаждением клинкера.

Содержание минералов-силикатов в клинкере в сумме составляет около 75%, поэтому гидратация алита и белита в основном определяет свойства портландцемента. Оставшиеся 25% объема клинкера между кристаллами алита и белита заполнены кристаллами С3А, C4AF, стекла и второстепенными минералами.

Трехкальциевый алюминат (С3А) при благоприятных условиях обжига образуется в виде кубических кристаллов. Он очень быстро гидратирует и твердеет. Продукты гидратации имеют пористую структуру и низкую прочность. Кроме того, С3А является причиной сульфатной коррозии цемента, поэтому его содержание в сульфатостойком цементе ограничено 5%.

Четырехкальциевый алюмоферрит (C4AF) - алюмоферритная фаза промежуточного вещества клинкера, представляет собой твердый раствор алюмоферритов кальция разного состава, обычно ее состав близок к 4CaO•Al2O3•F2O3. По скорости гидратации этот минерал занимает как бы промежуточное положение между алитом и белитом и не оказывает определяющего значения на скорость твердения и тепловыделение портландцемента.

Клинкерное стекло присутствует в промежуточном веществе в количестве 5...15%, которое в основном состоит из CaO, Al2O3, MgO, K2O и Na2O.

При правильно рассчитанной и тщательно подготовленной и обожженной сырьевой смеси клинкер не должен содержать свободного оксида кальция СаО, так как пережженная при температуре около 1500°C известь, так же как и магнезия MgO, очень медленно гасится, увеличиваясь в объеме, что может привести к растрескиванию уже затвердевшего бетона.

Портландцемент, получаемый на заводах из различных видов природного сырья и с неодинаковой технологией производства, отличается как по химико-минералогическому составу, так и по свойствам. Требования стандарта не отражают полностью некоторых важных для строительства свойств цемента: стойкости цементного камня в агрессивных средах, морозостойкости, интенсивности тепловыделения, деформативной способности и т. д. Однако в этом значительную помощь оказывает знание минералогического состава клинкера, который имеет прямую связь с основными физико-механическими свойствами портландцемента и позволяет проектировать портландцемент для бетона конкретных эксплуатационных условий.

Портландцемент (ГОСТ 970-41) - продукт тонкого измельчения клинкера, получаемого обжигом до спекания смеси, обеспечивающей преобладание в клинкере силикатов кальция. К клинкеру при его измельчении допускается добавление гидравлических добавок в количестве до 15% от веса готового продукта. Марки цемента: 200, 250, 300, 400, 500 и 600.

Белый портландцемент (ГОСТ 965-41) изготовляется путем совместного помола маложелезистого клинкера с минеральной добавкой (5-10%) и гипса в количестве, необходимом для регулирования сроков схватывания.

В зависимости от степени белизны цемент подразделяется на три сорта: БЦ-1, БЦ-2, БЦ-3; марки цемента: 250, 300 и 400.

Пуццолановый портландцемент (ГОСТ 970-41) получается путем добавки к портландцементному клинкеру при его измельчении кислых гидравлических добавок в количестве от 20 до 50%. Пуццолановый цемент может быть следующих марок: 200, 250, 300, 400 и 500.

Шлаковый портландцемент (ГОСТ 970-41) получается путем добавок к клинкеру при его измельчении гранулированного доменного шлака. Весовое содержание гранулированного шлака в количестве 20-85% от веса готового продукта. Допускается замена до 15% шлака гидравлической добавкой. Шлаковый цемент бывает следующих марок: 150, 200, 250, 300, 400 и 500.

Магнезиальный портландцемент (ГОСТ 3909-47) продукт измельчения клинкера, получаемого обжигом обогащенной окисью железа искусственной смеси известково-магнезиальных и глинистых пород. Марки цемента: 200, 250, 300, 400 и 500. При желании Вы можете подробнее узнать про магнезиальные вяжущие вещества.

Шлаковый магнезиальный портландцемент (ГОСТ 3909-47) получается в результате совместного измельчения магнезиального портландцементного клинкера и гранулированного доменного шлака в количестве 20-70%. Марки шлакового магнезиального цемента: 150, 200, 250, 300, 400 и 500.

Портландцемент для строительных растворов (ГОСТ 4726-49) получается путем добавок к клинкеру при его измельчении минеральных добавок (гидравлических, доменных гранулированных шлаков и инертных) или смешения раздельно измельченных в сухом виде тех же материалов. Весовое количество портландцементного клинкера должно быть не менее 50% при применении гидравлических и инертных добавок и не менее 15% при применении доменных гранулированных шлаков. Марки цемента для растворов: 50 и 100.