Портландцемент, его основные свойства и область применения

    Портландцемент, его основные свойства и область применения. 

     Портландцемент является важнейшим вяжущим веществом. По производству и применению он занимает первое место среди других вяжущих веществ.

   Изобретение портландцемента (1824 г.) связано с именами Егора Герасимовича Челиева — начальника мастерских военно-рабочей бригады н 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: ДО - 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 электро-термофосфорных гранулированных шлаков, глиежей и прочих активных минеральных добавок. 

К основным свойствам портландцемента можно отнести.                                        • Твердение портландцемента — при затворении портландцемента водой образуется пластичное клейкое цементное тесто, постепенно густеющее и переходящее в камневидное состояние.

       При твердении портландцемента  происходит ряд весьма сложных химических и физических явлений. Каждый из минералов при затворении водой реагирует с ней и дает различные новообразования.

Процесс твердения  портландцемента в основном определяется гидратацией силикатов, алюминатов и алюмоферрнтов кальция.

Взаимодействие  С3S с водой при комнатной температуре происходит при полной гидратации:

2(3CaO-Si0₂) + 6Н₂0 = 3CaO^.2Si0₂^.3H₂0 + 3Ca(OH)₂ 

• Прочность портландцемента. Согласно ГОСТ 10178—85. прочность портландцемента характеризуют пределами прочности при сжатии и изгибе. Марку цемента устанавливают по пределу прочности при изгибе образцов балочек 40 X 40 X 160 мм и при сжатии их половинок, изготовленных из раствора состава 1:3 (по массе) с нормальным песком при водоцементном отношении 0.4 и испытанных через 28 сут; образцы в течение этого времени хранят во влажных условиях при температуре (20 ± 2)°С. Предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут называется активностью цемента.

   При благоприятных условиях твердение портландцемента может продолжаться месяцы и даже годы, в 2…3 раза превысив (28-суточную) прочность. Можно считать, что в среднем прирост прочности портландцемента подчиняется логарифмическому  закону.

  Теоретический  предел прочности цементного  камня при сжатии очень велик,  составляет более 240…340 МПа. Практически  при формовании бетонов прессованием  была получена прочность 280 МПа и более.

   Прочность  цементного камня и скорость  его твердения зависят от минералогического  состава клинкера, тонкости помола  цемента, содержания воды, влажности,  температуры среды и продолжительности  хранения.

    Большое влияние на рост прочности цементного камня оказывают влажность и температура среды. Скорость химических реакций между клинкерными минералами и водой увеличивается с повышением температуры, а также значительно возрастает скорость уплотнения продуктов гидратации цемента. Наиболее быстрый рост прочности цементного камня происходит при пропаривании под давлением в автоклавах, при этом бетон через 4...6 ч приобретает марочную прочность.

     Твердения портландцементного камня при отрицательных температурах не происходит, так как вода превращается в лед. Однако за счет добавки СаСl₂. NaCI или их смеси бетон все же набирает прочность. Хлористые соли являются ускорителями твердения цемента. Однако применение этих солей в количестве более 2% в железобетонных конструкциях не рекомендуется из-за возможной коррозии арматуры. В последнее время в качестве противоморозной добавки используют нитрит натрия NaNO₂.

• Водопотребность  цемента определяется  количеством воды (% от массы цемента), необходимым для получения теста нормальной густоты. Водопотребность портландцемента 24..28%, при введении активных минеральных добавок осадочного происхождения (диатомита, трепела, опоки) водопотребность повышается до З2...37%.

  • Продолжительность  хранения. Длительное хранение цемента даже в самых благоприятных условиях влечет за собой некоторую потерю его активности. После 3 мес хранения потеря активности цемента может достигать 20%. а через год — 40%. Восстанавливать активность лежалого цемента можно вторичным помолом. Наиболее эффективен вибродомол цемента, в процессе которого повышается тонкость помола цемента, а также происходит обдирка гидратных и инертных оболочек с цементных зерен. Наиболее целесообразным методом предотвращения потери активности цемента является гидрофобизация.

  • Коррозия цементного камня в водных условиях по ряду ведущих признаков может быть разделена на три вида:

     I вид коррозии — разрушение цементного камня в результате растворения и вымывания некоторых его составных частей. Наиболее растворимой является гидроксид кальция, образующийся при гидролизе трехкальциевого силиката.

     Мерой зашиты бетона от I вида коррозии является применение цемента, выделяющего при своем твердении минимальное количество свободной Ca(OH)₂. Таким цементом является белитовый, содержащий небольшое количество трехкальциевого силиката.

     II вид коррозии — разрушение цементного камня водой, содержащей соли, способные вступать в обменные реакции с составляющими цементного камня. При этом образуются продукте которые либо легкорастворимы и уносятся фильтрующей через бетон водой, либо выделяются в воде аморфной массы, не обладающей связующими свойствами В результате таких преобразований увеличивается пористость цементного камня и, следовательно, снижается его прочность.

     Разрушение цементного камня под действием воды, содержащей растворенные соли, показывают, что основной причиной этого разрушения является содержание в цементном камне (бетоне) свободного гидроксида кальция Са(ОН)₂. Если же ее связать в другое трудно растворимое соединение, сопротивление бетона коррозии II вида должно возрасти. Это и имеет место при использовании активных минеральных добавок.

     К III виду коррозии относятся процессы, возникающие под действием сульфатов. В порах цементного камня происходит отложение малорастворимых веществ, содержащихся в воде, или продуктов взаимодействия их с составляющими цементной) камня. Их накопление и кристаллизация в порах вызывают значительные растягивающие напряжения в стенках пор и приводят к разрушению цементного камня.

     Характерным видом сульфатной коррозии цементного камня является взаимодействие растворенного в воде гипса с трехкаль-циевым гидроалюминатом:

3CaO • AI₂O₃ • 6H₂O+3CaS0₄ + 25H₂O        ЗСаО • Аl₂О₃ • 3CaSO₄ • 31Н₂О

     При этом образуется труднорастворимый  гидросульфоалюмнинат кальция, который, кристаллизуясь, поглощает большое количество воды и значительно увеличивается в объеме (примерно в 2.5 раза), что оказывает сильное разрушающее действие на цементный камень.

     Исключить или ослабить влияние коррозионных процессов при действии различных вод можно конструктивными мерами, путем улучшения технологии приготовления бетона и применения цементов определенного минералогического состава и необходимого содержания активных минеральных добавок.

     Используя конструктивные меры, предотвратить  действие воды на бетонную конструкцию возможно путем устройства гидроизоляции, водоотводов и дренажей. Повышение водостойкости бетона технологическими средствами достигается интенсивным уплотнением бетона при укладке или формовании, использованием бетонных смесей с минимальным водоцементным отношением, с тщательно подобранным зерновым составом заполнителей.

     • Морозостойкость. Совместное попеременное действие воды и мороза влечет за собой разрушение бетонных сооружений. При отрицательных температурах вода, находящаяся в порах цементного камня, превращается в лед, который увеличивается в объеме примерно на 9% по сравнению с объемом воды. Лед давит на стенки пор и разрушает их.

     Морозостойкость цементного камня зависит от минералогического состава клинкера, тонкости помола цемента и водоцементного отношения.

     Присутствие в цементе в значительном количестве активных минеральных добавок отрицательно влияет на морозостойкость цементного камня вследствие высокой пористости их и низкой морозостойкости продуктов взаимодействия добавок с компонентам цементного камня. Среди минералов клинкера наименее морозостойким является С₃А. поэтому его содержание в цементе для морозостойких бетонов не должно превышать 5..7%.

   Увеличение водоцементного отношении понижает морозостойкость цементного камня вследствие повышении его пористости. Пластифицирующие добавки СДБ существенно снижают водопотребность бетонных смесей при сохранении заданной подвижности и тем самым уменьшают пористость цементного камни. Некоторые гндрофоби-зуюшие добавки обладают воздухововлекающей способностью (пузырьки воздуха в бетонной смеси амортизируют давление льда), повышают однородность структуры цементного камня (придают водоотталкивающие свойства) и гидрофобизуют стенки пор и капилляров, увеличивая тем самым сопротивляемость цементного камня действию воды.

    Надо иметь в виду, что замораживание цементного камня в начальный период твердения является наиболее опасным, так как он еще не обладает достаточной прочностью и не может энергично сопротивляться действию льда. 

Область применения.

О многом говорит название портландцемента. Но еще больше информации скрывается в его маркировке.

• «М» - буква, означающая максимальную степень нагрузки, что будет способен выдержать цемент после высыхания.
• Например, м400 показывает, что его максимальная нагрузка составляет 400 кг/м3. Широко используются цемент  м400, м500.
• Для строительных работ применяются м400 и цемент м500.
• «Д» - буква, обозначающая процент содержащихся в цементе добавок. Их количество и состав определяют прочностные характеристики и его дополнительные свойства.
• Маркировка м400 Д20 сообщает о том, выдерживающий нагрузку до 400кг/м3 цемент содержит 20% примесей. Используется такой бетон и в строительстве и для изготовления железобетона. Он обладает отличными морозостойкими и водостойкими показателями. Тонкость помола цемента определяется величиной остатка на сите, оснащенного сеткой установленного стандартами и техническими требованиями номера. Чем тоньше помол, тем выше скорость его схватывания и твердения, а так же прочность. Особенно это касается начального этапа твердения.

Цемент  ПЦ500 Д0 
Цемент марки ПЦ500 Д0 применяется при производстве ответственных бетонных и железобетонных конструкций в промышленном строительстве, где предъявляются высокие требования к водостойкости, морозостойкости, долговечности. Цемент этой марки эффективен при проведении аварийных ремонтных и восстановительных работ ввиду высокой начальной прочности бетона.

Цемент  ПЦ500 Д20 
Цемент марки ПЦ500 Д20 применяется в промышленном, жилищном и сельскохозяйственном строительстве для производства сборного железобетона, фундаментов, балок, плит перекрытий и др., а так же успешно используется для изготовления бетонных и строительных растворов, штукатурных, кладочных и других ремонтно-строительных работ. Цемент этой марки обладает водостойкостью, морозостойкостью, пониженной сопротивляемостью коррозионным воздействиям по сравнению с обычным портландцементом.

Цемент  ПЦ400 Д0 
Цемент марки ПЦ400 Д0 используется для производства сборных бетонных и железобетонных конструкций с применением термовлажностной обработки, а также для бетонных, железобетонных подземных, надземных и подводных сооружений, подвергающихся действию пресных и минерализированных вод. Цемент этой марки успешно зарекомендовал себя для изготовления бетонных и строительных растворов.