Разновидности цементов

Цементы применяются для изготовления бетонов, растворов, строительных изделий и конструкций в разнообразных отраслях строительства. Особенности эксплуатационных требований к материалам на основе цементов обусловили необходимость разработки большой совокупности его разновидностей. Часть из них производится серийно цементной промышленностью, часть - по мере возникающей необходимости по специальным техническим условиям. С развитием технологии цемента и бетона, количество разновидностей цементов с улучшенными и специальными свойствами постоянно увеличивается.
В зависимости от состава и нормируемых свойств все виды портландцементов можно разделить на цементы общестроительного и специального назначения. Последние применяют при строительстве транспортных сооружений, гидроэлектростанций, бурении нефтяных и газовых скважин, производстве асбестоцементных изделий, для отделочных работ и др.
Для регулирования свойств цементов в необходимом направлении изменяют химико-минералогический состав цементного клинкера, подбирают вещественный состав цемента, вводя в него минеральные и органические добавки, регулируя зерновой состав и удельную поверхность.
Портландцементы общестроительного назначения. Портландцемента общестроительного назначения, изготавливаемые в России и других странах СНГ, стандартизованы в соответствии с межгосударственным стандартом ГОСТ 31108-2003. Этот стандарт гармонизирован с Европейскими нормами EH 197-1 и содержит требования к пяти наиболее широко применяемым в строительстве типам цемента:
• ЦЕМ I - портландцемент (от 0 до 5% добавок, включая вспомогательные компоненты);
• ЦЕМ II - портландцемент с минеральными добавками (от 6 до 20 % минеральных добавок или от 6 до 35% доменного или электротермофосфорного гранулированного шлака);
• ЦЕМ III - шлакопортландцемент (от 36 до 65% доменного или электротермофосфорного гранулированного шлака);
• ЦЕМ IV - пуццолановый цемент (от 21 до 35% минеральных добавок);
• ЦЕМ V - композиционный цемент (цемент с композиционной добавкой: от 11 до 30% минеральных добавок и от 11 до30% доменного или электротермофосфорного гранулированного шлака).
Общестроительные цементы выпускают классов прочности 22,5; 32,5; 42,5; 52,5. Для цементов всех классов прочности, кроме класса 22,5, введено разделение по скорости твердения на нормальнотвердеющие (H) и быстротвердеющие (Б). Цемент класса 22,5 выпускается лишь нормальнотвердеющим.
Для цементов классов 22,5Н и 32,5Н, кроме 28 суточной прочности на сжатие, нормируется прочность на сжатие в возрасте 7 сут. Для быстротвердеющих цементов всех классов установлены дополнительные нормативы по прочности на сжатие в возрасте двое суток.
Суммарное содержание трехкальциевого и двухкальциевого силикатов (C3S+C2S) в клинкере должно быть не менее 67% по массе, а массовое отношение оксида кальция (CaO) к оксиду кремния (SiO2) - не менее 2.
В качестве минеральных добавок к цементам кроме гранулированного шлака применяют активные минеральные добавки - пуццоланы, топливные золы, микрокремнезем, глиеж и обожженные сланцы, а также добавку известняка как наполнителя с содержанием CaCO3 не менее 75% и глинистых примесей не более 1%.
В качестве вспомогательных компонентов могут применяться любые минеральные добавки, не увеличивающие существенно водопотребность цемента, не снижающие долговечность бетона и не вызывающие коррозию арматуры.
В цементы всех типов могут быть введены пластифицирующие и гидрофобизирующие поверхностно-активные вещества (ПАВ) в количестве не более 0,3% от массы цемента в пересчете на сухое вещество добавки. Для интенсификации помола цемента разрешается вводить технологические добавки (каменный уголь, ПАВ), не ухудшающие качество цемента, в количестве не более 1%, в том числе органические - не более 0,15%. Ограничение предельного содержания таких добавок в цементе вызвано их, как правило, негативным влиянием на прочность при повышенных дозировках.
Содержание MgO в клинкере для всех типов цемента должно быть не более 5%. По специальному разрешению при условии обеспечения равномерности изменения объема образцов при их испытании в автоклаве содержание MgO может быть доведено до 5...6%. Нормируется также содержание в цементах SO3, вносимого, в основном, добавкой гипса. Для всех типов портландцемента минимальное содержание SO3 должно быть не менее 1%, максимальное для цементов I, II, IV и V типов классов 22,5Н, 32,5Н, 32,5Б и 42,5Н - не более 3,5%, классов 42,5Б, 52,5Н, 52,5Б а также всех классов цемента III-го типа - 4%.
Вместе с сырьем в цемент могут попадать хлористые соли. Они оказывают коррозионное действие на арматуру в бетоне, на металлическое оборудование. Содержание хлоридов в цементах допускается не более 0,1% по массе, а в цементе, используемом для изготовления предварительно напряженных железобетонных конструкций, вообще не допускается. Ограничивается в количестве не более 0,6% также содержание щелочных оксидов в пересчете на Na2O в цементе, предназначенном для изготовления массивных бетонных сооружений с использованием реакционноспособных заполнителей.
Цементы II типа дополнительно подразделяют на подтипы А и Б с содержанием шлака соответственно от 6 до 20 и от 21 до 35%.
В параллельно действующем наряду с ГОСТ 31108-2003 ГОСТ 10178-85 цементы общестроительного назначения подразделяют по вещественному составу на портландцемент (без минеральных добавок), портландцемент с добавками (с активными минеральными добавками не более 20%), шлакопортландцемент (с добавками гранулированного шлака более 20%). По прочности на сжатие портландцемент и портландцемент с добавками подразделяют на марки 400, 500, 550 и 600. Марка в отличие от класса характеризует среднюю прочность стандартных образцов цемента на сжатие в 28 суточном возрасте, поэтому численные показатели марок выше, чем соответствующих классов.
Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ)по ГОСТ 10178-85 изготавливают марок 400 и 500. Для него наряду с 28-суточной нормируется 3-х суточная прочность (в отличие от ГОСТ 31108-2003 по которому нормируется 2-суточная прочность при сжатии).
При испытании по ГОСТ 310-81 3-х суточная прочность для быстротвердеющих цементов должна быть не менее 50...55% 28-суточной.
К высокопрочным (ВПЦ) относят цементы с активностью в 28-суточном возрасте 55-60 МПа и более.
Первые опытные партии быстротвердеющего цемента были разработаны под руководством В.Н. Юнга и С.М. Рояка и выпущены в 30-х годах прошлого столетия. Промышленное производство быстротвердеющего цемента было организовано в 1955 г. Эффективность применения быстротвердеющих и высокопрочных цементов в строительстве и строительной индустрии обусловлена возможностью уменьшения материалоемкости железобетонных изделий и конструкций, сокращения технологического цикла их изготовления, монтажа и установки под рабочую нагрузку и, наконец, повышения несущей способности и надежности конструкций, зданий и сооружений.
Важнейшим следствием применения БТЦ и ВПЦ является сокращение цикла тепловой обработки и температуры пропаривания, а в ряде случаев и переход на беспропарочную технологию изготовления изделий. На основе высокопрочных цементов возможно изготовление высокопрочных бетонов, позволяющих уменьшить массу конструкций и расход арматуры, перейти на большепролетные тонкостенные конструкции.
К настоящему времени разработано четыре основных направлений получения БТЦ и ВПЦ:
1. Последовательная оптимизация всех переделов производства цемента при строгой регламентации технологических парам.
2. Модифицирование состава клинкерных минералов, их легирование путем введения в сырьевую смесь специальных добавок.
3. Введение в цемент специальных кристаллизационных затравок.
4. Синтез смешанных цементов, каждый из компонентов которых упрочняет элементы структуры гидратационного твердения остальных компонентов.
Для получения БТЦ и ВПЦ в соответствии с первым направлением большое значение имеют тонкий помол и высокая гомогенность сырьевой смеси, сильный и равномерный обжиг клинкера, правильный подбор вида и зольности топлива, резкое охлаждение клинкера. Важное значение для активности клинкера имеет также его микрокристаллическая структура. Цемент лучшего качества получается преимущественно при отчетливой правильной кристаллизации алита, характерной для т.н. монадобластической структуры, формирующейся при оптимальных условиях обжига.
Быстротвердеющие и высокопрочные портландцементы характеризуются высоким содержанием частиц крупностью до 30 мкм. при этом для достижения высокой ранней прочности необходимо преобладание частиц цемента (рис. 10.33)

К настоящему времени в ряде стран разработаны сверхбыстротвердеющие цементы позволяющие уже через 2-6 ч после затворения достигать прочность при сжатии 5-20 МПа а в 28 сут. - 70-80 МПа и более.
К таким цементам можно отнести фторсодержащий портландцемент. Перспективным способом получения сверхбыстротвердеющих цементов является также введение в состав сырьевых смесей сульфатов кальция в количестве около 10%. Образующиеся при обжиге сульфоалюминаты кальция придают цементу способность к быстрому твердению, высокую гидравлическую активность. Сырьевым компонентом для производства клинкера такого цемента могут быть фосфогипс и другие промышленные отходы.
Пластифицированный и гидрофобный цементы получают при введении в процессе помола цемента добавок соответственно гидрофилизующих и гидрофобизующих ПВА. Гидрофилизующие ПАВ поглощаются на поверхности зерен цемента и образуют гидрофильные пленки, способствующие лучшему смачиванию частиц водой, уменьшению их сцепления и повышению пластичности цементного теста. Из гидрофилизующих ПАВ широко применяют технические лигносульфонаты (ЛCT) обычно в количестве 0,15-0,35% массы цемента (рис. 10.34).
Гидрофилизующие ПАВ поглощаются на поверхности зерен цемента и образуют гидрофильные пленки, способствующие лучшему смачиванию частиц водой, уменьшению их сцепления и повышению пластичности цементного теста.

Раствор из смеси пластифицированного портландцемента с нормальным песком состава 1:3 (по массе) при водоцементном отношении равном 0,4, после 30 встряхиваний на встряхивающем столике имеет расплыв конуса не менее 135 мм. Для непластифицированного портландцемента этот показатель 106-115 мм.
Применение пластифицированного портландцемента позволяет без увеличения расхода воды получить бетонную смесь большей подвижности и облегчить ее укладку или при неизменной подвижности и водоцементном отношении снизить на 8-12% расход цемента. При сохранении установленного расхода цемента и необходимой подвижности уменьшается водоцементное отношение бетонной смеси, что приводит к повышению прочности, морозостойкости и водонепроницаемости бетона.
У пластифицированого портландцемента нарастание прочности в начальный период твердения оказывается несколько замедленным, хотя к 28 суточном возрасте отставание прочности обычно не наблюдается. Для достижения максимально возможной прочности важное значение имеет выбор оптимального содержания пластифицирующей добавки.
Гидрофобный портландцемент предложен М.И. Хигеровичем и Б.Г. Скрамтаевым. Его получают при введении в цемент в процессе измельчения таких гидрофобизующих добавок как асидол, мылонафт, олеиновая кислота, кубовые остатки синтетических жирных кислот и пр. Технологический эффект при гидрофобизации цемента зависит от содержания ПАВ (рис. 10.35).

Гидрофобизующие добавки образуют на зернах цемента тончайшие адсорбционные слои - водонесмачиваемые оболочки, имеющие сетчатое строение. Капля воды на поверхности гидрофобного цемента не должна впитываться в течение 5 мин.
Гидрофобность портландцемента обусловливает его главное преимущество - высокую сохранность. Гидрофобные цементы не снижают активности в течение 1-2 лет даже в неблагоприятных условиях, в то время как обычные цементы уже через 3-6 мес. теряют до 30% и более начальной прочности. При затворении и перемешивании с водой этих цементов гидрофобные оболочки разрушаются, что обеспечивает нормальное течение процессов гидратации и твердения.
К цементу III типа относится шлакопортландцемент - продукт совместного тонкого измельчения клинкера, требуемого количества гипса и доменного (или электротермофосфорного) гранулированного шлака. По ГОСТ 31108-2003 содержание шлака может колебаться в шлакопортландцементе в пределах 36-65% (ЦЕМ III/А), по ГОСТ 10178-85 -21-80 %.
Шлакопортландцемент является одним из наиболее эффективных видов вяжущих, так как при его производстве значительная часть клинкера заменяется более дешевым гранулированным шлаком. При использовании доменных шлаков для производства ШПЦ топливно-энергетические затраты на единицу продукции снижаются в 1,5-2 раза, а себестоимость - на 25-30%.
ШПЦ с содержанием шлака 25-40% обычно применяют в тех же условиях, что и обычный портландцемент. Цементы, содержащие 40...80% шлака, используются как низкотермичные в массивных гидросооружениях и в сооружениях, подвергающихся действию агрессивных вод, а также для изготовления изделий при тепловлажностной обработке.
Установлено, что на строительно-технические свойства ШПЦ и бетонов на его основе основные шлаки влияют благоприятнее, чем кислые.
Росту прочности ШПЦ содействует также применение клинкера с повышенным содержанием наиболее активных минералов (C3S+C3A=65-75%). При этом для кислых шлаков желательно применять алитовые среднеалюминатные клинкеры (C3S=60-70%; C3A < 8%).
Технологическая схема производства ШПЦ (рис. 10.36) предусматривает сушку гранулированного шлака до остаточной влажности 1-2% и совместное измельчение его с клинкером.
Цементная промышленность выпускает обычный, быстротвердеющий и сульфатостойкий шлакопортландцементы.
При производстве сульфатостойкого шлакопортландцемента используют клинкер с содержанием C3A не более 8% и шлак с содержанием Al2O3 не более 8%.
Для получения быстротвердеющего шлакопортландцемента рационален двухстадийный помол, т.е. предварительное измельчение клинкера с последующим совместным помолом клинкера и шлака до удельной поверхности не менее 4000 см2/г.
Строительно-технические свойства ШПЦ характеризуются рядом особенностей по сравнению с портландцементом: более низкой плотностью (2,8-3 г/см3); несколько замедленным схватыванием и нарастанием прочности в начальные сроки твердения. Особенностью шлакопортландцемента, важной для заводского производства сборного железобетона, является интенсивный рост его прочности при пропаривании, особенно в области высоких температур. Наиболее интенсивно растет прочность при изгибе. Одновременно повышаются морозо-, соле- и трещиностойкость.
Пониженное содержание в ШПЦ свободного гидроксида кальция объясняет его более высокую стойкость против агрессивного воздействия мягких и сульфатных вод, а также к повышенным температурам. Морозостойкость ШПЦ несколько ниже морозостойкости портландцемента; она уменьшается с увеличением содержания шлака.

Шлакопортландцемент можно эффективно применять для бетонных и железобетонных конструкций наземных, подземных и подводных сооружений.
Пуццолановые цементы (цементы IV типа)получают путем совместного тонкого измельчения портландцементного клинкера, необходимого количества гипса и активных минеральных добавок (кроме доменного или электрофосфорного гранулированных шлаков). Допустимое содержание активных минеральных добавок в пуццолановом цементе (цемент IV типа) в соответствии с ГОСТ 31108-2003 составляет 21-35%.
В композиционный цемент (цемент V типа) вводят при совместном измельчении клинкера добавку, состоящую из двух компонентов, один из которых является пуццоланой или близкой к ней добавкой (зола-унос, глиеж или микрокремнезем), а другой - доменным или электрофосфорным гранулированным шлаком. Каждый из компонентов минеральных добавок в композиционный цемент вводят в пределах 11-30%.
Вещественный состав пуццоланового и композиционного цементов приведены в табл. 10.7.

Технология производства пуццолановых и композиционных цементов идентична технологии других видов портландцемента и отличается лишь подготовкой активных минеральных добавок - их дроблением и сушкой. Твердение этих видов цемента происходит в результате процессов гидратации и гидролиза клинкерных фаз и химического взаимодействия гидратных новообразований с активными компонентами добавок.
Повышенное содержание минеральных добавок в цементах приводит к уменьшению их плотности до 2,7-2,9 г/см3 и большему объему цементного теста в бетонах и растворах при постоянном расходе цемента. Возрастает по мере роста содержания добавок до 30-35% нормальная густота цементов, особенно содержащих влагоемкие материалы осадочного происхождения (диатомит, трепел, опока и др.). Повышенная водопотребность цементов, в свою очередь, обусловливает повышение водопотребности бетонных и растворных смесей и, как следствие, ухудшение ряда строительно-технических свойств бетона.
Высокая непроницаемость и отсутствие или низкое содержание в затвердевшем цементном камне гидроксида кальция объясняют большую стойкость бетонов и растворов на пуццолановых и композиционных цементах, чем на обычных в мягких и минерализованных водах. Основными, кроме повышенной водопотребности, недостатками пуццолановых и близких к ним композиционных цементов являются замедленное нарастание прочности, особенно в первые сроки твердения, пониженная воздухостойкость характерная для цементов с добавками осадочного происхождения, повышенные деформации усадки и набухания, низкая морозостойкость.
Пуццолановые и композиционные цементы имеют пониженное тепловыделение, что позволяет их использовать преимущественно для внутренних и подводных частей массивных гидротехнических сооружений.
Развитие теоретических представлений о цементах с минеральными добавками и добавками ПАВ, создание эффективных суперпластификаторов цементных систем, позволили разработать смешанные вяжущие нового поколения, характеризуемые низкой водопотребностью и высокой прочностью при сравнительно низком массовом соотношении клинкерной составляющей и минеральных добавок.
Вяжущие низкой водопотребности (BHB) получают совместным тонким помолом клинкера или готового портландцемента, активных или инертных минеральных добавок в присутствии порошкообразного суперпластификатора. Отличительными особенностями BHB являются высокая дисперсность (Sуд=4000-5000см2/г), низкая водопотребность (нормальная густота до 18%), высокая активность (до 100 МПа).
Цементы специального назначения. Для получения бетонов и растворов, стойких при повышенной концентрации сульфатов в водной среде предназначены сульфатостойкие цементы. Сульфатная коррозия имеет место в результате образования в затвердевшем цементном камне высокосульфатной формы гидросульфоалюмината кальция (эттрингита), кристаллизующегося при значительном увеличении объема. Предотвратить образование эттрингита возможно при уменьшении концентрации гидроксида кальция, образующегося при твердении, в основном, в результате гидролиза трехкальциевого силиката. Разработанные способы получения сульфатостойких цементов направлены на снижение содержания в клинкере C3A и C3S или введение при умеренном содержиний этих минералов активных минеральных добавок, связывающих Ca(OH)2.
В соответствии с ГОСТ 22266-94 в группу сульфатостойких цементов, выпускаемых цементной промышленностью, входят сульфатостойкие портландцемент и портландцемент с минеральными добавками, сульфатостойкий шлакопортландцемент и пуццолановый портландцемент. Нормированные требования к сульфатостойким цементам приведены в табл. 10.8.
В сульфатостойкие цементы допускается введение пластифицирующих и гидрофобизирующих ПАВ в количестве не более 0,3% от массы цемента в пересчете на сухое вещество добавки. Добавки ПАВ способствуют повышению сульфатостойкости бетонов и растворов в результате увеличения их плотности и уменьшения капиллярного всасывания.
Сульфатостойкие портландцемент и портландцемент с минеральными добавками могут быть использованы для бетонных и железобетонных конструкций, которые наряду с действием сульфатных вод подвергаются систематическому замораживанию и оттаиванию, увлажнению и высушиванию. Сульфатостойкие шлакопортландцемент и пуццолановый портландцемент применяются преимущественно для бетонов, эксплуатируемых в подземных и подводных сооружениях.

Для возведения массивных бетонных сооружений при возведении плотин и других крупных гидротехнических сооружений применяют цементы с нормируемой экзотермией. К низкотермичным относят цементы с величиной тепловыделения в 3-суточном возрасте не более 230 Дж/г, в 7-суточном - не более 270 Дж/г при испытании термосным методом. Умереннотермичными считают цементы с величиной тепловыделения в 7-суточном возрасте не более 315 Дж/г.
В зависимости от зонального расположения бетона в сооружениях применяют цементы, в которых снижение экзотермии достигается ограничением содержания наиболее активных минералов (C3A и C3S) или введением достаточного количества шлака, золы-унос и других активных минеральных добавок.
Для цементирования нефтяных и газовых скважин предназначены тампонажные цементы. В скважины для подъема на поверхность нефти или газа опускают колонну стальных труб. Зазор между стенками скважины и трубами заполняется цементным раствором (рис. 10.37) с целью предотвращения возможных обвалов и разрушений, закрепления труб и предотвращения коррозии их под воздействием минерализованных вод. Кроме того, цементирование позволяет отделить продуктивные пласты от водоносных и предотвратить прорыв добываемого продукта в затрубное пространство. Тампонажный цементный раствор должен оставаться подвижным определенное время, пока идет цементирование. В зависимости от температуры скважины дифференцируются сроки схватывания цемента.
Тампонажные цементы должны характеризоваться необходимой прочностью в начальные сроки твердения. Прочность затвердевшего цементного раствора должна обеспечить закрепление колонны в стволе скважины, необходимую ее устойчивость при разбуривании и перфорации, эффективную изоляцию от проницаемых пород.
Цементный камень должен быть стоек по отношению к агрессивным пластовым водам на глубоких горизонтах и водонепроницаемым, чтобы защитить продуктивные нефтяные пласты от пластовых вод и обсадную колонну от проникновения корродирующих жидкостей, содержащих большое количество различных солей, а зачастую и сероводород.

В зависимости от назначения изготавливают тампонажные цементы для работы в условиях низких и нормальных, умеренных и повышенных температур. По сульфатостойкости тампонажные цементы подразделяют на обычные, умеренной и высокой сульфатостойкости. Для цементов этого вида важно обеспечить высокую текучесть при минимальном водосодержании. Растекаемость цементного теста с 50% воды должна составлять не менее 180 мм. Начало схватывания тампонажных цементов должно наступать не раньше их закачивания в скважину. Тампонажные цементы для «холодных» скважин изготавливают из клинкера, содержащего C3S+ С3А≥60%, помолом его до удельной поверхности 2700-3500 см2/г при дозировке гипса 3-3,5%.
Для «горячих» скважин выпускаются цементы, содержащие 3-4% C3A. При таком низком содержании трехкальциевого алюмината можно обеспечить необходимые сроки схватывания цемента при повышенных температурах.
С целью обеспечения необходимой седиментационной устойчивости и предотвращения расслоения растворов в цементы вводят минеральные добавки с большой удельной поверхностью (бентониты, диатомиты и др.). При повышенных температурах с целью предотвращения преждевременного загустевания растворов применяют менее активные добавки, например, опоки.
Для тампонажных растворов важнейшее значение имеют плотность и водонепроницаемость, сохраняемые в агрессивных минерализованных водах. Они достигаются применением цементов из высокоалитового, алюмоферритного клинкера, введением доменных гранулированных шлаков и применением добавок ПАВ, позволяющих наряду с уменьшением водосодержания обеспечить преобладание в цементном камне преимущественно закрытых пор.
При омоноличивании сборных железобетонных элементов, восстановлении железобетонных конструкций, гидроизоляции подземных сооружений, устройстве покрытий полов, возведении емкостей для хранения нефти и газа и др. возникает необходимость применения расширяющихся цементов.
В зависимости от величины энергии расширения различают безусадочные, расширяющиеся и напрягающие цементы. По классификации Г. Лосье расширяющиеся цементы подразделяют на виды в зависимости от показателя свободного расширения образцов из теста при хранении их в воде:

К расширяющимся цементам, предназначенным для получения преднапряженных конструкций, в которых предварительное напряжение в арматуре создается в результате расширения цементного камня, относятся напрягающие цементы (НЦ).
Напрягающие цементы классифицируют в зависимости от достигаемого самонапряжения на цементы с малой (НЦ-20), средней (НЦ-40) и высокой (НЦ-60) энергией расширения. Соответственно величина самонапряжения, достигаемая данными цементами, должна быть не менее 2, 4 и 6 МПа.
К настоящему времени разработаны десятки видов расширяющихся цементов, получаемых на основе портландцемента, глиноземистого цемента и их композиций. В состав таких цементов входят расширяющиеся компоненты и некоторые добавки. В большинстве цементов расширение вызывается образованием гидросульфоалюминатов кальция, гидратацией оксидов кальция и магния, реакцией образования активной газовой фазы.
Один из первых расширяющихся цементов был предложен Г. Лосье в 1944 г. Способ его получения заключается в совместном помоле портландцементного клинкера, расширяющегося компонента и гранулированного доменного шлака. Расширяющимся компонентом служит продукт обжига шихты, составленной из 50% гипса, 25% карбоната кальция и 25% боксита.
В 1942 гэ В.В. Михайлов предложил слаборасширяющееся вяжущее, получаемое смешиванием портландцемента (не менее 85%), молотого высокоосновного гидроалюмината кальция и гипса (не более 10%). Высокоосновный гидроалюминат кальция (3СаО*Аl2О3*13Н2О) получается при гидратации глиноземистого цемента и извести, взятых в соотношении 1:0,5 по массе.
И.В. Кравченко в 1954г был предложен расширяющийся портландцемент (РПЦ), имеющий следующий состав, %: портландцемент - 60-65; глиноземистый цемент (или высокоглиноземистый шлак) - 5-7; двуводный гипс - 7-10, активная минеральная добавка осадочного происхождения - 20-25.
О.П. Мчедлов-Петросян и В.И. Бабушкин разработали ряд расширяющихся составов на основе портландцемента. В качестве компонента, обеспечивающего расширение, была взята добавка сернокислого алюминия, который в твердеющем цементе обеспечивает получение эттрингита. Для обеспечения согласования во времени процессов структурообразования с процессами образования эттрингита были использованы добавки нитрата кальция и ЛCT, а в качестве компенсатора внутренних напряжений - добавка алюминиевого порошка.
Цементы с удельной поверхностью 3000-4500 см2/г при соотношении портландцемента, глиноземистого цемента и гипса в пределах 70:16:14-64:20:16 с возможной добавкой извести до 5% обеспечивают расширение бетона достаточное для натяжения стальной арматуры при достижении прочности бетоном около 15 МПа.
Область рекомендованных составов цементного клинкера и соответствующие им значения самонапряжения приведены на треугольной диаграмме (рис. 10.38).

Зависимость величины расширения и самонапряжения НЦ от содержания глиноземистого компонента имеет экстремальный характер (рис. 10.39).
Величина расширения цементного камня резко уменьшается при увеличении соотношения Al2O3/SO3 (рис. 10.40).
Энергия расширения НЦ позволяет обеспечить двух- и трехосное натяжение арматуры, трудно осуществимое механическим способом.

В группу декоративных входят белый и цветные цементы. Белый цемент является продуктом тонкого измельчения белого клинкера с необходимым количеством гипса. Белый цвет клинкера обеспечивается за счет сведения к минимуму содержания красящих оксидов, в первую очередь оксидов железа и марганца. В лучших образцах белого портландцемента содержится не более 0,25-0,35% Fe2O3 и 0,005-0,0015% MnO.
Для получения белого портландцементного клинкера используют сырьевые материалы с минимальным содержанием красящих оксидов. Вращающиеся печи для обжига белого клинкера футеруются огнеупорами, не содержащими окрашивающих соединений. Для повышения белизны цемента клинкер подвергает отбеливанию (хлорирование, обжиг в восстановительной среде, быстрое охлаждение и др.) (рис. 10.41, 10.42).
Цветные портландцементы получают совместным тонким измельчением белого или цветного цементного клинкера, активной минеральной добавки и гипса. При применении белого клинкера для получения цветных цементов используют добавки пигментов.

П.П. Боженовым и Л.И. Холоповой разработан способ синтетического окрашивания цемента путем добавления в сырьевую шихту малых количеств соединений металлов, придающих определенный цвет клинкеру в процессе его обжига. Tакие цементы названы клинкерными в отличие от цементов с добавкой пигментов.
При окрашивании цементного клинкера могут быть использованы два приема:
1. образование в клинкере самостоятельных цветных составляющих подобно алюмоферритам кальция;
2. окрашивание клинкерных фаз за счет введения малых количеств красителя в пределах их растворимости главными минералами клинкера - трех- и двухкальциевым силикатами.
Глиноземистые цементы и вяжущие на их основе. Глиноземистые цементы - быстротвердеющие гидравлические вяжущие вещества, включающие преимущественно низкоосновные алюминаты кальция и получаемые тонким измельчением продуктов плавления или спекания сырьевой смеси, состоящей из бокситов и известняков или извести. По содержанию Al2O3 глиноземистые цементы подразделяются на виды: глиноземистый (ГЦ) и высокоглиноземистые I, II и III видов (ВГЦI, ВГЦII и ВГЦIII). Содержание Al2O3 в этих цементах должно быть не менее соответственно 35; 60; 70 и 80%.
Характерные свойства глиноземистых цементов обусловлены, в основном, присутствием в их составе минерала - моноалюмината кальция CaO*Al2O3(CA). Производство клинкера глиноземистых цементов может осуществляться плавлением в доменных или электрических, а также спеканием шихты во вращающихся печах. Распространение получил метод плавления. Тонкость помола глиноземистых цементов должна обеспечивать остаток на сите № 008 не более 10%.
Глиноземистые цементы - быстротвердеющие вяжущие, достигающие высокой прочности в первые сроки твердения. Марки их устанавливаются через 3 сут. твердения образцов в нормальных условиях.
По прочности на сжатие в возрасте 3 сут. цементы подразделяют на марки: для глиноземистого цемента - ГЦ-40, 50 и 60, высокоглиноземистых - ВГЦ I -35, ВГЦ II - 25-35, ВГЦ III - 25. Нормируемые значения предела прочности при сжатии для указанных цементов марок приведены в табл. 10.9.

Резко негативно влияет на рост прочности глиноземистых цементов присутствие в воде затворения хлоридов, а также затворение бетонной смеси морской водой. Глиноземистый цемент более чувствительный, чем портландцемент к содержанию в заполнителях пылеватых частиц.
Бетоны на глиноземистом цементе не подвергают пропариванию и автоклавной обработке. Недопустимо смешивание портландцемента и глиноземистого цемента, вызывающее резкое сокращение сроков схватывания смесей и снижение прочности, что объясняется содержанием в портландцементе гипса и выделением Ca(OH)2 при затворении его водой.
После 3-суточного возраста твердение глиноземистых цементов замедляется (рис. 10.42). Через 7 сут. прочность составляет примерно 120% 3-суточной, 28 сут. - 140% и 2 мес. -160%.

Глиноземистый цемент устойчивее портландцемента по отношению к сульфатам и ряду других агрессивных сред. Бетоны на глиноземистом цементе могут эксплуатироваться при температуре до 1300°С, а с заполнителями из корунда и плавленого оксида алюминия до 1600°С и выше. Наиболее высокая огнеупорность достигается при применении высокоглиноземистых цементов.
Целесообразность применения глиноземистого цемента возникает при аварийных и восстановительных работах, срочном ремонте специальных сооружений, ответственных железобетонных конструкций, промышленных сооружений и мостов. Его применяют при возведении подземных сооружений, скоростном тампонировании нефтяных и газовых скважин. Он эффективен в сооружениях, работающих в сульфатных, морских и других агрессивных средах. Применяется этот вид цемента также при зимнем бетонировании, для торкретирования.
На основе глиноземистого и высокоглиноземистого цементов изготавливают огнеупорные бетоны, по своим качественным показателям, относящимся к лучшим видам огнеупорных материалов.
Важной областью применения глиноземистого цемента является изготовление на его основе композиционных расширяющихся вяжущих. Из вяжущих этого типа получили распространение водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) и гипсоглиноземистый цемент.
ВРЦ получают совместным помолом или тщательным смешиванием глиноземистого цемента, строительного или высокопрочного гипса и высокоосновного гидроалюмината кальция. Этот вид расширяющихся цементов разработан В.В. Михайловым в 1935-1941 гг. Оптимальный состав ВРЦ: глиноземистый цемент - 70-76%, по-луводный гипс - 20-22%, высокоосновный гидроалюминат кальция - 10-11%. Высокоосновный гидроалюминат имеет состав 4СаОА12О3*13Н2O. Его получают путем автоклавной обработки при температуре 120-150°С смеси глиноземистого цемента с известью-пушонкой состава 1:1 по массе, затворенной 30% воды.
Линейное расширение, твердеющих образцов из цементного теста нормальной густоты на основе ВРЦ должно составлять при воздушном хранении в возрасте 1 сут. не менее 0,05%, в 28 сут. - не менее 0,02%. При погружении в воду через час после затворения в возрасте 1 сут. расширение составляет не менее 0,2% и не более 1%.

Образцы ВРЦ из теста нормальной густоты или раствора состава 1:2 через 1 сут. после изготовления должны выдерживать давление воды до 0,6 МПа без признаков фильтрации.
Через 6 ч ВРЦ набирает до 25% 28-суточной прочности, 1 сут. - 50%, 3 сут. - 80% и 7 сут. - 90%. В 28 сут. прочность этого цемента составляет около 50 МПа.
Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент (ГГРЦ) - высокопрочное быстротвердеющее гидравлическое вяжущее, получаемое при совместном помоле глиноземистого клинкера с природным двуводным гипсом. Содержание гипса в ГГРЦ рекомендуется в пределах 30%. При затворении этого цемента водой в результате взаимодействия гидроалюминатов с гипсом, образуются гидросульфоалюминат кальция, вызывающий расширение твердеющего цементного камня.
Величина линейного расширения ГГРЦ при комбинированном водно-воздушном твердении через 1 сут. - не менее 0,15%, 3 сут. - 0,10%, при погружении в воду через 1 ч после конца схватывания в 1-суточном возрасте - не менее 0,15%, 3-суточном - не менее 0,1% и не более 0,6%.
Через сутки после изготовления цементный раствор состава 1:2 (цемент:песок) с В/Ц = 0,3 становится водонепроницаемым при рабочем давлении 1 МПа.
Предел прочности при сжатии ГГРЦ через 3 сут. твердения -не менее 28 МПа. Он составляет примерно 60-70% прочности исходного глиноземистого цемента. ГГРЦ значительно более устойчив при длительном воздействии повышенных температур, чем глиноземистый цемент при всех режимах твердения.