Портландцемент – что это, виды, лучшие марки, когда и как используют

Строительный материал, получаемый путем помола карбонатных горных пород с силикатными добавками, называют портландцементом. При смешивании с водой и песком вяжущий порошок образует тестообразную субстанцию, прочность которой по мере испарения воды многократно усиливается. Бетон, получаемый на его основе, обладает высокими эксплуатационными характеристиками.

Справка: что это?

Портландцемент представляет собой вяжущее гидравлическое вещество, отличающееся универсальностью и широкой сферой применения. Этот вид цемента на 70-80% состоит из клинкера (продукт, получаемый из сырьевой смеси известняка и глины) путем равномерного обжига до степени спекания.

Вторая по важности составляющая портландцемента – гипс (дигидратат сульфата кальция), управляющий скоростью схватывания и отвердевания цементной массы. В смеси также присутствуют корректирующие  добавки (бокситы, опоки, трепелы, пески, пиритные огарки). Их процентным составом определяются свойства, виды и марки портландцемента.

Автор технологии получения портландцемента – каменщик-изобретатель из города Лидс (Великобритания) Джозеф Аспдин. Итогом его опытов по получению вяжущего вещества путем измельчения и обжига смеси извести с глиной стало получение качественного цементирующего материала с прекрасными вяжущими характеристиками.

В октябре 1824 года автор запатентовал новый строительный материал, дав ему название «portland cement», поскольку по внешнему виду он походил на естественную породу, добывавшуюся в известняковых каменоломнях острова Портленд (пролив Ла-Манш). Параллельно с этим (1817 г), русский военный техник Е.Г. Челиев разработал рецепт изготовления универсального вяжущего средства путем обжига смеси извести с глиной с доведением до спекания. Способ изготовления вяжущего, предложенный Челиевым, принципиально не отличается от технологии изготовления портландцемента, применяемой в современном строительстве.

Производство портландцемента

Производство портландцемента начинается с приготовления клинкера. Для этого сырьевую смесь (известняк, мел, кремнозем, глинозем) тонко измельчают до однородного состояния и обжигают при температуре 1450-1470°С (время обжига составляет 2-4 часа) в специализированных печах.

При нагревании смеси компонентов сырья – известняков и глины до высоких температур происходит их частичное плавление и агрегация, что приводит к образованию гранул клинкера. Так заканчивается промежуточный этап производства портландцемента.

После повторного измельчения клинкер смешивают с качественным гипсом. На этом этапе в смесь добавляют различные присадки, улучшающие эксплуатационные характеристики готового продукта. Различают несколько методов производства портландцемента: мокрый, полусухой, сухой, смешанный.

Главное их отличие заключается в методах обжига и способе смешивания сырьевых материалов (в виде водных растворов или сухих смесей).

• Мокрый способ

Глинистый компонент предварительно замачивают. После того, как влажность сырья увеличится до 70%, ее смешивают с известняком и отправляют в печь. Полученные в результате обжига минеральные гранулы, снова перемалывают, затем смешивают с гипсом.

Данный способ позволяет экономить электроэнергию, отличается более совершенным процессом смешивания и транспортировки сырья. Получаемый цемент имеет отличное качество.

• Полусухой способ

Для приготовления клинкера используют известь и глину, которые тонко измельчают и высушивают. После смешивания клинкер оптимизируют внесением добавок, гранулируют и отправляют на обжиг. При данном методе (в отличие от сухого) производят более тонкое измельчение сырья.

• Сухой способ

Считается самым экономным. На всех этапах производства используют исключительно сухое сырье, влажность которого не превышает 1%. Существует ряд технологий приготовления клинкера сухим методом (в зависимости от свойств сырья).

Наиболее популярен метод сушки во вращающихся печах и перемалывания в дробильных аппаратах. После завершения обжига, сырье помещают в холодильник, затем следует этап тонкого перемалывания и фасовки на складах.

• Комбинированный способ

При таком способе производства портландцемента часть работ производят по схеме мокрого способа, а другую часть – по методу сухого. Технология предусматривает сухую подготовку сырья, последующее его увлажнение до 14%, измельчение в мельницах и сушку в специальных вращающихся печах.

ВАЖНО! Правильный подбор сырьевых компонентов и соблюдение технологического процесса производства обеспечивает получение качественного готового продукта с высокими эксплуатационными характеристиками.

Состав портландцемента

Основной ингредиент портландцемента – клинкерная крошка. Ее получают на первом этапе технологического процесса, смешивая в определенных пропорциях минеральные составляющие. Различают четыре основные фазы клинкера.

• Алит – фаза, составляющая основу цементного клинкера. Это трехкальциевый, силикат (50-70% общего объема). За счет наличия в решетке инородных ионов Mg2⁺, Al3⁺ и Fe3⁺ состав и структура модифицированы. Алит отличается быстрым реагированием с водой, что выражается быстрым нарастанием прочности в первые 28 суток после заливки.
• Белит – двукальциевый силикат (15-30% общего объема). Наличие в структуре инородных ионов обеспечивает модификацию элемента. Он менее активно реагирует с водой и мало влияет на прочность раствора в течение первых 28 суток после заливки. Но затем, степень влияния на прочность становится выше.
• Алюминатная фаза – это трехкальциевый алюминат (5-10% общего объема). Состав и структура модифицированы за счет наличия инородных ионов. При контакте с водой быстро реагирует с ней, обеспечивая быстрое схватывание раствора.
• Алюмоферритная фаза – четырехкальциевый алюмоферрит (5-15% общего объема). Вначале быстро реагирует с водой, затем скорость реакции снижается.
• В клинкере содержатся в небольших объемах щелочные сульфаты и оксид кальция.

Готовый клинкер смешивают с гипсом (содержание гипса в смеси составляет 5%). Цель данной добавки – контролировать процесс схватывания и отвердения при контакте смеси с водой. Присутствие гипса обеспечивает подвижность раствора в течение 45 минут после затворения.

Свойства

Основные свойства портландцемента (плотность, скорость схватывания, тонкость помола, водопотребность, водоотделение, равномерность изменения объема, прочность, тепловыделение, морозостойкость) – это критерии, определяющие качество исходного материала и его эксплуатационные характеристики.

• Плотность

Важнейшая характеристика, определяемая как отношение массы к объему. Насыпная плотность – определяется удельным весом с учетом воздуха находящегося между частицами. Истинная плотность – это плотность вещества в состоянии монолита.

• Схватывание

Первый этап процесса гидратации, период набора прочности бетонной смеси, который начинается спустя короткое время после заливки.

• Тонкость помола

Характеристика дисперсности зернистых масс, в частности, вяжущих материалов. Представляет собой количество зерен и их суммарную поверхность в единице массы зернистого вещества.

• Равномерность изменения объема в период схватывания

Характеристика, определяющая качество цемента. Неравномерное схватывание характерно для порошка с превышенным процентным составом извести или оксидов магния. Качество раствора определяют по состоянию поверхности лепешек из цементного теста. После затвердения они не должны иметь трещин или морщин.

• Водопотребность или водоцементное отношение

Это количество влаги, необходимое для изготовления цементного теста определенных пластичных свойств. Для большинства марок соотношение количества воды к цементу соответствует 25%. Для понижения показателя в состав цемента вводят пластификаторы.

• Водоотделение

Процесс водоотделения наблюдают на поверхности бетонного изделия или между слоями раствора,  в процессе твердения цементного теста. Оно происходит за счет опускания твердых частиц основного материала и наполнителей под действием собственной силы тяжести. Данный процесс снижает показатели прочности, поэтому для замедления процесса водоотделения в сухую смесь вводят минеральные добавки.

• Морозостойкость

Показатель, применяемый к отвердевшей поверхности цементно-песчаного слоя. Он обозначает способность переносить определенное количество замерзаний и последующих оттаиваний с сохранением основных рабочих характеристик бетона. Улучшить данную характеристику можно добавлением в раствор абиетата натрия (органической натриевой соли абиетиновой кислоты).

• Коррозийная стойкость

Определяется увеличением хрупкости бетона под воздействием различных агрессивных сред. Показатель имеет химическую и физическую составляющие. Химическая – определятся минеральным составом и способностью компонентов смеси выдерживать воздействие химически активных элементов.

Физическая – представляет собой стойкость к воздействию природных сил. Ее можно улучшить, снизив пористость готового монолита, добавив модификатор на стадии приготовления раствора.

• Тепловыделение

Способность цемента выделять тепло в процессе гидратации. Портландцемент, характеризующийся большими величинами тепловыделения, считается некачественным. При высоком выделении тепла раствор показывает быстрое схватывание, но скоро теряет прочностные качества. Для регулирования показателя тепловыделения служат специальные химически активные добавки и присадки.

Характеристики

Все параметры портландцемента имеют значение для успешного проведения строительных работ. В качественных составах, создаваемых в соответствии с ГОСТами, они тщательно соблюдены. Данные виды вяжущего материала можно смело использовать для решения широкого круга строительных задач.

Технические

Технические параметры портландцемента представляют собой совокупность функциональных свойств, определяющих возможность эксплуатации в соответствии с целевым назначением:

• Средний удельный вес (отношение веса к объему) для обычных смесей составляет 1100 кг/м³. Для уплотненных материалов эта величина составляет 1600 кг/м³.
• Тонкость помола для портландцемента обычных марок составляет 2500-3000 см²/г, для быстротвердеющих — 4000-6000 см²/г. Данная величина является определяющей для скорости твердения и другие качественных характеристик.
• Водопотребность или количество жидкости в составе для достижения нормальной концентрации портландцементного раствора составляет 25-28%. Слишком густой раствор нежелателен, поскольку может уменьшать прочность, приводя к расслаиванию цементного теста.
• Плотность определяется химическим и минералогическим составом материала. Насыпная плотность (плотность порошкообразного цемента) находится в пределах 0,9-1,3 т/м3. Истинная плотность (плотность цемента в состоянии монолита) – 1,5-2 т/м3.
• Схватывание (при условии соблюдения рецептуры и правил разведения с водой) начинается через 45 минут, а заканчивается не позже чем через 12 часов после заливки. Данный показатель зависит от химического состава сырья, тонкости помола, условий внешней среды, количества добавляемой воды. У специализированных марок портландцемента (предназначенных для бетонирования дорожных покрытий) процесс схватывания заканчивается через 2 часа после затворения.

Изменение объема для обычных составов представляет собой усадку на 0,5-1 мм/м (в воздушной среде) и увеличение на 0,5 мм/м (в водной среде). Важно чтобы изменение происходило равномерно, по всему объему. В противном случае возникнут нежелательные натяжения твердеющего материала, что приведет к потере прочности.

Физические

Физические параметры характеризуют поведение состава под воздействием природных явлений, при наличии или отсутствии химических взаимодействий.

• Коррозийная стойкость бетона связана с его плотностью и водонепроницаемостью. Коррозия может быть спровоцирована активным применением солей в качестве противоморозных добавок. Показатель устойчивости к коррозийным явлениям увеличивается при введении добавок, регулирующих пористость бетона и гидроактивных элементов, увеличивающих химическую инертность солей.
• Длительность хранения портландцемента составляет, в среднем, 12 месяцев. При этом материал должен храниться в герметично запечатанной фабричной упаковке. При длительном хранении состава прочностные характеристики постепенно уменьшается.

При тестировании портландцемента проводятся испытание прочности на сжатие (способности образца выдерживать нагрузки, направленные на уменьшение размера). Прочность на сжатие – показатель класса бетона (показатель давления в Мегапаскалях). Существует четыре класса прочности: 22,5; 32,5; 42,5; 52,5. Более прочные растворы имеют высокую скорость схватывания.

Механические

Физико-механические свойства портландцемента зависят от состава смеси, ее чистоты, технологии изготовления бетонной конструкции.

• Наличие большого количества загрязнений существенно ухудшает прочностные характеристики портландцемента.
• Водоцементное соотношение. При постоянном значении данного критерия механические свойства цементного бетона практически не зависят от соотношения между количеством вяжущего и заполнителя.
• Структурная однородность бетона. Повышение этого критерия существенно улучшает его физико-механические свойства, в том числе и прочность.
• Усадка цементного камня при его соприкосновении с заполнителем – причина возникновения микротрещин сцепления ненагруженного бетона. При увеличении силы сжатия микротрещины увеличиваются. Наряду с этим происходит увеличение растягивающих напряжений в направлении, перпендикулярном плоскости приложения внешней силы.

Чем отличается простой цемент от портландцемента

Цементы – это группа строительных материалов, используемых в качестве вяжущего ингредиента при составлении различных строительных смесей и растворов. Цемент портланд является улучшенной разновидностью цементов, что достигается добавлением в его структуру различных компонентов (силикатов и алюминатов).

Портландцемент дает возможность получить бетон, используемый при строительстве монолитных и железобетонных объектов нефтяной газовой военной промышленности, когда к строительным объектам предъявляются особо высокие условия прочности, морозостойкости, устойчивости. Основные преимущества портландцемента по сравнению с другими видами вяжущих составов таковы:

• Высокие прочностные характеристики материала.
• В связи с высокими показателями морозостойкости портландцемент может использоваться в регионах, где преобладают низкие температуры окружающей среды.
• Материал водонепроницаем и может использоваться при строительстве конструкций, контактирующих с водой.

Ряд марок портландцемента с добавлением сульфатостойкой смеси используют при возведении построек на неустойчивых грунтах. Бетонные конструкции имеют минимальную усадку, не происходит растрескивания их поверхности.

Какие виды существуют?

В зависимости от состава различают добавочные и бездобавочные виды портландцемента. Бездобавочный портландцемент состоит из клинкера, гипса и минимального количества минеральных добавок (до 5%). Основное достоинство данного вида вяжущего материала – быстрое схватывание и отвердевание.

Уже через сутки раствор принимает 50% заявленной прочности. Данный тип цемента используется при строительстве монолитных и сборных конструкций при нормальных условиях окружающей среды. Может использоваться при надземном, подземном и подводном строительстве.

Добавочные виды имеют в составе большой процент активных минеральных добавок (от 6 до 35%). Их основу составляет аморфный кремнезем, который при гидратации реагирует с гидроксидом кальция, образуя труднорастворимые соединения кальция не вымывающиеся при воздействии воды.

Данная особенность способствует повышению гидрофобных качеств итогового продукта. В свою очередь добавочные разновидности портландцемента классифицируют по скорости схватывания, стойкости к воздействиям агрессивной внешней среды:

• Быстросхватывающийся цемент имеет самую тонкую степень помола. Используется при строительстве крупных конструкций, а также, если сроки строительства ограничены. Бетонная смесь полностью отвердевает по истечении третьих суток после заливки. Для приготовления качественного бетона необходимы хорошо очищенные песок и вода.
• Нормальноотвердевающий портландцемент относится к бездобавочным видам. Это спекшаяся смесь из измельченного известняка и глины, содержащей до 90% силиката кальция (величина фракций составляет 20-100 мкм).
• Гидрофобный портландцемент применяют для регионов с высокой влажностью воздуха, для строительства гидросооружений и строений с возможностью подтопления фундамента. Входящие в состав асидолы-мылонафты (смесь нефтяных кислот и натриевых солей) служат для уменьшения способности раствора впитывать воду. Гидрофобные растворы имеют самое короткое время схватывания.
• Пластифицированный цемент содержит специальные добавки (пластификаторы, поверхностно-активные добавки), которые способствуют понижению водоцементного соотношения, замедлению твердения, улучшению показателей текучести, термостойкость. Данный цемент более удобен для транспортировки и заливки, пригоден для строительства сложных архитектурных конструкций.
• Тампонажный цемент имеет сложный минералогический состав, поскольку используется для тампонирования и защиты стенок скважин от воздействия агрессивных грунтовых вод. Широко используется при бурении нефтяных и газовых скважин с целью изолирования различных слоев грунта. Благодаря входящим в состав добавкам, раствор устойчив к показателям температуры и давления, способен удерживает колонну даже на начальных этапах застывания.
• Расширяющийся портландцемент обладает свойством увеличиваться в объеме в период схватывания (другие марки цементов усаживаются при высыхании). Процесс схватывания начинается через полчаса, а заканчивается не позже, чем через четыре часа после заливки. Увеличение объема идет за счет химической реакции между клинкером и вспомогательными компонентами в период схватывания. Данный тип цемента предназначен для уплотнения отверстий кабельных и трубных проходов, герметизации стыков и швов, монтажа анкерных соединений.
• Сульфатостойкий портландцемент делают на основе клинкера с пониженным содержанием трехкальциевых силикатов и алюминатов. Бетон, получаемый на основе такого цемента, обладает стойкостью к коррозийным процессам и может контактировать с сульфатсодержащими средами (например, сульфатными водами).
• Шлакопортландцемент обогащается доменными шлаками. Используется для получения жаропрочного бетона, предназначенного для строительства объектов под землей или на высоте. Имеет низкие показатели морозостойкости.
• Шлакощелочной портландцемент имеет в составе щелочные металлы и добавки (соду, стекло) благодаря чему увеличиваются его показатели прочности, морозостойкости, гидрофобности. Используется для производства бетонов, устойчивых к воздействию химически агрессивных сред, температурных перепадов.
• Белый портландцемент имеет в составе чистый известняк, белые глины и минимальное количество окисей железа и марганца. Данный тип портландцемента используют для отделочных работ и в качестве основы для цветных цементов. Смешивание белого цемента и пигмента дает декоративные цветные свето-щелочестойкие цементы.
• Магнезиальный портландцемент создают в процессе нагревания до высоких температур оксида магния и тридцатипроцентного водного раствора магниевых солей (хлорида или сульфата магния). Бетон, получаемый на его основе, представляет собой прочную белую массу, которую легко обрабатывать. Изделия из магнезиальных цементов не подвержены воздействию биоразрушителей (плесени). Применяется при строительстве гидротехнических сооружений, подземных объектов.
• Пуццолановый портландцемент получают при смешивании портландцементного клинкера (обработанной глиняно-известковой смеси), гипса и активной добавки вулканического или осадочного происхождения (туфы, пемзы, вулканических пеплов, трепел). В ходе совместного тонкого измельчения ингредиентов получается смесь, обладающая свойством повышенной гидростойкости, способная застывать даже под водой. Данный вид цемента используют при обустройстве подземных объектов, плотин, гидротехнических сооружений, облицовке поверхностей, контактирующих с водой. При полном застывании бетонная поверхность приобретает химическую инертность
• Глиноземистый портландцемент – быстро-затвердевающее гидравлическое вяжущее вещество. Производится путем тонкого помола обожженной сырьевой смеси, содержащей глинозем и алюминаты кальция. Для получения качественного бетона важно, чтобы застывание цементной смеси шло при умеренной температуре (ниже 25°С). При более высоких температурах показатели прочности резко ухудшаются. Данный тип цемента используют для приготовления кислотостойких бетонных растворов. Период схватывания продолжителен и составляет 8 суток после заливки.

Лучшие марки

Классы и марки портландцемента определяются ГОСТом 31108-2016 и являются показателем прочностных характеристик материала. Марка присваивается во время испытаний на сжатие и изгиб, как показатель прочности данного образца.

По итогам испытаний данному виду цемента присваивается класс и марка. При этом цифровое значение обозначает максимальную величину давления, которую способен выдержать образец (в кг/м²) спустя 28 дней после заливки. Наиболее популярные марки портландцемента таковы:

• М400. Цемент данной марки применяется во всех сферах строительства, как частного, так и массового. Имеет высокие технические характеристики, включая прочность, морозостойкость устойчивость к коррозийным процессам. Он доступен, недорого стоит, но в то же время имеет высокое качество и универсальность.
• М500. Цементная смесь имеет большой запас прочности, поэтому может применяться на ремонтно-строительных объектах ответственного назначения, при проведении дорожно-ремонтных и реконструктивных работ, а также в военном строительстве.
• М600. Портландцемент имеет очень высокие прочностные характеристики, поэтому используется для строительства и реконструкции особо ответственных объектов, железобетонных изделий и конструкций. Редко используется в индивидуальном строительстве, поскольку функциональные возможности цементной смеси остаются невостребованными, а также из-за высокой цены.

Для проведения испытаний делают образец материала размером 4х4х16 см и проверяют его на сжатие, изгиб и скорость затвердевания в условиях повышенной влажности.

ДЛЯ СПРАВКИ: В ряде случаев, процесс застывания стимулируют, используя технику пропаривания.

Как и в каких случаях использовать?

При выборе нужного вида портландцемента, в первую очередь, учитывают условия внешней среды, в которых будет эксплуатироваться бетонное изделие, а также возможность разрушительных агрессивных воздействий. Для каждого вида строительных работ подбирают марку цемента, наделенную определенным видом эксплуатационных характеристик.

Например, в условиях холодного климата, когда изделия длительно находятся под властью отрицательных температур, не подойдут шлакопортландцементы с низкими показателями морозостойкости. В этом случае используют бездобавочные марки цементов.

Для эксплуатации в условиях повышенной влажности и для поверхностей, контактирующих с водой, выбирают пуццолановые цементы. Для создания ответственных объектов гражданского и военного назначения подойдет высокопрочный портландцемент марки М500-М700. Применение портландцементов всех марок запрещено в следующих условиях:

• Для поверхностей, контактирующих с морской водой.
• Для подводного строительства в условиях сильного течения.
• Для облицовки водоемов, с сильно минерализованной водой.
• Ввиду того, что в портландцементе содержится много силикатов кальция, не стоит выбирать данный тип смеси для создания конструкций и блоков специального назначения.

Разрешено использовать специализированные виды портландцемента, с повышенными показателями влагопрочности, для подводного строительства в условиях пресной, стоячей воды.

Советы по выбору и применению портландцемента

Чтобы изделия из портландцемента прослужили максимально долго, приступая к работе, следует прислушаться к советам специалистов.

• Если сроки строительства ограничены, подбирают цементы со специальными добавками, ускоряющими отвердевание. Дополнительно проводят тепло-влажную обработку или прогреву с помощью электричества.
• Если необходимо получить раствор с длительным сроком отвердения, выбирают портландцемент с минеральными добавками (нитрат натрия, калий и аммоний).
• Для обустройства фундамента на сложных грунтах, рекомендуется выбирать сульфатостойкие растворы с высоким содержанием минеральных компонентов.
• Для обустройства мозаичного покрытия выбирают белые или цветные портландцементы.
• Для затворения цемента, на каждые 10 кг порошка берут 1,4-2,1л воды, в зависимости от нужной степени густоты раствора.
• При наличии в составе смеси добавок, улучшающих влагостойкие качества, одновременно уменьшаются показатели морозоустойчивости. Для влажных климатов рекомендовано выбирать шлакопортландцементы.
• Цветные и белые цементы хранят в специальной таре.
• Чтобы при покупке портландцемента не наткнуться на подделку, рекомендуется просить у продавца сертификат качества.

Портландцемент – качественный и прочный строительный материал, позволяющий создавать бетонные растворы с различными характеристиками для решения строительных и архитектурных задач. Подобрав нужную марку и следуя технологическому процессу, можно быть уверенным: портландцемент обеспечит высокий результат.