Цветные цементы — разновидность портландцемента. Широкое применение различных по цвету цементов в сборном железобетоне, например в домостроении, обеспечивает долговечность окраски конструктивных элементов зданий при богатом разнообразии цвета и чистоте их тона. В ряде случаев этот цемент находит применение в отделочных работах, в частности для приготовления растворов.
Массовый выпуск цветных цементов в большей мере, чем изготовление портландцементов и глиноземистых цементов, зависит от качества сырьевых материалов. Для широкого использования этого вида цемента в отделочных работах решающее значение имеет размещение цементных заводов.
Рассмотрим особенности состава цемента и общие условия его приготовления, усложняющие производство. Проанализируем химический и минералогический составы сырья, используемого для приготовления белого цемента, на основе которого осуществляется производство цветных цементов.
Белый цемент отличается от обычного портландцемента меньшим (примерно в 6 раз) содержанием окислов железа. По этой причине в белом и других цветных цементах наиболее высок процент трехкальциевого алюмината и меньше всего алюмоферрита. Портландцемент имеет темно-серый цвет вследствие высокого наличия окрашивающих окислов, к которым надо отнести и окись железа. Чем меньше в цементе окисей железа и марганца, тем белее цемент. На белизну и окраску цемента, кроме окисей железа и марганца, влияет даже незначительное количество хрома (даже тысячные доли процента), валентность окисей железа и марганца в клинкере, условия помола (металлические мелющие тела). В частности, для того чтобы избежать загрязнения сырьевой смеси железом и окислами железа, применяют мелющие тела из уралита (высокоглиноземистого материала) или фарфора, а мельницу футеруют фарфоровыми и кремниевыми плитами или особо трудно истираемой сталью.
Белизна белого цемента сравнивается с эталоном белизны — сернокислым барием. Степень белизны цемента характеризуется по специальной шкале ГОСТ 965—66. При меньшем содержании Fe203 и МпО белизна цемента может достигать 80% эталонной белизны. Белый цемент — основа для получения цементов различной цветовой гаммы. Белый цемент — тонко измельченный активный минеральный порошок, в который при помоле клинкера вводят гипс для регулирования сроков схватывания, а также гидравлическую добавку — диатомит (белого цвета) в количестве 5—10% от массы клинкера для повышения устойчивости против появления известковых выцветов. Коэффициент яркости белого цемента, как правило, составляет 78—85%.
При производстве белого портландцемента необходимо отбеливание клинкера — снижение красящей способности окислов железа, чего достигают:
1) воздействием в течение нескольких минут на клинкер восстановительной среды (генераторного газа в аппарате-отбеливателе при 800° С и последующем охлаждении до 200° С) — без доступа кислорода; в этом случае окись железа переходит в магнитную закись-окись; 2) резким снижением растворимости окислов железа белитом при быстром охлаждении, образованием алюмоферрита кальция C6AF2, а не C6A2F, что обеспечивает в белом клинкере портландцемента более концентрированное распределение окиси железа (на меньшем числе частиц алюмоферрита). Резкое снижение температуры клинкера с 1250—1350 до 500—600° С получают при охлаждении его водой с таким расчетом, чтобы клинкер, извлеченный из воды, за счет оставшегося в нем тепла мог высохнуть до помола.
В зависимости от вида нормируется количество белой добавки, вводимой в мельницу при помоле клинкера. Так, белого диатомита, соответствующего требованиям ГОСТ 6269—63, разрешается вводить не более 6%, белой инертной минеральной добавки— не более 10% от массы цемента. По договоренности потребителя с поставщиком при помоле клинкера допускается введение в цемент ПАВ, пластифицирующих и гидрофобизирующих цементы. Цемент выпускается трех марок по прочности на сжатие: 300, 400 и 500, с соответствующими показателями прочности на изгиб: 45, 55 и 65.
Изготовление и испытание образцов раствора состава 1 : 3 осуществляется в полном соответствии с ГОСТ 310—60. При испытании особое внимание обращают на белизну цемента, с учетом которой его маркируют на три сорта: высший, БЦ-I, БЦ-II, с соответствующими коэффициентами яркости (в процентах от яркости BaS04): 80, 76 и 72.
Для получения цветных цементов используют белый цемент и красящие вещества: синтетические минеральные и органические пигменты, природные минеральные пигменты и красковые руды. Цветные портландцемента производят и на основе цветных клинкеров. Рассмотрим в общем виде вопросы, связанные с получением цветных цементов на указанных основах.
Цветной цемент производят на основе белого клинкера и красящих веществ. Качество белого цемента и красящих веществ влияет: на устойчивость цветового колера при эксплуатации бетонов (растворов), выполненных на основе цветных цементов, на их физико-механические свойства (усадку, морозостойкость, водопоглощение, ползучесть, выцветоустойчивость). Например, большое содержание в цементах диатомита (около 10—15%) повышает усадку цемента,, так как увеличивает водопотребность бетонных (растворных) смесей (аналогично пуццолановым и пуццоланизированным порт-ландцементам); увеличивает усадку по указанной причине и глинистая порода красковой руды. Появление на поверхности изделия или конструкции усадочных трещин не только портит внешний вид, но и во многих случаях снижает их надежность.
Красящие вещества могут также значительно снизить морозостойкость цветных цементов. Такие красящие вещества, как ультрамарин и окись хрома, достаточно светостойкие при эксплуатации бетонов (растворов), изготовленных в естественных условиях твердения, не сохраняют свою окраску при пропаривании.
Весьма важное свойство цементного камня — выцветоустойчивость достигается ранее указанными мерами, из которых особый эффект дает гидрофобизация цемента. В этом случае не происходит миграция водных растворов по капиллярам цементного камня. Отвод воды от частей здания или сооружения (например, с проезжей части мостов, от бордюрных камней, плит балконов) обеспечивают конструктивными приемами.
Минеральные пигменты (синтетические и природные) получают путем тонкого измельчения Красновых руд. Пигменты не растворяются в воде, масле и разных растворителях. Поэтому их необходимо тонко измельчать и тщательно размешивать в массе зерен белого портландцемента. Порошки из красковых руд в воде, масле и других жидкостях образуют тонкозернистые суспензии, которые применяют для производства красок.
Для приготовления цветных цементов используют руды: охру железоокисную, охру глинистую классов А и Б, охру карбонатную, сурик, бурый железняк, мумию, марганцовую руду и другие из разных месторождений. В железных рудах преобладает Fе2О3 (до 78,33%), в марганцевых —МnО (до 70,15%). Добычу кусковых руд целесообразно производить селективными методами, что не всегда осуществимо из-за особенностей их залегания. Перечисленные руды, вводимые в помол совместно с клинкерам в количестве 0,5— 15%, обеспечивают желто-красную, коричневую и черную гаммы цветных цементов. Так, Fe203-3H20 обеспечивает получение желтого цвета, Fe203 — красного, FеО-Fе2О3— черного.
Для создания цементов голубого, зеленого и терракотового цветов требуются синтетические и органические пигменты, которые пока дефицитны. Технология получения синтетических пигментов достаточно сложна, но суть ее состоит в осаждении гидрата окиси железа из раствора железного купороса FeS04-7H20 и прокаливании осадка при температуре от 200 до 900° С. При этом в процессе осаждения вводят добавки (например, поваренную соль) для достижения нужных оттенков.
Органические пигменты добывают из многочисленных органических соединений. Их вводят в цемент в незначительном количестве (0,1—0,3%) для получения чистых и ярких цветов. Однако значительное число органических пигментов уступает минеральным пигментам по светостойкости (отмечается резкое ухудшение цвета при действии ультрафиолетовых лучей в течение 15 ч). Светостойкими и стойкими против действия кислот, щелочей и атмосферных воздействий кислот является зеленый и голубой фталоцианиновые пигменты.
В настоящее время наиболее дешевыми и доступными для массового применения при изготовлении цветных цементов считаются красковые руды, перемалываемые совместно с белым клинкером. Красковые руды должны пройти процесс обогащения (разборки руды и отделения зерен кварца и других примесей) и поступать на цементные заводы в виде сухого порошка.