Свойства и характеристики цемента

Цемент — это связующее вещество, содержащее неорганические соединения. При взаимодействии с водой, порошок проходит химические реакции, в результате которых образуется твердый материал с заранее заданной формой. После достижения определенной прочности, изделия, изготовленные из цемента, заполнителей, воды и дополнительных добавок, сохраняют свои первоначальные характеристики на протяжении длительного времени. Плотность рыхлого цемента составляет от 900 до 1300 кг/м3, а уплотненного — от 1400 до 2000 кг/м3. При объемном дозировании связующего для приготовления строительных смесей и растворов, его плотность принимается равной 1300 кг/м3.

Состав и свойства цемента

Цемент – популярный материал для строительства, который часто используется в строительных смесях и растворах в качестве связующего вещества. Он представляет собой мелкодисперсный порошок серого цвета с зеленоватым или другим оттенком. При взаимодействии с водой цемент и продукты на его основе образуют пластичную массу, которая затвердевает и превращается в искусственный камень.

Сырье для производства цемента

Для производства цемента используются горные породы, которые добываются открытым способом:

• Карбонатные – мел, известняки, известняки-ракушечники, доломит, мергель, туф. В промышленном производстве преимущественно используются известняки. Количество компонента зависит от его свойств и минерального состава. Чем больше в составе породы веществ с кристаллической структурой, тем выше температура плавления.
• Глинистые – материалы, такие как глина, глинистые сланцы, лесс, суглинки и монтмориллонит, которые происходят от осадков. Когда они взаимодействуют с водой, они увеличивают свой объем. Глинистые вещества используются для придания пластичности смесям и растворам на основе цемента.
• Добавки. Их выбор зависит от требуемых свойств. Обычно добавки содержат глинозем, железо и кремний. Для их производства используются различные производственные отходы, такие как доменная пыль и другие.

Цемент не имеет единой химической формулы, так как производители предлагают множество различных видов этого строительного материала с разными характеристиками эксплуатации.

Наиболее распространенным в строительстве является портландцемент — без минеральных добавок и с минеральными добавками.

В составе портландцемента есть определенные ограничения по минимально допустимым химическим соединениям.

Процентное содержание некоторых типов цементов

Химический состав, %					Характеристика
CaO	SiO2	Al2O3	Fe2O3	Другие оксиды
Портландцемент
63…66	21…24	4…8	2…4	3…5	Нормально твердеющий
Глиноземистый цемент
35…43	5…10	39…47	2…15	1,5…2,5	Быстро твердеющий

Что представляет собой цементный клинкер?

Основной процесс производства цемента — получение клинкера. Этот промежуточный полуфабрикат получается путем обжига смеси известняка (мела, мергеля или других пород) в количестве 75% и 25% глины. Сырьевые компоненты плавятся, образуя гранулы. Затем клинкер перемалывается и смешивается с молотыми добавками.

Весь процесс производства цементного вяжущего можно условно разделить на 3 этапа:

• изготовление клинкера путем обжига — это основной, наиболее затратный и трудоемкий процесс;
• помол клинкера до получения тонкодисперсного порошка;
• смешивание клинкерного порошка с порошкообразными добавками.

Изготовление клинкера включает следующие этапы:

• поставка сырья для клинкера на цементный завод;
• измельчение сырьевых компонентов;
• смешивание компонентов в указанных пропорциях с целью последующего обжига.

Различные технологии для производства цемента

Существует несколько различных технологий для производства цемента.

Выбор конкретного метода зависит от материалов, используемых для производства цемента:

• Мокрый. Клинкер производится из мела, глины и воды. Воду добавляют к измельченным компонентам. Влажную смесь (шлам) отправляют на обжиг. Полученный продукт после обжига транспортируют в холодильник. После охлаждения его измельчают и смешивают с добавками для достижения необходимых свойств вяжущего. Эта технология требует финансовых затрат, поэтому производители в основном используют другие способы. Однако, при необходимости получения цемента с прекрасными эксплуатационными характеристиками применяют именно этот метод, который позволяет тонко настраивать состав сырья. Корректировка состава осуществляется в специальных бассейнах при температуре 1000°C.
• Метод сухого производства. Все составляющие материалы — известняк, глина, добавки — подвергаются дроблению в сухом виде. Полученные порошки смешиваются в закрытых боксах с использованием подачи воздуха. Этот метод широко применяется производителями благодаря своей простоте и низким затратам. При этом процессе не возникает испарения воды, что позволяет сэкономить энергию. Такой подход особенно эффективен для однородных сырьевых компонентов.
• Комбинированный метод. Эта технология сочетает элементы сухого и мокрого производства. Одна из этих методик является основной, а другая — дополнительной. Если основным является мокрый метод, то вначале производится сырьевой шлам, который затем корректируется по составу, обезвоживается и обжигается в печи, предназначенной для сухой технологии.

Цемент, независимо от своего состава и способа приготовления, хранится в специальных силосах, которые обеспечивают проветривание и сохраняют рабочие характеристики материала, предотвращая его склеивание.

Цемент может поставляться к потребителю как сыпучий материал, так и упакованный в бумажные мешки.

Производство цемента без добавления клинкера

Для производства цемента без добавления клинкера используются доменные или гидравлические шлаки, активаторы и другие дополнительные компоненты. Смесь из этих компонентов подготавливают, дробят и перемалывают до получения мелкодисперсного состояния. Характерными особенностями цемента без добавления клинкера являются:

• устойчивость к воздействию окружающей среды;
• экономичность производства благодаря низким энергозатратам;
• Эффективное использование отходов металлургических и других производств способствует улучшению состояния окружающей среды;
• Возможность получения различных цветов и свойств конечного продукта без изменения основных этапов технологического процесса и привлечения дополнительного оборудования является одним из преимуществ;

Основное оборудование для производства цемента

При производстве связующего вещества используются следующие основные виды оборудования:

• Техника для добычи сырья и его транспортировки к месту изготовления;
• Линия дробления сырья;
• Печи для высокотемпературной обработки;
• Линия дробления полученного клинкера, дозирования и смешивания молотого клинкера с добавками;
• Оборудование для фасовки готового продукта в бумажные мешки.

Виды цемента и области их применения

Существует множество различных видов вяжущего вещества с различными эксплуатационными и декоративными свойствами. Основные виды включают:

• Портландцемент. Этот тонкодисперсный порошок серого цвета с зеленоватым оттенком является наиболее распространенным строительным материалом, широко используемым в индивидуальном, масштабном жилищном и промышленном строительстве. Его применение связано с использованием в строительных смесях и растворах. В сочетании с песком и щебнем он используется для производства бетонных смесей. Из цемента и песка производятся сухие строительные смеси, которые продаются в мешках, или пластичные цементно-песчаные растворы, которые доставляются на строительную площадку в готовом к использованию виде. Пластифицирующие добавки регулируют время схватывания раствора и другие свойства конечного продукта.
• Устойчив к агрессивным средам. Имеет повышенную стойкость к воздействию химически активных веществ. Идеально подходит для использования при строительстве подземных и подводных сооружений.
• Изготовлен из глинозема. В процессе производства добавляют гипс и глиноземистый шлак, благодаря чему вяжущее быстро затвердевает и приобретает высокую прочность. Глиноземный цемент находит применение при строительстве конструкций, которые работают в условиях повышенной влажности.
• Стойкий к воздействию кислот. Для его производства используют кварцевый песок и кремнефтористый натрий. Вместо воды используется жидкое стекло в качестве жидкости для затворения.
• Содержит шлак. В состав этого вяжущего добавляют гранулы шлака (примерно 25%). Шлакопортландцемент широко применяется в крупномасштабном строительстве.
• Опытный строитель с 20-летним стажем
• Специалист завода «Молодой Ударник»

В 1998 году успешно окончил Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет, получив образование на кафедре гражданского строительства и прикладной экологии.

Активно занимается разработкой и внедрением мероприятий, направленных на предотвращение выпуска низкокачественной продукции.

Также осуществляет разработку предложений по улучшению производства бетона и строительных растворов.

Особенности и свойства цемента

Цемент – это вещество, содержащее неорганические соединения. Когда порошок взаимодействует с водой, происходят химические реакции, в результате которых образуется твердый материал с определенной формой. Элемент, изготовленный из цемента, заполнителей, воды и добавок, сохраняет свои характеристики на протяжении длительного времени. Плотность цемента в свободносыпучем состоянии составляет от 900 до 1300 кг/м3, а в плотном состоянии – от 1400 до 2000 кг/м3. При объемном дозировании вяжущего при приготовлении строительных смесей и растворов его плотность принимается равной 1300 кг/м3.

Классификация цементов по химическому составу

Важным компонентом цемента является клинкер, который получается путем обжига сырьевой смеси. В его составе могут содержаться известняк, глина, доменный шлак, нефелиновый шлам и другие компоненты в зависимости от требуемых свойств конечного продукта. При необходимости в клинкер вводятся дополнительные компоненты. Полученную смесь измельчают до получения тонкодисперсного порошка.

В соответствии с ГОСТом 31108-2016 цементы разделяются на 5 типов:

• ЦЕМ I – портландцемент, наиболее популярный вид строительного материала, содержащий не более 5% вспомогательных компонентов;
• ЦЕМ II – портландцемент с минеральными добавками, такими как шлак, микрокремнезем, пуццоланы, обожженный сланец;
• ЦЕМ III – шлакопортландцемент;
• ЦЕМ IV – пуццолановый;
• ЦЕМ V – композиционный материал.

Введение минеральных добавок в объеме до 15 % незначительно изменяет свойства конечного продукта.

Добавки в объеме более 20 % оказывают значительное воздействие на физико-химические и механические характеристики цемента и получаемых из него строительных смесей и растворов.

Прочность цемента

Одно из основных свойств связующего материала – прочность, которая определяется классом по новому ГОСТу 31108-2016 и маркой по старому стандарту. Этот показатель определяется пределом прочности при сжатии стандартных образцов. Класс указывает давление, выраженное в МПа, марка – в кгс/см3.

В соответствии с новым стандартом производятся цементы следующих классов (марок):

• В22,5 (М300);
• В32,5 (М400);
• В42,5 (М500);
• В52,5 (М600).

Испытания для разных классов цемента проводят через 2, 7 и 28 суток после создания образца. Минералогический состав, наличие активных добавок, их свойства и процентное содержание оказывают влияние на этот показатель.

Производители обязаны указывать максимальную прочность вяжущего в паспорте, которая определяется в возрасте 28 дней.

Сроки схватывания цемента

Сроки схватывания определяются испытанием цементного теста нормальной густоты. Стандартные значения: начало процесса схватывания должно быть не раньше, чем через 45 минут, а его окончание не позже, чем через 12 часов после заливки строительной смеси или раствора. Слишком быстрое или слишком медленное схватывание является недостатком этого строительного материала. В первом случае требуется очень быстрая укладка приготовленного раствора. Во втором случае сроки строительства значительно замедляются.

На сроки схватывания теста влияют:

• Особенность помола. Чем мельче помол, тем выше прочность цемента, скорость его застывания и твердение.
• Минеральный состав. Чем больше содержание трехкальциевого алюмината, тем быстрее застывает связующее вещество, насыщенное водой.
• Степень обжига. Чем выше температура термической обработки, тем медленнее происходит застывание.
• Соотношение воды и цемента. Чем оно больше, тем медленнее протекает процесс застывания.
• Температура окружающей среды. Чем выше она, тем быстрее застывает цемент.

Изменение объема цемента при застывании

Процесс затвердевания цементов, которые находятся в воде, сопровождается изменением объема получаемого продукта. В соответствии с нормами, лепешки, сделанные из цемента и затвердевшие в воде, должны равномерно изменять свой объем при испытании кипячением. Если связующее вещество не соответствует требованиям стандарта, его использование опасно, так как в конструкции могут возникнуть напряжения, которые могут привести к ее разрушению.

При затвердевании портландцемента на воздухе происходят небольшие процессы усадки. Однако, если клинкер содержит большое количество свободных оксидов кальция и магния, то в процессе их гашения водой происходят локальные изменения объема цементного продукта, что приводит к образованию трещин.

Соотношение воды и цемента

Для нормального протекания процессов гидратации цемента и достижения необходимой подвижности раствора необходимо поддерживать оптимальное соотношение между водой и цементом (водоцементное соотношение). Водоцементное соотношение определяет минимальное количество воды, необходимое для получения цементного раствора с нормальной густотой. Нормальная густота означает консистенцию, при которой пестик Тетмайера погружается в продукт на глубину, установленную нормативами.

Минимальное водоцементное соотношение характерно для портландцемента и составляет 24-28%. Однако, чтобы сохранить требуемую пластичность смеси или раствора, можно снизить этот показатель путем добавления специальных пластификаторов. В случае использования пуццолановых цементов с добавками осадочного происхождения, водоцементное соотношение составляет 35-40%.

Процесс отделения воды в цементном растворе

Под водоотделением понимается процесс удаления воды из цементного теста за счет действия силы тяжести на частицы цемента и заполнителей различного размера. Вода может образовывать пленки на поверхности цементного изделия, между слоями бетона, внутри элементов конструкции вокруг заполнителей и арматуры. Наличие таких влаговых пленок внутри конструкции может привести к разделению слоев и снижению прочности строящегося объекта.

Сократить водоотделение и разделение раствора или смеси можно, используя следующие методы:

• применение специальных готовых цементно-песчаных растворов и бетонов, которые доставляются к месту строительства специализированным транспортом;
• соблюдение технологии укладки смесей и растворов;
• уменьшение водоцементного соотношения с помощью использования пластификаторов;
• введение различных добавок, таких как трепел, глина, бетонит.

Применение добавок из доменного шлака в цементе способствует увеличению процесса отделения воды.

Устойчивость к морозу цементно-песчаных растворов и бетонов

Морозостойкостью строительных растворов и смесей, изготовленных на основе цемента, понимается их способность выдерживать циклы попеременного замерзания и оттаивания. Маркой, обозначаемой буквой F, определяется уровень морозостойкости.

Для повышения морозостойкости затвердевшего бетона или цементно-песчаного раствора применяются специальные добавки, включая абиетат натрия, омыленный древесный пек и другие.

Выделение тепла цемента при процессе затвердевания

Гидратация цемента сопровождается выделением тепла, которое характеризуется абсолютным выделением тепла и ходом тепловыделения во времени. Медленное выделение тепла не оказывает отрицательного влияния на технические характеристики строительной конструкции. Рекомендуется избегать использования цементов, у которых процесс гидратации протекает быстро и с высоким повышением температуры, при строительстве массивных сооружений. В таких случаях возникают значительные внутренние напряжения, которые могут привести к образованию трещин в бетоне.

Цементы, у которых процессы гидратации сопровождаются значительным и интенсивным выделением тепла, включают:

• цементы с высоким содержанием трехкальциевых силикатов и алюмината;
• цементы, содержащие значительное количество стекловидной фазы.

При зимнем строительстве важно обеспечить эффективное сохранение тепла.

Сопротивление коррозии цементного камня

Ученые выделяют два аспекта этого свойства — химическую и физическую устойчивость к коррозии. Химическая устойчивость определяет способность компонентов вяжущего вещества сопротивляться воздействию коррозионных веществ. Для улучшения этого свойства ограничивают содержание оксида алюминия и трехкальциевого силиката в цементе. Физическую устойчивость повышают путем уменьшения пористости получаемого цементного продукта, уменьшения размеров его пор и гидрофобизации их поверхности.