Технологическая линия по производству общестроительных портландцементов

• Нормальная  густота (водопотребность).

     Водопотребность цемента определяется количеством  воды (в % от массы цемента), которое необходимо для получения цементного теста нормальной густоты. Нормальной густотой цементного теста считаю такую его подвижность, при которой цилиндр-пестик прибора Вика, погруженный в кольцо, заполненное тестом, не доходит на 5-7 мм до пластинки, на которой установлено кольцо.

• Сроки схватывания.

     По  ГОСТ 10178-76 начало схватывания цемента  должно наступать не ранее чем 

через 45 мин, а конец — не позднее  чем через 10 ч с момента затворения. Если размолоть клинкер без добавки  и затворить его водой, он схватится почти мгновенно. Для регулирования сроков схватывания в цемент вводят гипсовый камень, который, взаимодействуя с гидроалюминатами, дает высокосульфатную форму гидросульфоалюмината. Через 3-6 ч эти экранирующие пленки разрушаются и начинается дальнейшее взаимодействие цемента с водой и нарастание прочности.  В цементах без добавки гипса взаимодействие с водой начинается сразу, образуется особенно много гидроалюминатов кальция, вызывающих схватывание системы.

• Активность и марка портландцемента.

     Активность и марку определяют испытанием стандартных образцов-балочек размером 4х4х16 см, изготовленных из цементно-песчаной растворной смеси состава 1:3 (по массе) и В/Ц = 0,4 при консистенции раствора по расплыву конуса 106 – 115 мм. Через 28 сут твердения (первые сутки образцы твердеют в формах во влажном воздухе, а затем 27 сут – в воде комнатной температуры), образцы-балочки сначала испытывают на изгиб, затем получившиеся половинки балочек – на сжатие.

     Предложены  методы определения активности цемента  ускоренными методами с пропариванием образцов. Такие методы дают возможность судить о марке цемента уже через 16—38 ч после изготовления.

• Прочность цемента

     Ценность  цемента как строительного материала  определяется, в первую очередь, его  механической прочностью в затвердевшем виде. Прочность — это результат когезии частичек цемента между собой и адгезии их к заполнителю. Так как цемент применяется в основном в бетонах и растворах, стандарты всех стран предусматривают испытания  растворных образцов.

       При производстве БТЦ сырьевые смеси готовят с повышенным по сравнению с обычным портландцементом коэффициентом насыщения кремнезема оксидом кальция (КН= 0,9...0,92), их более тонко измельчают и тщательно гомогенизируют.

     Повышенная  прочность быстротвердеющего цемента в первые сроки твердения в значительной мере обусловлена не только минеральным составом, но и тонкостью измельчения цемента. Быстротвердеющий цемент размалывают до удельной поверхности 3500—4000 см²/г (вместо 2800—3000 см,²/г для обычного портландцемента).

     По  свойствам быстротвердеющий портландцемент отличается от обычного прежде всего более интенсивным твердением в первые 3 сут. Интенсивное твердение цемента в первые сроки возможно при достаточном количестве в нем зерен клинкера тонких фракций (0-20 мкм). Суточная прочность цемента в основном зависит от содержания зерен клинкера размером менее 10 мкм, а 3-суточная - до 30 мкм. Процентное содержание указанных фракций клинкера в цементе определяет примерно ожидаемую его 1- и 3-суточную прочность. Через 3 сут твердения в нормальных условиях прочность БТЦ обычно достигает 60 - 70 % марочной. В последующие сроки твердения интенсивность нарастания прочности замедляется и через 28 сут. и более прочностные показатели быстротвердеющего цемента становятся такими же, как и у обычных высококачественных ПЦ. По ГОСТ 10178—85 предел прочности БТЦ при испытании балочек из малопластичных растворов через 3 сут должен быть при изгибе не менее 4 и 4,5, а при сжатии не менее 25 и 28 МПа соответственно для марок 400 и 500. 
 
 
 
 

Таблица 9

• Равномерность изменения объема

     Вяжущие вещества, в том числе и цементы, при твердении должны характеризоваться равномерностью изменения объема. Цементы с неравномерным изменения объема приводят не только к снижению прочности бетонов при их твердении, но даже к их разрушению.   Неравномерность изменения объема цементов может быть вызвана: гидратацией СаО_своб при содержании его в клинкере более 1,5—2%; гидратацией MgO_своб., присутствующего в клинкере в виде высокотемпературной медленно гасящейся формы - периклаза; образованием в твердеющем цементе трехсульфатной формы гидросульфоалюмината кальция при повышенном содержании в клинкере С₃А и при избыточном введении гипса в портландцемент при его помоле.

     Содержание  СаО_своб в цементе стандартом не регламентировано. При избыточном    его количестве отрицательное влияние легко определяется по   поведению цементных образцов-лепешек  (диаметр 7-8 см, толщина в середине около 1 см) при их нагревании в кипящей воде в течение 3 ч. Испытание проводится через 1 сут. после изготовления образцов. Отсутствие на лепешках радиальных, доходящих до краев трещин или сетки мелких    трещин, видимых невооруженным глазом или в лупу, а   также искривлений и увеличения объема - свидетельство равномерного изменения объема цемента. 

Вспомогательными  характеристиками цемента  являются: [3] 

• Плотность и объемная масса.

      Плотность портландцемента обычно колеблется в пределах 3,0—3,2 г/см³. Она зависит от минералогического состава клинкера и вида гидравлической добавки.

     Плотность играет, важную роль  в цементе, применяемом  для тампонирования нефтяных и газовых  скважин, возведения защитных устройств от радиоактивного излучения. Для её повышения в составе клинкера должно быть больше алюмоферритов (плотность C₄AF - 3,77, а плотность С₂S — 3,28 г/см³). Иногда для таких цементов изготовляют специальные клинкера с добавкой ВаО, который реагирует с кремнеземом, образуя 2ВаО_*SiO₂ (плотность — 5,4   г/см³),   обладающий   гидравлическими   свойствами.

     Истинная  плотность ПЦ (без минеральных добавок) колеблется в пределах 3,05-3,15 г/см^3. Плотность в рыхло насыпном состоянии 1100 кг/м³, а в уплотненном - 1600 кг/м³.

     По  сравнению с другими вяжущими материалами цемент обладает наиболее низкой водопотребностью. Нормальная густота цементного теста, определенная по ГОСТ 310.3-76, составляет 24 - 28 %, тогда как нормальная густота гипсового теста колеблется в пределах 50 - 70 %. 

• Тепловыделение.

     Гидратация  цемента сопровождается определенным тепловым эффектом, величина которого зависит от структуры, минералогического состава цемента, тонкости помола, содержания гипса, активных и инертных добавок. Установлено, что наибольшее количество теплоты выделяется при гидратации С₃А, наименьшее — при гидратации C₂S. Теплота гидратации цемента несколько отличается от теплоты гидратации клинкерных минералов. Это связано прежде всего с тем, что трехкальциевый алюминат в цементе вступает во взаимодействие с гипсом, и теплота образования эттрингита значительно выше, чем гидроалюминатов. Влияет на теплоту гидратации также степень кристаллизации.

     Примерное тепловыделение в разные сроки твердения  цемента можно подсчитать по коэффициентам, характеризующим долю участия клинкерных минералов в этом  процессе.

     Тепловыделение  повышается увеличением расхода цемента на 1 м² бетона и с повышением В/Ц у алитовых цементов. Для белитовых цементов  эта зависимость выражена не четко. Ускорители твердения увеличивают тепловыделение, а замедлители -  уменьшают его. Тепловыделение может играть как положительную, так и отрицательную роль в зависимости от конкретных условий. При бетонировании зимой оно является положительным фактором, так как способствует дальнейшему протеканию процессов твердения. При бетонировании больших массивов, особенно летом, температура может повышаться на 30 - 40 °С по сравнению с температурой при укладке, что вызывает внутренние напряжения и даже трещины.  

• Усадка  и набухание цементного камня.

     В первый период после затворения объем  цементного камня несколько уменьшается вследствие испарения воды и седиментации. Затем он набухает. В дальнейшем объемные деформации цементного камня определяются относительной влажностью среды, в которой происходит твердение. Цементный камень набухает при хранении в воде, причем линейные деформации составляют 0,1 - 0,3 мм/м. Через несколько лет набухание стабилизируется. Если же образец высушивают, то он дает усадку. Усадка обратно пропорционально зависит от влажности окружающей среды. Однако, как правило,  усадку   определяют   при   относительной  влажности 50 – 60 %.  

• Трещиностойкость.

С усадкой  цементного камня тесно связана  и с его трещиностойкость при высыхании. Появление трещин зависит не только от величины усадки, но и от других факторов: предельной растяжимости материала, модуля упругости, величины и формы изделия или образца.  Как,  правило, цементы с пониженной скоростью твердения обладают большей трещиностойкостью, хотя величина их усадки может быть значительной. Введение в цемент большого количества добавок осадочного происхождении, повышение тонкости помола, увеличение содержания А1₂О₃ и МgO в клинкере снижает его трещиностойкость. Доменные гранулированные шлаки, наоборот, увеличиваю ее. 

• Ползучесть.

     Ползучестью называется свойство цементного камня или бетона необратимо деформироваться   под влиянием  длительно действующих в них напряжений, возникающих вследствие внешних нагрузок. В первые 3 - 4 месяца происходит наиболее интенсивный рост деформаций ползучести. Затухает ползучесть через 1 - 2 года. По абсолютной величине деформации ползучести значительно больше усадочных деформаций. 

• Водонепроницаемость.

     Затвердевший  цемент обладает высокой водонепроницаемостью. Водонепроницаемость цементного камня с В/Ц =  0,4 примерно равна водонепроницаемости мрамора, хотя пористость цементного камня составляет около 50 %, а мрамора — около 2 %. При   одинаковой  степени гидратации и одинаковом В/Ц водонепроницаемость цементного камня не зависит от тонкости помола цемента. С ростом В/Ц водонепроницаемость падает. Особенно резкий спад ее наблюдается при В/Ц > 0,5.

     Высокая водонепроницаемость объясняется  тонким капиллярным строением и  заполнением пор цементным гелем. Высушивание цемента ведет к резкому уменьшению водонепроницаемости, что связано с нарушением тонкой структуры цементного камня. 

• Морозостойкость.

     Морозостойкость цементного камня - важное свойство, имеющее  первостепенное значение при использовании цементных бетонов в гидротехническом, дорожном, водохозяйственном строительстве. При замерзании вода увеличивается в объеме примерно на 9 % . Однако не вся вода, содержащаяся в цементном камне, замерзает одновременно. Сначала при температуре немного ниже 0 °С замерзает вода, находящаяся в пустотах и макропорах цементного камня, так называемая «свободная» вода. Потом замерзает вода в капиллярах, в наиболее тонких из них  при - 25 °С. Вода в гелевых порах замерзает при еще более низкой температуре. По данным некоторых исследователей, часть ее не замерзает даже при  - 78 °С.