Портландцемент — гидравлическое вяжущее, являющееся продуктом совместного тонкого измельчения клинкера и гипса. Клинкер получают в результате обжига, доведенного до спекания сырьевой смеси запроектированного состава. При этом в клинкере преобладает силикатная группа минералов C3S и C2S. В зависимости от состава сырьевой смеси, равномерности и тонкости измельчения, условий обжига (типа печи, качества топлива, техники обжига, температуры отдельных зон и скорости охлаждения клинкера) цемент получают с разным составом основных клинкерных фаз. Показанные выше минералы в чистом виде, как правило, встречаются весьма редко из-за наличия в сырье примесей. В процессе обжига эти примеси образуют с минералами силикатной группы (C3S и C2S) и с минералами, входящими в промежуточное вещество (С3А и C4AF), новые соединения типа твердых растворов. Следовательно, у клинкерных минералов должна изменяться активность. Исследования минералов промежуточного вещества показали, что существуют соединения Ci2A7; C3F и С6А2Р с иными свойствами, чем свойства широко известных С3А; C2F и C4AF.
Минералы силикатной группы бывают нескольких модификаций. Так, минерал C3S встречается не в чистом виде, а с примесями и может быть представлен в цементе тремя модификациями, Пс этой причине правильнее его именовать алитом. Чистый минерал C2S имеет несколько полиморфных модификаций β-C-S и γ-C2S. Модификация β-C2S называется белитом. В белите содержится примесь окислов железа, титана, возможна примесь Сг2O3.
Алюминатная фаза может быть представлена минералом С3А, находящимся в промежуточном веществе или кристаллизующемся вместе с минералом C3S, а также соединением С12А7 или при замене части СаО в минерале С3А — окислами К20 или Na20, соединениями КС8А3 и NC8A3. Алюмоферритная фаза в цементе кристаллизуется в промежуточном веществе, которое представляется неоднородной массой, а своеобразным техническим конгломератом, изменение кристаллов которого существенно влияет на прочность цемента. Алюмоферритная фаза состоит из минералов твердых растворов в системе С—С5А5— С2Р с характерными составами: C8A,F-C6A2F; C4AF и C6AF2.
Каждая модификация — продукт сложного процесса производства цемента и кристаллизации новых продуктов с изменяющимися в нем температурами по длине печи. Следовательно, чистый трех-кальциевый силикат можно получить только в лабораторной печи при температуре более 2070° С из чистых окислов и при многократном обжиге материала. Кристаллизация такого синтетического минерала, полученного в описанных условиях, проходит в тригональной сингонии. В цементах встречаются минералы C3S с моноклинной и псевдотригональной кристаллической решеткой. Трех-кальциевый силикат, полученный спеканием без каких-либо примесей, как правило, имеет кристаллическую решетку триклинной сингонии и редко встречается в производственных портландце-ментах.
Указанные особенности структуры алита и трехкальциевого силиката в портландцементах одной тонкости измельчения и с одинаковым минералогическим составом вызывают существенные различия в таком важном свойстве, как марочная прочность или кинетика роста прочности цемента. Поэтому для прогноза свойств цемента паспортных сведений недостаточно. Впредь до сплошной каталогизации всей цементной промышленности дополнительные сведения, важные для производства работ, высылаются по запросу строительных организаций.
При микроскопическом анализе шлифов цементного клинкера алит представлен зернами в виде шестигранников различного размера. Белит представлен округлыми зернами желтоватого цвета различного размера. Алюминатная и алюмоферритные фазы с помощью поляризационного микроскопа не определяются.
Существует способ определения минерала СзА методом прокрашивания красителем кислотным ярко-голубым 3. При анализе с помощью электронного микроскопа минерала С3А фиксируется в виде гексагональных призм. Наличие щелочных фаз клинкера, которое с развитием производства цемента и использованием сырья, содержащего много щелочных соединений, заставляет очень внимательно относиться к изготовлению цемента и учитывать сказанное о возможности щелочного разрушения. Например, присутствие в цементе щелочи Na20 приводит к ускорению схватывания цементного теста, ускорению слеживания цемента при хранении и, в конечном счете, к ухудшению его свойств.
Присутствие в цементе более 0,7% щелочей может привести к аномалиям при твердении бетонов (растворов); например, после твердения более 3 сут. временно прекращается рост прочности. Сказанное объясняется изменением минералогического состава цемента, в котором при обжиге из свободных, оставшихся от связываний с S03 щелочных окислов образуются новые сложные соединения например, К20 • 23СаО • 12Si02; Na20-8CaO-3Al203. Из состава этих соединений видно, что они образовались путем замены одной молекулы СаО (ее вытеснения) щелочными окислами в минералах ЗСаО-Аl203 и 2CaO-Si02.
Щелочи в состазе сырьевой смеси влияют не только на частичное изменение минералогического состава, но и на глубину процессов. В общем виде — это процессы, связанные с изменением симметрии и размещения псевдоячеек кристаллической решетки всех фаз клинкера. По указанной причине научные разработки в области химии силикатов невозможны без изучения минералов, характера их кристаллизации, распределения в зернах клинкера (цемента), размеров и формы отдельных кристаллов, т. е. совокупности указанных и ряда других характеристик цемента, носящих название структурных. В связи со сказанным рассмотрим строительно-технические свойства портландцементов и свойства, еще не определенные ГОСТом.
Портландцемент, а также пластифицированный и гидрофобный портландцемента выпускаются четырех марок: 300, 400, 500, 600 соответственно с пределами прочности при изгибе 45, 55, 60, 65. В ГОСТе предел прочности цемента принято нормировать только по прочности через 28 сут. твердения. Многолетний опыт показал, что при установившейся технологии приготовления между пределами прочности одного и того же цемента на 28 сут. и другими сроками его твердения существует достаточно стойкое соотношение. В этом случае промышленность может поставлять цемент, не получив еще от лаборатории результаты испытания. Однако цементные заводы обязаны обеспечить соответствие своей продукции записям в паспорте. Для этого на каждом заводе применяется ускоренный метод испытания, позволяющий за сутки получить ответ о пределе прочности цемента на 28 сут.
Поставка цемента с гарантией качества стала возможной только при нормировании предела прочности цемента на определенный срок, который для цементов, твердеющих относительно медленно, равен 28 сут. Несомненно, по мере увеличения выпуска быстро-твердеющих и высокопрочных цементов, углубления знаний в области химии цемента этот срок станет короче. Возможность поставки цемента с гарантией не ограничивается только применением ускоренных методов испытания. Гарантия качества — высший класс работы любой отрасли народного хозяйства, итог хорошо продуманного и организованного процесса, высокая квалификация работников предприятия и высокая дисциплина труда. Зная сырье и технологию производства, ведя ее в заданном ритме, обеспечивая бесперебойную работу всех машин и оборудования, работая на высококалорийном топливе стабильного качества, можно гарантировать выпуск высококачественного цемента. Цемент гарантированного качества, не требующий проверки прочности в лабораториях строительств, выпускается с колебаниями марки до 5%, что вполне допустимо в строительном производстве.
По требованию потребителей цементные заводы обязаны сообщать дополнительные сведения о качестве цемента, в том числе пределы прочности на 3 и 7 сут. Эти испытания систематически проводятся в заводских лабораториях для текущего контроля и последующей научной обработки, которая необходима с целью развития и углубления многих задач, в том числе стандартизации цемента.
Когда условия работы бетона не осложнены воздействием агрессивных агентов, расчетные требования к конструкции или сооружению ограничены одной марочной прочностью и изготовление бетона не связано с ускоренным режимом твердения. В этом случае демент назначают в соответствии с прочностью бетона. В иных случаях выбирают цемент, отвечающий всем требованиям проекта сооружения. Иногда может оказаться, что применяя портландцемент, не удается обеспечить все технические требования, заложенные в проекте. Тогда выбирают другие виды цемента, о свойствах которых говорится далее. Свойства портландцемента регулируют рядом приемов, о которых сказано ранее.
Из большого разнообразия видов портландцемента, различающихся по химико-минералогическому составу и ряду других существенно важных характеристик, выделяются только четыре: пластифицированный, гидрофобный, быстротвердеющий, сульфатостой-кий. Цемент с умеренной экзотермией выпускают по специальным условиям.
Введение в цемент 15% минеральных добавок невысокой активности несколько понижает его марку и замедляет твердение в нормальных условиях. Однако показателя предела прочности недостаточно для выбора портландцемента; необходимо придерживаться определенного методического подхода, который следует из дальнейшего анализа особенностей рядового портландцемента. Быстро-твердеющие цементы характеризуются не только скоростью упрочнения бетона, но и высокой прочностью.
Цементы, содержащие ПАВ (гидрофильные и гидрофобные), являются обычными портландцементами. Гидрофильную добавку с.д. б. в зависимости от состава цемента и тонкости его измельчения вводят от 0,15 до 0,25% от его массы в пересчете на сухое вещество добавки. Гидрофобную добавку вводят от 0,06 до 0,3% в пересчете на сухое вещество. Как правило, высокого эффекта пластифицирования достигают, когда в цементе мало минералов С3А, оптимальное количество гипса, много мелких зерен.
В ГОСТ 10178—62 стандартизируется портландцемент для бетонных покрытий автомобильных дорог и аэродромов. Рассмотрим, как формировались требования в стандарте на этот портландцемент. Зная, что формирование тонкой бетонной плиты дорожных и аэродромных одежд протекает в сложных условиях, необходимо было исключить применение минеральных добавок (в последующем было разрешено вводить до 15% молотых гранулированных шлаков, к сожалению не нормированных по тонкости измельчения). Этому же условию были подчинены выбор минералогического состава и введение в цемент ПАВ. Условия транспортирования бетонной смеси потребовали продления сроков схватывания до 2 ч против стандартных 45 мин. Учитывая, что минерал С3А ухудшает ряд свойств (сроки схватывания, морозостойкость бетонов), его содержание в цементе ограничено до 10%.
Опыт показывает, что дальнейшее развитие теории о работе таких плит нуждается в совершенствовании качества цемента для дорожного и аэродромного строительства и, в частности, в уточнении состава цемента для применения в жарком и сухом климате, при напряженном армировании бетона и ряде других условий. По аналогии с этим следует выбирать цементы и для других условий, помня, что такие цементы пока не дифференцированы по свойствам.
На основе анализа поведения материала при разной организации строительства, условий его работы в различных агрессивных средах производится «выборка» таких сведений. Последние объединяют в перечень технических условий, которые позволяют выбрать необходимые цементы.
Портландцементы с характерно выраженными особенностями (сульфатостойкостью и с умеренной экзотермией) применяют в строительстве для получения специальных видов бетона. До включения в ГОСТ такие цементы выпускали по временным техническим условиям. По мере совершенствования научных разработок по отдельным свойствам бетона, таким, как трещиностойкость, ползучесть, лимитированная усадка, регулированная кинетика упрочнения, цементы будут выделены в особые ГОСТы.
Сульфатостойкий портландцемент обладает высокими строительно-техническими свойствами; его изготавливают из клинкера, в котором нормирован минералогический состав, в частности содержание минерала С3А. Этот цемент имеет пониженные экзотермию и прочность (высшая марка цемента 400 из-за более низкого содержания минерала C3S). Однако можно выпускать такие цементы с более высокими прочностью и сульфатостойкостью, в частности, из клинкера с повышенным количеством минерала С3А и гипса при мокром помоле на месте работ.
Портландцемент с умеренной экзотермией в отличие от других портландцементов меньше выделяет тепла в первые сроки твердения, что связано с изменением минералогического состава в клинкере. В этом цементе по стандарту резко снижено количество минерала C3S и не допускаются минеральные добавки, так как его используют в тех зонах гидротехнических массивных сооружений, которые подвергаются совместному действию воды и мороза. Однако цемент с низкой экзотермией применяется не только во внешних зонах. В настоящее время такой цемент не нормируется ГОСТом и его приходится заказывать по отдельным техническим условиям.
В изготовлении цементов с пониженной экзотермией имеется .ряд направлений, связанных не только с их получением на цементных заводах, но и спецификой производства бетонных работ (например, помол клинкера на строительной площадке одно из таких направлений).
Сказанное об изготовлении и применении портландцемента только для внешних частей (зон) гидротехнических сооружений не находится в полном соответствии с работой бетона этих зон. Известны случаи устройства защитных зон из сборных железобетонных плит на высокопрочном цементе. Низкотермичный цемент в наружных зонах может быть заменен портландцементом другой разновидности при уменьшении толщины наружной зоны. Приведенные примеры показывают, что без тщательного анализа работы сооружения (конструкции) нельзя правильно выбирать цемент, оптимальный по свойствам для данного случая.
Анализ способности цемента выделять тепло при реакции твердения (гидролизе и гидратации) показывает, что экзотермический процесс связан с кинетикой твердения и действующим минералогическим составом. Следовательно, чем меньше в цементе мелких зерен, тем меньше выделится тепла. Нами предложено тонкие фракции цемента отмывать или организовать их отбор на цементных заводах, готовя из них быстротвердеющие и высокопрочные цементы, а из крупных фракций — цементы для бетонирования массивных конструкций. Для создания монолитных высококачественных конструкций необходим длительный непрерывный процесс постепенного ввода в реакции гидролиза и гидратации всех зерен крупных фракций цемента, в противном случае бетон будет иметь низкие технические свойства. После длительного твердения такие бетоны отличаются высокими морозостойкостью и водонепроницаемостью.
Чистые портландцементы с низкой экзотермией используют для сооружений, работающих во внешней агрессивной среде: монолитных телевизионных башен, градирен, силосных башен, ящиков-гигантов для гидротехнического строительства при организации твердения бетона в условиях, близких к стандартным. Внутренние зоны массивных конструкций надо бетонировать, используя смешанные цементы, состоящие из двух и большего числа компонентов, а также пуццолановые или шлакопортландцементы.
Пуццолановые портландцементы. Плотность пуццолановых портландцементов ниже портландцемента из-за наличия в них гидравлических добавок и равна 2700—2900 кг/м3. Пуццолановые портландцементы выпускают марок: 200, 300, 400 и 500 с минимальным пределом прочности при изгибе соответственно 35, 45, 55 и 60 кГ/см2 (10-1 МПа).
Все виды пуццолановых цементов, полученных заводским путем, содержат различные по составу совместно измолотые клинкеры, гидравлические (пуццолановые) добавки и гипс. Разрешается раздельно молоть клинкер с гипсом и гидравлической добавкой с обязательным последующим тщательным смешиванием. Количество вводимой гидравлической добавки (ГОСТ 6269—63) зависит от ее генезиса: добавки осадочного происхождения — 20—30%; добавки вулканического происхождения, а также добавки обожженной глины, топливной золы и глиежи — 25—40%.
Пуццолановый портландцемент может твердеть в воде и во влажных условиях. Под влажными надо понимать такие условия, при которых в твердеющем на воздухе бетоне (растворе) с пуццолановым цементом сохраняется вся вода, введенная при приготовлении бетона. Опыт показывает, что остается открытым вопрос о надежной работе бетона в заданные сроки при применении пуццолановых цементов с любым указанным в ГОСТе количеством и качеством добавок после упрочнения на воздухе.
На строительстве канала им. Москвы был разработан и применен способ мокрой пуццоланизации цемента в бетоносмесителях с мягкой осадочной гидравлической добавкой — трепелом, образующем в воде достаточно устойчивую суспензию. На таком пуццола-новом цементе уложено примерно 2,5 млн. м3 бетона в ответственные гидротехнические сооружения этого уникального объекта. Для бетонных дорожных и аэродромных покрытий пуццолановые цементы непригодны из-за того, что нельзя создать условия длительного твердения для полноценного связывания извести и обеспечения работы во влажных условиях.
Для ряда конструктивных деталей и частей сооружений (фундаментов под опоры мостов, водопропускных труб под насыпями дорог, набивных и забивных свай) пуццолановый портландцемент служит основным вяжущим материалом. Благодаря высокой стойкости в мягкой воде, а также возможности получения бетона с высокой водонепроницаемостью такое вяжущее незаменимо при возведении подземных сооружений (тоннелей, шахт, подземных коммуникаций, массивных конструкций, работающих под напором, подвальных этажей).
Существенным недостатком этого гидравлического вяжущего является высокая водопотребность, из-за чего пуццолановые портландцементы имеют высокую нормальную густоту, превышающую даже наиболее высокий показатель нормальной густоты рядовых портландцементов. Наиболее высокая водопотребность у цементов с трепелом и ему подобными рыхлыми и мягкими добавками, хорошо распадающимися в воде. Нормальная густота пуццолановых портландцементов колеблется в пределах 35%.
Для работы бетона в условиях, аналогичных приведенным при наличии агрессивных сульфатных вод, можно применять сульфато-сюйкий пуццолановый портландцемент. Как и обычный пуццолановый портландцемент, так и эту его разновидность нельзя использовать в бетоне, предназначенном для сооружений, подвергающихся переменному увлажнению и высыханию, замораживанию и оттаиванию. Этот цемент особенно эффективен при выполнении зимних работ, где его нельзя заменить другим видом. В этом случае надо применить такой прием бетонирования, при котором не замедлялся бы процесс твердения, так как полноценность реакции цемента с водой связана с температурой и влажностью среды (пуццолановые портландцементы даже в нормальных условиях твердения в начале формирования цементного камня медленнее упрочняются, чем портландцемент).
Следует помнить, что большое содержание воды в бетоне на пуццолановом цементе снижает прочность, водонепроницаемость, морозостойкость и другие свойства, но повышает усадку, если допустить испарение воды из бетона. В этом случае на свойства бетона влияет тип гидравлической добавки. Однако с большей водопотребностью бетонные смеси на пуццолановых портландцементах с гидравлическими добавками, имея меньшую пластичность, хорошо уплотняются при одном и том же содержании воды в составе бетона в случае применения вибраторов и меньше расслаиваются.
Пуццолановые портландцементы при твердении выделяют меньше тепла по сравнению с портландцементами на таком же клинкере, что позволяет их использовать при бетонировании массивов. Это обстоятельство надо учитывать в расчетах при организации зимнего бетонирования методом термоса, где важен эффект тепловыделения цемента. В затвердевшем пуццолановом портландцементе значительное количество извести, выделившейся при гидролизе и гидратации минерала C3S, связывается с активным кремнеземом гидравлической добавки в низкоосновные гидросиликаты кальция. Этот процесс длительный, превышающий 12 месяцев. При этом из-за низкой концентрации извести в цементном камне становятся неустойчивыми высокоосновные гидроалюминаты кальция (С3АН6), которые переходят в низкоосновные соединения вида СхАНу—(хСаО-Аl2О3-yH2О).
При использовании гидравлических добавок с высоким содержанием растворимого глинозема (следовательно, и реакционноспо-собного глинозема), который находится в таких добавках, как вулканические туфы (некоторые виды), глиежи и некоторые другие аналогичные им добавки, часть извести может соединиться с глиноземом и образовать в цементном камне дополнительное количество гидратированного трехкальциевого алюмината. Поэтому такие цементы недопустимы в условиях сульфатной агрессии.
Возможно разрушение бетонов на таких цементах и без воздействия внешней агрессивной сульфатной среды — при твердении бетона, например при обычной тонкости помола цемента и содержании в нем гипса в таком количестве, которое не успевает соединиться с гидратированным алюминатом в гидросульфоалюминат в период пластично-упруго-вязкого состояния цементного теста. Особый технико-экономический эффект можно получить, если использовать пуццолановый портландцемент с тепловлажностной обработкой бетона. В частности, ряд названных ранее конструктивных частей сооружений можно изготовить на заводе и использовать в оптимальных условиях для обеспечения их долговечной работы. Если при пропаривании бетон в той или иной мере не добирает часть прочности по сравнению с нормальными (стандартными) условиями твердения, то бетон на пуццолановом портландцементе всегда твердеет с лучшими результатами. В итоге прочность и другие свойства бетонов на пуццолановых портландцементах, твердеющих с ускорением процесса, становятся выше, чем у бетонов, изготовленных на цементе без гидравлических добавок, но на таком же клинкере.
Шлакопортландцемент — особый вид гидравлического вяжущего, изготовленного при тонком измельчении клинкера и гранулированного доменного шлака (до 80%).
Необходимо уточнить общепринятое положение (ГОСТ 101782—62) о том, что это гидравлическое вяжущее вещество как и портландцемента твердеет в воде и на воздухе.
Если твердение рассматривать отвлеченно, без учета глубины гидролиза и гидратации цемента, то несомненен факт твердения шлакопортландцемента так же, как портландцемента.Даже без воды цементный камень образуется из зерен цемента и паров воды, покрывающих поверхность зерен. Однако в технике важно получить материал со свойствами, которые заданы проектом. Многочисленными и многолетними исследованиями свойств шлакопортландцемента показано, что для достижения высоких результатов надо, чтобы твердение протекало без испарения влаги из бетона и в течение длительного срока (значительно превышающего стандартный, при котором определяется его марка), без расслоения на шлаковую и портландцементную составляющие.
Для этого вяжущего оптимальным считается ускоренный режим твердения с избытком влаги в окружающей среде, когда создаются наиболее благоприятные условия для активизации минералов шлака новообразованиями, полученными при гидролизе и гидратации портландцемента. По ГОСТу шлакопортландцемент выпускают следующих марок: 200, 300, 400 и 500 с соответствующими им пределами прочности при изгибе в 35, 45, 55 и 60 кг/см2 (10-1 МПа). Однако применяя телловлажностную обработку, «а шлакопортландцементе меньшей марки можно получить бетон прочностью, равной прочности бетона на портландцементе более высокой марки. При этом свойства бетона на шлакопортландцеманте становятся выше аналогичных свойств бетона на нем, если последний твердел марочный срок при стандартных условиях. Тем более они много выше свойств бетона, изготовленного на портландцементе.
Следует остановиться на анализе работ, в которых показано, что бетон на шлакопортландцементе после длительного периода твердения, исчисляемого годами, обладает низкими прочностью и морозостойкостью даже при относительно невысоком содержании гранулированного шлака —до 50%. Причинами низких свойств бетона является невысокая тонкость помола цемента, применение лежалого цемента, бетонной смеси с избыточной пластичностью и неблагоприятные условия твердения. Любое указанное условие приводит к участию в твердении только портландцементного компонента шлакопортландцемента, шлаковая часть остается балластом. По этой причине необходимо создать условия для активного твердения молотого гранулированного шлака в шлакопортландцементе. В противном случае цемент будет типично смешанным (с неактивными порошками).
Как и во все цементы, в которых имеется минерал С3А, в шлакопортландцементы при помоле вводится гипс. Положительной особенностью этих цементов является их относительно низкая водо-потребность, позволяющая приготовлять смеси с меньшим содержанием воды (на 15—20 л/м3). По сравнению с портландцементами шлакопортландцементы имеют повышенные прочности на изгиб и растяжение и позволяют получать бетон с низкой ползучестью и весьма высокой морозостойкостью.
Процессы твердения шлакопортландцементов, как и пуццолановых портландцементов, — двухстадийны. Любое нарушение условий, обеспечивающих процессы каждой стадии, приводит к резкому снижению технических свойств. Это хорошо видно из опытов, проводимых параллельно на одних и тех же составах цемента и бетона. При необеспечении оптимальных режимов приготовления цемента и бетона (или бетона на шлакопортландцементе) образцы обладают высокой ползучестью и низкой морозостойкостью. Качественное приготовление смеси обеспечивает получение бетона со свойствами, позволяющими его рекомендовать для самых ответственных сооружений (пролетных строений мостов, тоннелей метрополитенов, дорожных и аэродромных плит, набивных и забивных свай, сборных свайных ростверков).
Высокий эффект от пропаривания шлакопортландцемента объясняется связыванием извести минералами шлака. На термограммах видно, как изменился эффект, связанный с дегидратацией Са(ОН)2 при 465—504° С. Это результат реакции извести с минералами шлака, поверхность которых подвергалась щелочному «возбуждению» и активизации. То же происходит и при сульфатном возбуждении.
На процессе образования гидросульфоалюминатов кальция в итоге сульфатного возбуждения обосновывается новый тип шлако-сульфатного цемента, состоящего из молотого шлака и небольших количеств извести и гипса. Этот вид цемента имеет особенности, без учета которых бетон на таком цементе разрушается при нестабильной внешней среде.
Кроме шлакопортландцемента, имеются его разновидности: быстр отвердеющий и шлаковый магнезиальный. Быстротвердею-щий шлакопортландцемент содержит до 50% шлака и обладает тонкостью помола до 4000—4500 см2/г. В нормальных (стандартных) условиях бетоны на этом цементе отличаются быстрым нарастанием прочности. В быстротвердеющих шлакопортландце-ментах снижено содержание шлака, поэтому в цементном камне имеется значительное количество несвязаной извести; после пропаривания морозостойкость бетона становится ниже по сравнению с бетоном на обычном шлакопортландцементе. Действительно, в этом случае снижение морозостойкости связано с ухудшением структуры твердеющего в цементном камне портландцемента, большая часть которого представлена гидратирующимися минералами C3S; C2S; С3А и C4AF (и некоторыми другими фазами портландцементного клинкера), для которых оптимальными являются условия твердения при минимально возможных температурах (близких к нулю).
В стандартных условиях при твердении с заданным количеством воды свойства таких быстротвердеющих цементов лучше. Такие цементы готовят высоких марок — 400 и 500. Через 3 сут. твердения цемент имеет предел прочности при сжатии больше 200 кг/см2 (10-1 МПа), на изгиб — больше 35 кг/см2 (10-1 МПа), что соответствует показателям прочности шлакопортландцемента М200. Для производства этого цемента выбирают клинкер, содержащий повышенные количества минералов C3S (более 55%) и С3А (более 8%). Естественно, что от меньшей тонкости помола (менее 4000 см2/г) и изменения состава клинкерной части и шлаков замедлится твердение.
По имеющимся опытным и практическим данным шлакопортландцемент в железобетонных конструкциях не вызывает коррозии арматуры. Однако нельзя согласиться с безоговорочной рекомендацией применять быстротвердеющий шлакопортландцемент для изготовления методом пропаривания сборного железобетона, подвергающегося в эксплуатации многократному замораживанию и оттаиванию. Опыт показывает, что требуется коренное изменение приемов оценки морозостойкости бетона в конструкциях, так как морозостойкость неармированного бетона отличается от морозостойкости армированного того же состава. Следовательно, чтобы безошибочно назначать долговечные бетоны в ответственные конструкции, надо применять составы, которые имеют максимальную морозостойкость. Полученные исследователями данные о морозостойкости бетона на быстротвердеющем шлакопортландцементе не отвечают указанному положению.
Область применения шлакопортландцементов систематически расширяется. Этот цемент, но с меньшим содержанием шлака, применялся в массивном строительстве (на Каховской и Красноярской ГЭС, в сооружениях черной металлургии), где были организованы вместе с установками по гранулированию шлакового расплава и собственные помольные установки и частично при изготовлении сборного железобетона. Широкий опыт применения шлакопорт-ландцемента известен и из зарубежной практики (например, строительство плотины Бор во Франции).
Бурное развитие сборного железобетона с короткими сроками тепловлажностной обработки заставляет с особым вниманием рассматривать требования к применяемым цементам.
Многолетние работы в этой области (сотрудников кафедры технологии дорожно-строительных материалов МАДИ с Южгипроце-ментом и НИИЦементом) позволили рекомендовать широкую замену портландцемента на шлакопортландцемент для изготовления сборного железобетона с тепловлажностной обработкой. Особого внимания заслуживает возможность пластифицирования растворных и бетонных смесей на шлакопортландцементах при ускоренных режимах твердения. В этом случае ускорение твердения приводит к резкому возрастанию, химического процесса, что позволяет локализовать воздух в контракционных порах и образовывать плотные структуры цементного камня без деструкции. Бетон на шлакопортландцементе при прочих равных условиях имеет также и повышенную сульфатостойкость.
Несмотря на свою «универсальность» шлакопортландцемент можно применять не в любых условиях. Бетоны на этом цементе разрушаются в воде, содержащей свободные кислоты (сточные, болотные и ряд других вод), а также недостаточно стойки в водных растворах с высокой концентрацией магнезиальных солей. Опытные работы последних лет с особой достоверностью показали необходимость пересмотра приемов оценки качества шлаков. Оценка по модулям не дает надежного ответа о возможности успешного использования шлаков. Очень часто на кислых шлаках можно приготовить высокопрочный шлакопортландцемент. Безусловно, на качество шлакопортландцемента влияет не только качество шлака (химико-минералогический состав) и клинкера (химико-минералогический состав клинкера), но и их соотношение и структура шлака.
Магнезиальный шлакопортландцемент отличается от быстро-твердеющего шлакопортландцемента только качеством клинкерной части (содержание в нем шлака как и в быстротвердеющем шлакопортландцементе допускается 30—50%). В этом цементе используется магнезиальный портландцементный клинкер, полученный на основе известково-магнезиальных доломитизированных и глинистых пород. В этом виде цемента раньше допускалось часть шлака (не более 15%) заменять стандартной активной минеральной добавкой, что связано с улучшением какого-либо из свойств шлакопортландцемента или экономических показателей (наличием на месте работ активных добавок или их получением с меньшей стоимостью, чем стоимость шлака). В последнем ГОСТе этот цемент отсутствует.
Смешанные цементы на основе портландцемента. Это название связано с. технологией приготовления цемента с различными порошкообразными минеральными добавками, не нормируемыми ГОСТами. Смешанные цементы отвечают широким запросам строительной индустрии, так как применяются для изготовления бетонов относительно невысоких марок, которые выбираются только по показателю прочности. Смешанные цементы можно приготавливать с одной и несколькими порошкообразными минеральными добавками. Такие цементы широко используются не только в бетонах (растворах) относительно невысоких марок, к которым не предъявляется дополнительных требований по качеству (например, морозостойкости), но и в специальных бетонах.
Например, для гидротехнического строительства, внутренних и подводных зон массивного бетона применяли низкотермичный цемент с содержанием клинкерной части (собственно портландцемента) 40—50% и молотого кварцевого песка и трепела 60—50% (от массы смешанного цемента). Молотый кварцевый песок и трепел можно заменить другими молотыми минеральными материалами, если они экономичнее (например, карбонатным порошком и шлаком).
Известно значительное количество составов смешанных цементов, в которых использованы местные добавки, например низкомарочные цементы для кладочных растворов, в которых использованы отходы кирпичного производства (кирпичный бой), с лежалым и подмоченным цементом.
Для кладочных и штукатурных растворов используют и низкомарочные цементы в смеси с известью, придающей растворным смесям высокую пластичность.
В силу ряда причин, в том числе из-за применения цементов высоких марок, прочность контрольных кубов получается выше проектной. Следовательно, наблюдается перерасход цемента. Если бы для относительно низкомарочных бетонов строители получали цемент в полном соответствии с формулой Rц= (2,5—3,5)Rб, перерасхода цемента не произошло бы. По этой причине производится цемент различных марок, в том числе низкомарочный, названный цементом для строительных растворов (МРТУ 21-39—69). Вследствие грубого помола части шлака на заводах цементной промышленности самая низкая прочность портландцементов составляла в среднем 204,9 кг/см2 (10-1 МПа). Однако этот вид цемента относить к смешанным нельзя.
Действительно, если любой смешанный цемент, содержащий одну или две добавки, как было указано выше, размолоть тоньше, его прочность несколько повысится. В шлакопортланд-цементе указанной прочности (204,9 кг/см2) при увеличении тонкости помола резко увеличивается прочность, так как тонко измолотый гранулированный доменный шлак является вяжущим и при введении в него извести, гипса или их смеси в соответствующем соотношении обладает высокими строительно-техническими свойствами. В частности, одна из разновидностей такого цемента названа сульфатошлаковой. В состав этого цемента входит 70%, гранулированного шлака, 20%, клинкера, содержащего не более 8% минерала С3А и 10% двувод-ного гипса (CaS04-2H20).
Возникновение смешанных цементов следует отнести к инициативе строителей, которые, не получая необходимого количества цементов, организовали помольные установки для изготовления разных по качеству смешанных цементов из клинкера цементных заводов и местных минеральных материалов. Многолетний опыт применения смешанных цементов показывает, что их целесообразно изготовлять на районных помольных установках. Для этого необходимо не только организовать такие установки с производительностью, при которой выпуск цемента будет рентабельным, но и систематически перестраивать заводы на изготовление цементов только высоких марок.