§ 15. Цементы

Основным вяжущим материалом, широко распространенным в строительстве, является портландцемент и его разновидности.

Портландцемент. Портландцемент (ГОСТ 10178— 62) ' — гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе, получаемое при совместном тонком измельчении портландцементного клинкера и необходимого количества гипса. В смесь при помоле могут быть введены активные минеральные добавки в количестве до 15% от массы цемента.

Портландцементный клинкер получают в результате обжига до спекания сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины, взятых в определенных отношениях. Клинкер — важнейший компонент портландцемента. От его качества зависят основные свойства портландцемента.

1 С 1 января 1978 г. вводятся ГОСТ 10178—76 и ГОСТ 310—76.

Плотность портландцемента в 'зависимости от вида и количества добавок колеблется от 3 до 3,2 г/см3; объемная насыпная масса в уплотненном состоянии от 1500 до 1800 кг/м3, в рыхлом состоянии от 1000 до 1200 кг/м3. При затворении водой портландцемент превращается в камневидное тело.

Минералогический состав. Основные окислы СаО, Si02, A1203 и Fe203, содержащиеся в клинкере, при обжиге взаимодействуют между собой, образуя различные минералы.

Суммарное количество клинкерных минералов составляет 95—98%. Кроме этих минералов, в состав портландцемента входят свободные окислы и другие малозначимые для портландцемента минералы.

Твердение портландцемента. Процесс твердения портландцемента можно условно разделить на три периода.

Первый период (жидкая фаза). При затворении цемента водой начинается растворение цементного клинкера и гипса.

Трехкальциевый силикат (C3S) подвергается гидролизу и гидратации, образуя гидросиликат и гидрат окиси кальция,

C3S+ (л + 1) H20 → C2S • Н20+Са(0Н)2

Двухкальциевыи силикат (C2S) образует гидросиликат

C2S+fiH20 → C2SfiH20

Второй период (коллоидация). При полном насыщении раствора, в основном за счет Са(ОН)2, гидратные соединения выпадают в виде мельчайших частиц, обладающих клеящей способностью, и образуют гель (студнеобразное вещество). В процессе дальнейшей гидратации в цементном тесте уменьшается свободная вода, клеящая способность геля увеличивается и он склеивает частицы цемента и наполнителя. Цементное тесто начинает густеть, теряет пластичность, т. е. начинает схватываться, превращаясь в камневидное вещество.

Третий период (кристаллизация). Выпавшие из раствора гидроокись кальция и трехкальциевый алюминат начинают переходить в кристаллическое состояние. Образующиеся кристаллы сращиваются между собой и образуют прочный кристаллический каркас (конец схватывания). Дальнейшее уплотнение цементного камня вызывается: дальнейшим протеканием реакций взаимодействия цемента с водой; дополнительной кристаллизацией, упрочняющей кристаллические сростки; собирательной кристаллизацией в гелях, при которой, происходит их частичное обезвоживание; испарением капиллярной воды и слабосвязанной воды гелей.

Затвердевший цементный камень представляет собой кристаллический каркас, заполненный тонкораспределенной массой геля, внутри которой находятся не затронутые реакцией внутренние слои цементных зерен. Имеющиеся в камне поры заполнены воздухом и капиллярной водой.

Свойства портландцемента. Важнейшие свойства портландцемента — тонкость помола, сроки схватывания и твердения, прочность и изменение объема при твердении.

Тонкость помола характеризует степень измельчения цемента и устанавливается ситовым анализом. Тонкость помола портландцемента должна быть такой, чтобы при просеивании сквозь сито с сеткой № 008 проходило не менее 85% цемента от массы пробы. При тонком помоле цементного клинкера происходит быстрое взаимодействие цемента с водой. С увеличением тонкости помола прочность цемента возрастает.

При смешивании портландцемента с водой образуется пластичное тесто, постепенно загустевающее (начало схватывания) и переходящее в камнеподобное состояние (конец схватывания). На сроки схватывания портландцемента влияют тонкость помола, температура окружающей среды и другие факторы. С понижением температуры сроки схватывания увеличиваются, а с повышением температуры сокращаются. ГОСТ 10178—62 регламентирует сроки схватывания при температуре 20° С. При этой температуре начало схватывания для всех цементов, в том числе и портландцемента, должно наступить не ранее 45 мин, а конец—не позднее 12 ч от начала затворения.

Прочность портландцемента характеризуется пределом прочности при сжатии и изгибе. Прочность затвердевшего теста со временем нарастает. В первые 3—7 суток этот процесс протекает очень быстро; затем прочность нарастает медленнее; через 3 месяца прочность нарастает незначительно. Во влажной среде и при положительной температуре нарастание прочности происходит даже в течение 30 лет и больше.

Твердение цемента можно ускорить или замедлить, добавив в цементный раствор добавкиускорители твердения или добавкизамедлители (см. § 17).

Изменение объема при твердении. Портландцементное тесто при воздушном твердении несколько уменьшается в объеме. Технические условия требуют, чтобы это изменение объема было равномерным. Проверяют его кипячением в воде и пропариванием лепешек из цементного теста в возрасте 24 ч. Уменьшение объема цементного теста вызывает соответствующее уменьшение объема затвердевшего раствора, которое называется усадкой. В отделочных растворах усадка может вызвать появление трещин или отслоение штукатурки и облицовки. Как правило, с течением времени размер усадки портландцементного камня возрастает. Наибольшие деформации бывают в начальный период твердения, в дальнейшем они несколько уменьшаются.

На размер усадки цементного камня влияют условия твердения. Так, при уменьшении относительной влажности воздуха с 80 до 40% усадка возрастает почти в 2,5 раза. При относительной влажности воздуха 60% усадка может достигать через 7 суток — 0,4 мм/м, через 28 суток — 0,6 мм/м и через 180 суток— 1,7 мм/м.

При твердении портландцементного камня в воде он увеличивается в объеме — набухает. Размер набухания в несколько раз меньше усадки и обычно находится в пределах 0,1...0,3 мм/м.

Разновидности портландцемента. Промышленность выпускает следующие разновидности портландцемента: пластифицированный, гидрофобный, сульфатостойкий, быстротвердеющий, белый и цветной портландцементы. Кроме того, изготовляются специальные цементы для отдельных видов строительных работ: портландцемент для бетонных покрытий автомобильных дорог, портландцемент для производства асбестоцементных изделий.

Пластифицированный портландцемент получают, размалывая портландцементный клинкер совместно с пластифицирующими поверхностноактивными добавками. В качестве такой добавки применяют концентраты сульфитноспиртовой барды в количестве 0,15—0,25% от массы цемента. Пластифицированный портландцемент дает возможность получать растворные смеси с повышенной подвижностью и удобоукладываемостью. Растворы на этом цементе обладают повышенной морозостойкостью. В отделочных работах на пластифицированном цементе приготовляют тощие растворы для крепления облицовочных плиток.

Гидрофобный портландцемент изготовляют, вводя в обычный портландцемент гидрофобизующую добавку (асидолы, асидолмылонафт, мылонафт, олеиновую кислоту или окисленный петролатум) в количестве 0,06— 0,34% от массы цемента. Добавки понижают гигроскопичность цемента, что увеличивает сроки его хранения без снижения прочности, а также повышает подвижность и удобоукладываемость растворных смесей и морозостойкость растворов. По техническим условиям гидрофобный цемент не должен впитывать в себя воду в течение 5 мин. Чтобы отличить гидрофобный портландцемент от обычного, в стакан с водой бросают щепотку цемента. Обычный цемент тонет, а гидрофобный распределяется по поверхности воды в виде пленки..

Сульфатостойкий портландцемент изготовляют из клинкера нормированного минералогического состава. Он обладает повышенной стойкостью к воздействию воды, содержащей сульфаты (соединения серы), и морозостойкостью. Эти свойства определяют область его применения для отделки сооружений, находящихся в условиях сульфатной среды при одновременном систематическом попеременном замораживании и оттаивании, увлажнении и высыхании. Применять его в обычных строительных растворах, где не используются его специфические свойства, нельзя. Растворные смеси на этом цементе в начальный период твердения набирают прочность несколько медленнее, чем с другими цементами. Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) (ГОСТ 5.1639—72) благодаря подбору соответствующего химического и минералогического состава клинкера и более тонкому помолу интенсивнее, чем обычный портландцемент, набирает прочность в начальный период твердения. Этот цемент следует применять при ремонтных и восстановительных, а также зимних работах, где требуется быстрое нарастание прочности.

Белый портландцемент (ГОСТ 965—66) получают путем совместного тонкого измельчения белого маложелезистого клинкера, активной минеральной добавки (белого диатомита) и необходимого количества гипса. Белый портландцемент выпускают трех сортов в зависимости от степени белизны: высший, БЦI и БЦП. Сорта определяют по специальной цветовой шкале. Тонкость помола этого цемента должна быть такой, чтобы через сито № 008 проходило не менее 88% от массы цементного порошка, взятого для просеивания. Белый портландцемент — это декоративный вяжущий материал, предназначенный для архитектурноотделочных, штукатурных, скульптурных и малярных работ; из него также изготовляют строительные детали.

Цветные портландцементы (ГОСТ 15825—70) получают совместным помолом портландцементного клинкера с цветными минеральными или органическими пигментами. Количество добавляемых пигментов не превышает: минеральных —15% от массы цемента, а органических— 0,3%. Недостаток этого способа получения в том, что большой расход пигмента приводит к снижению прочности цемента и к его удорожанию.

В целях удешевления цветных цементов применяется промышленный способ получения цветного клинкера путем введения в цементную шихту окислов различных металлов. Полученные этим способом цветные цементы несколько меняют свой цвет в процессе твердения. Поэтому при подборе состава для получения определенного цвета надо исходить из цвета цементного камня после ускоренного твердения в условиях повышенной влажности и температуры или 28 дней нормального твердения. В обоих случаях при помоле добавляют некоторое количество гипса и активной минеральной добавки.

Исходным сырьем для получения цветных цементов служат клинкер белого цемента, цветной клинкер или отбеленный клинкер с пониженным содержанием окислов железа или марганца. Пигменты должны обладать надлежащей красящей способностью, щелоче и светостойкостью.

Цветной и белый цементы благодаря их прочности и долговечности — весьма эффективные отделочные материалы. Их недостаток — повышенная по сравнению с другими цементами усадка, поэтому они требуют применения качественных заполнителей и приготовления растворов с уменьшенным расходом цемента. Применяют цветные цементы для облицовочного слоя сборных железобетонных деталей, архитектурноотделочных работ в виде цветных растворов, а также для изготовления цементных красок.

Шлакопортландцементы. Шлакопортландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе. Получают его, тонко измельчая портландцементный клинкер вместе с гипсом и доменным гранулированным шлаком или тщательно смешивая эти материалы после их измельчения. Количество доменного шлака должно быть не менее 30 и не более 60% 6т массы цемента. ГОСТ 10178—62 допускает замену части шлака активными минеральными добавками. Кроме того, разрешается вводить при помоле шлакопортландцемента пластифицирующие или гидрофобнопластифицирующие добавки. Плотность шлакопортландцемента несколько ниже плотности портландцемента (2,9—3,0 г/см3), соответственно меньше и объемная масса.

Схватывание шлакопортландцемента происходит медленнее, чем портландцемента. Обычно схватывание шлакопортландцемента начинается через 3—4 ч. Благодаря этому растворы и бетонные смеси на шлакопортландцементе можно приготовлять в централизованных растворных узлах и на бетонных заводах и доставлять транспортом на рабочие места, не опасаясь преждевременного схватывания цемента. Для нормального твердения шлакопортландцемента необходима температура

не ниже 10—12° С.

Шлакопортландцемент применяют при изготовлении железобетонных конструкций и сооружений, а также для приготовления кладочных и штукатурных растворов.

Преждевременное высыхание отрицательно отражается на твердении шлакопортландцемента, поэтому растворы на этом цементе надо выдерживать во влажной среде или систематически увлажнять. При хранении шлакопортландцемент быстрее теряет прочность, чем

портландцемент.

Разновидность шлакопортландцемента — быстродействующий шлакопортландцемент, который обладает более интенсивным, чем обычный шлакопортландцемент, нарастанием прочности в начальный период твердения.

Пуццолановый портландцемент. Пуццолановый портландцемент—гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и во влажных условиях, получаемое путем совместного тонкого помола портландцементного клинкера, необходимого количества гипса и активной минеральной добавки или путем смешивания необходимых материалов, измельченных раздельно.

Тонкость помола пуццоланового портландцемента такая же, что и у обычного портландцемента. Насыпная объемная масса цемента зависит от вида примененных добавок. При добавке трасс или твердого туфа объемная масса такая же, как у портландцемента, при добавке трепела, диатомита она несколько меньше (850— 1150 кг/м3);. Сроки схватывания у него такие же, как у портландцемента, однако при температуре ниже +10°C твердение резко замедляется.

Процесс твердения пуццоланового портландцемента характеризуется взаимодействием в присутствии воды гидроокиси кальция с активным кремнеземом добавок (см. § 17). Получающийся при этом нерастворимый гидросиликат кальция обеспечивает большую устойчивость пуццоланового портландцемента против действия •пресных и проточных вод, чем портландцемента. Этим же объясняется необходимость систематического увлажнения растворов и бетонов на пуццолановом портландцементе в процессе их твердения, а также более низкая морозостойкость таких растворов и бетонов.

, Глиноземистый цемент; Глиноземистый цемент (ГОСТ 969—66) — быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество. . Его изготовляют .путем обжига и последующего тонкого помола сырьевой смеси, состоящей из горных пород, богатых глиноземом (бокситов, агальматолитов и др.), и известняка или извести. Глиноземистый цемент имеет вид тонкого порошка светлосерого, серозеленого, коричневого или черного цвета. Цвет цемента зависит от исходного сырья и способа его обработки.

Тонкость помола этого цемента несколько выше тонкости помола портландцемента: при просеивании глиноземистого цемента сквозь сито с сеткой № 008 должно проходить не менее 90% от массы пробы. Сроки схватывания глиноземистого цемента: начало — не ранее 30 мин, конец — не позднее 12 ч после начала затворения. Для получения теста нормальной густоты он требует большего количества воды по сравнению с другими цементами. Процесс твердения сопровождается значительным тепловыделением — 60—90 ккал/кг.

Глиноземистый цемент более стоек, чем другие цементы, к действию пресных и сульфатных вод. Температура растворной смеси на глиноземистом цементе не должна превышать 25° С, так как при температуре во время твердения более 25—30° С возможна потеря прочности раствора до 50%. Поэтому глиноземистый цемент не допускается применять в условиях жаркого климата.

Прочность раствора при смешивании глиноземистого цемента с портландцементом и другими цементами резко снижается. Поэтому хранить его надо отдельно. Кроме того, смесь глиноземистого цемента и портландцемента схватывается очень быстро.

Расширяющиеся и безусадочные цементы. Эти цементы получили свое название благодаря тому, что тесто, приготовленное на этих цементах, не только не уменьшается в объеме, а сохраняет его или даже увеличивает. В расширяющихся цементах обычно содержится около 70% глиноземистого, цемента, Существует несколько видов расширяющихся безусадочных цементов.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) (СНиП IB.2—69) при твердении в воде через сутки увеличивает линейные размеры от 0,3 до 1%, Схватывание его начинается не ранее 4 мин и заканчивается не позднее 10 мин после затворения.

Водонепроницаемый безусадочный цемент (ВБЦ) (СНиП IB.2—69) в тех же условиях увеличивает Линейные размеры от 0,01 до 0,1%. Схватывание начинается не ранее 1 мин и заканчивается не позднее 5 мин. Применяют ВРЦ и ВБЦ, как правило, для гидроизоляционных покрытий и ремонтных работ в условиях поступления воды.

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент (ГОСТ 11052—74) увеличивает размеры в тех же условиях на 0,15%, а после 28 дней водного твердения— от 0,3 до 1%. При твердении на воздухе (если в первые три дня обеспечивается достаточное увлажнение раствора) цемент является безусадочным или имеет незначительное расширение. Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент с замедленными сроками схватывания (начало не ранее 20 мин и конец не позднее 4 ч) применяют для получения плотных безусадочных гидроизоляционных штукатурок, а также для заделки швов в сборных железобетонных конструкциях.

Кислотоупорный цемент. Кислотоупорный кварцевый кремнефтористый цемент (ГОСТ 5050—69) — тонкоизмельченная смесь кварцевого песка и ускорителя твердения — кремнефтористого натрия,— затворенная раствором натриевого жидкого стекла 'плотностью 1,36—1,38 г/см3. Степень измельчения смеси должна быть такой, чтобы остаток при просеивании через сито с сеткой № 008 не превышал 10% и через сито с сеткой №0056—30%.

Цемент выпускают двух типов I — для кислотоупорных обмазок, применяемых для крепления плиток при облицовке аппаратуры на химических заводах и

II—для приготовления кислотоупорных растворов и бетонов.

Кислотоупорный цемент твердеет благодаря тому, что в нем образуется и кристаллизуется гель ортокремневой кислоты. Схватывание цемента I типа должно начинаться не ранее 40 мин, а II типа — через 20 мин после затворения и заканчиваться для обоих типов не позднее 8 ч.

При работе с кислотоупорным цементом надо пользоваться респираторами и не допускать попадания цемента на продукты питания, так как кремнефтористый натрий обладает токсическими (ядовитыми) свойствами.

Цементы для строительных растворов. В целях экономии цементного клинкера промышленность выпускает специальный цемент для строительных растворов (МРТУ 2119—68). Получают цемент совместным измельчением цементного клинкера, гипса и минеральных добавок (активных, гранулированного доменного шлака, малощелочной пыли электрофильтров клинкерообжигательных печей) или тщательным смешиванием раздельно измельченных тех же материалов. Содержание цементного клинкера может быть снижено в зависимости от применяемых минеральных добавок до 30%, в отдельных случаях до 20% от массы цемента. Предел прочности образцов из этого цемента в 28дневном возрасте должен быть не менее: при сжатии — 150 кгс/см2 и при изгибе — 17 кгс/см2.

Начало схватывания цементного теста нормальной густоты наступает не ранее 45 мин, а конец не позднее 18 ч от начала затворения. Растворы на этих цементах обладают низкой пластичностью. Поэтому при приготовлении растворов на стройке или растворосмесительных заводах в них нужно вводить пластифицирующие добавки (известь, глину, поверхностноактивные вещества).

При использовании цемента в жарком и сухом климате штукатурку надо периодически смачивать, не допуская ее высыхания. При несоблюдении этого условия прочность штукатурного слоя резко снижается.

Марки цементов. Марки цементов характеризуются пределом прочности при изгибе образцовбалочек размером 40X40X160 мм и сжатии их половинок, изготовленных из пластичного раствора состава 1 : 3 (цемент: нормальный песок) по массе и испытанных в возрасте 28 суток после твердения их в стандартных условиях (ГОСТ 310—76). Таким способом устанавливают марки для портландцемента, гидрофобного, пластифицированного, белого, сульфатостойкого портландцементов, шлакопортландцемента, пуццоланового портландцемента и цветного портландцемента (табл. 6).

Таблица 6

Показатели прочности различных марок* цементов через 28 суток твердения

Цемент	Предел прочности при изгибе, кгс/см', не менее для марок					Предел прочности при сжатии, кгс/см2, не менее для марок
	200	300	400	500	600	200	300	400	500	600
Портландцемент	__	45	55	60	65	—	300	400	500	600
Гидрофобный портландцемент Пластифицированный портландцемент……………… .........	— —	45 45	55 55	— 60	— —	— —	300 300	400 400	500 —	— —
Белый портландцемент…………….	—	45	55	60	—	—	300	400	500	—
Сульфатостойкий портландцемент……………............ Шлакопортландцемент…………….. Пуццолановый портландцемент Цветной цемент……………………..
	— 35	— 45	55	— 60	— —	— 200	300	400 400	500	—
	35	45	55	—	—	200	300	400	—	—
	—	45	55	60	—	—	300	400	500	—

Примечание. Прочерки в таблице указывают, что цемент этой марки не выпускается.

Предел прочности глиноземистого цемента марки 400 при сжатии через одни сутки должен быть не менее 200 кгс/см2, а через трое суток 400 кгс/см2, при изгибе соответственно 35 и 55 кгс/см2; марки 500 при сжатии соответственно 275 и 500 кгс/см2, а при изгибе 40 и 60 кгс/см2; марки 600 при сжатии 350 и 600 кгс/см2 и при изгибе 45 и 65 кгс/см2.

Образцы из быстротвердеющего портландцемента должны обеспечивать через трое суток твердения прочность на изгиб 40 кгс/см2 и на сжатие 250 кгс/см2, а для быстротвердеющего шлакопортландцемента соответственно 35 и 200 кгс/см2. Через 28 суток прочность на сжатие этих цементов должна быть не менее 400 кгс/см2.

Требования по прочности для цветного портландцемента, гипсглиноземистого расширяющегося цемента, а также для водонепроницаемого расширяющегося и водонепроницаемого безусадочного цементов устанавливаются специальными техническими условиями.

Транспортирование и хранение цементов. Перевозят цементы навалом в специально оборудованных вагонах, контейнерах, цементовозах или "в мешках из четырехпяти слоев непрочитанной бумаги. Белый и цветной цементы перевозить навалом нельзя. Их транспортируют только в бумажных мешках. В бумажных мешках перевозят глиноземистые, водонепроницаемые расширяющиеся, безусадочные и кислотоупорные цементы. Глиноземистые цементы, кроме того, допускается перевозить в контейнерах или цементовозах.

При транспортировании цемента, особенно в тех случаях, когда его перевозят навалом, все перегрузочные работы следует выполнять механизированным способом— пневматическими и пневмомеханическими разгрузчиками цемента.

При транспортировании в цементовозах машину загружают через горловину в верхней части, а выгружают с помощью сжатого воздуха, поступающего от компрессора, который установлен на цементовозе.

Хранят цемент в инвентарных металлических емкостях (силосах и бункерах). Цемент разных марок и видов следует держать в отдельных бункерах. При транспортировании и хранении цемент нужно оберегать от воздействия влаги и загрязнения посторонними примесями. Длительное хранение отрицательно влияет на прочность всех цементов, кроме гидрофобных, для Которых срок хранения практически не ограничивается. Техническими условиями устанавливается необходимость повторных испытаний их перед использованием через месяц после первого испытания.