Классификация строительно-технических свойств портландцемента

Корнеев Валентин Исаакович, проф., д.т.н.
Санкт-Петербургский Государственный Технологический институт

Портландцемент является минеральным вяжущим веществом, составляющим основу большей части номенклатуры сухих строительных смесей в качестве самостоятельного вяжущего, в смешанных цементных вяжущих системах, в составе цементно-известковых вяжущих, а также различных полимерцементных композиций. Ценные и уникальные свойства портландцемента определяются его способностью при затворении водой образовывать пластичное тесто, со временем, самопроизвольно, за счёт химического взаимодействия в системе, превращающееся в камень. Способность к самоотвердеванию, образование прочного и долговечного камня, экологическая чистота, низкая химическая опасность, пожаровзрывобезопасность в сочетании с низкой стоимостью являются предпосылками для широкого практического применения портландцемента.

Портландцемент не имеет самостоятельного (индивидуального) применения в строительстве, а является исходным компонентом (сырьевым материалом) для производства многочисленных композиционных материалов на его основе: строительных растворов, бетонов, сухих строительных смесей. В то же время, свойства этих композиционных материалов напрямую зависят и формируются на базе свойств цемента на разных этапах его использования - от смешения исходных компонентов и приготовления пластичных масс, до их последующего самоотвердевания с образова-нием цементного камня. В связи с этим, свойства портландцемента удобно рассматривать по трём группам: свойства исходного цементного порошка, свойства цементного теста и свойства цементного камня. Свойства портландцемента относятся также к двум подгруппам: свойствам, нормируемым в соответствии с действующими стандартами на обще-строительные цементы, и к свойствам, регламентируемым для материалов, приготовленных на основе цементов - прежде всего растворов и бетонов различного, в том числе и специального, назначения. Основной набор технических характеристик цемента получают как при испытании самого цемента, так и при испытании композиционных материалов, приготовленных на его основе. Набор определяемых свойств цементов не является раз и навсегда установленным, их перечень может меняться при изменении методов испытания, а также при расширении областей применения цемента для специальных строительных или нестроительных целей.

Перечни свойств цемента применительно к каждой из трёх групп свойств приведены в табл.1, 2 и 3. Сделаем некоторые комментарии, имеющие отношение к применению цементов в составе сухих строительных смесей.

Таблица 1 - Перечень свойств портландцемента (порошок)

Состав, свойства	Нормативы на ПЦ
Состав:
- Химический (валовый, общий)	-
Содержание некоторых химических элементов (оксидов), %:
- MgO	+ (5)
- R₂O (1)	-
- SO₃	+
- п.п.п.	-
- Н.О.	-
- Cl^-	+
- активность естественных радионуклидов	-
- Фазово-минералогический (2) (расчётный, фактический)	-
- Вещественный:
- гидравлические и инертные	+
- специальные добавки и второстепенные компоненты	+
Дисперсность:
- ситовая характеристика	+
- распределение частиц по размеру	-
- удельная поверхность (3)	-
Цвет (4)	-
Плотность (эффективная, насыпная)	-
Воздухостойкость	+
Температура (при отгрузке)	-

1) Регламентируется для отдельных областей применения, а также цементов из нефелиновых шламов.
2) Регламентируется расчётный состав клинкера для некоторых цементов.
3) Факультативно, а также для отдельных видов цемента.
4) Для декоративных цементов.
5) Значок (+) означает нормирование данного свойства по российским стандартам на общестроительные цементы.

Комментируя содержание табл.1 можно отметить следующее:

- Общий (валовый) химический состав цемента не регламентируется нормативной документацией на цементы, однако, во многих случаях, приводится в сертификатах на цемент. Необходимо иметь в виду, что химический состав цемента (содержание химических элементов) не может быть использован для прогнозирования его свойств. Более информативен в этом плане химический состав клинкера. Из перечня отдельных химических элементов следует выделить требования к содержанию в цементе ионов Cl- и щелочей: при высоком содержании щелочей, особенно Na2O, наблюдается повышенная склонность к высолообразованию, содержание ионов хлора ограничивается с позиций возможной коррозии металлических деталей строительной конструкции.
- Для производителей сухих строительных смесей необходима информация о вещественном составе цемента: количественном содержании в цементе и виде добавок - гидравлически активных или инертных (шлаков, зол, активных кремнезёмов и др.). Такая информация должна быть предоставлена производителем цемента. Необходимы также сведения о содержании в цементе второстепенных компонентов (пластификаторов, гидрофобизаторов, активаторов твердения и др.), использованных при его производстве. Получение этой информации собственными силами затруднительно, однако во многих случаях такая информация может быть решающей для использования цемента в составе сухой смеси того или иного назначения. Информация о фактическом фазово-минералогическом составе цемента (содержанию клинкерных минералов) из-за высокой стоимости аппаратуры (в случае использования РФА) и требований к специальной квалификации исследователей (в случае применения петрографии) практически недоступна заводам-производителям сухих строительных смесей. Эта информация ограниченно доступна также и для производителей цемента и, согласно сложившейся практике, заменяется данными о расчётном минералогическом составе портландцементного клинкера. Информация о расчётном минералогическом составе клинкера, в частности о содержании в нём наиболее активных фазалита и алюмината, наряду с данными о вещественном составе цемента и содержании в нём таких химических элементов как щелочи и хлор, могут быть полезными для предварительного прогнозирования скорости твердения смеси, начальной прочности, деформаций при твердении и др.
- Информация о дисперсности цемента для разработки состава сухих смесей по ситовой характеристике цемента недостаточна. Как минимум, необходимо знание удельной поверхности цемента. Наиболее полная информация о дисперсности цемента может быть получена с помощью современных методов дисперсионного анализа, например, лазерных гранулометров, однако, во многих случаях, такая информация ограниченно доступна как производителям, так и потребителям цемента.
- Воздухостойкость цемента рассматривается как изменение свойств цемента при хранении и определяется гарантированным производителем цемента сроком его использования. Не целесообразно использовать цемент с неизвестными сроками и условиями хранения, тем более за пределами сроков, гарантированных производителем. Гарантировать свойства такого "лежалого" цемента без проведения испытаний невозможно. Признаком "лежалого" цемента может быть повышенное значение потери при прокаливании (п.п.п.) цемента, как результат его гидратации и карбонизации при хранении.
- Не рекомендуется при приготовлении сухих строительных смесей использовать горячий цемент с температурой более 60°С. Такая ситуация может возникнуть при приготовлении смесей непосредственно на цементном заводе. Использование горячего цемента при его смешении с функциональными органическими добавками может привести к изменению свойств добавок.

Таблица 2 - Перечень свойств портландцемента (цементное тесто)

Свойство	Нормативы на ПЦ
Пластичность (удобоукладываемость):
- нормальная густота, водопотребность	+
- реологические характеристики, пластифицируемость	-
Плотность цементного теста (1)	-
Водоотделение (седиментация) (2)	-
Водоудерживающая способность	-
Схватывание:
- сроки (начало) схватыванияе	+
- ложное схватывани	+
- живучесть	-
- время загустевания (1)	-
Тепловыделение (теплота гидратации) (3)	-

(1) Определяется для тампонажных цементов.
(2) Определяется для цементов для строительных растворов, дорожных, тампонажных.
(3) Определяется для цементов для гидротехнических сооружений.

Комментируя табл. 2, можно отметить следующее:

- Пластичность (удобоукладываемость) цементного теста - это условная вязкость, соответствующая нормированой консистенции, определяемой на приборе Вика. Количество воды затворения, в процентах от массы цемента, необходимое для достижения такой консистенции, называют "нормальной густотой". Водопотребностью цемента принято считать ту величину В/Ц, при которой достигается нормированная консистенция не цементного теста, а стандартной цементной растворной смеси по ГОСТ 310. При применении цемента в составе сухих строительных смесей необходимо иметь в виду, что величина нормальной густоты цементного теста является косвенным показателем качества цемента: для бездобавочных и грубомолотых цементов эта величина всегда ниже, чем для цементов, содержащих активные гидравлические добавки или особотонкомолотых. Смеси, содержащие такие цементы, при прочих равных условиях, потребуют повышенного количества воды затворения.
- Седиментация (водоотделение) затворённых водой сухих строительных смесей зависит, наряду с другими факторами, и от водоотделения цемента, которое может быть определено по ГОСТ 310.6, однако для общестроительных цементов это свойство обычно не определяют. Следствием повышенного водоотделения цемента, в частности, может быть появление на поверхности изделий "цементного молока" и ослабление поверхностной структуры.
- От сроков схватывания цемента зависит время потери пластичности и живучесть сухих строительных смесей, однако прямой взаимосвязи этих характеристик нет, поскольку, наряду со свойствами цемента, многие факторы определяют эти свойства сухих смесей, прежде всего наличие и вид функциональных добавок. Тем не менее, сведения о сроках схватывания применяемых в сухих смесях цементов, или собственное определение этого показателя, полезны для производителей сухих смесей при корректировке рецептуры. Проверка цемента на проявление "ложного схватывания" является обязательной для производителей сухих строительных смесей. Применение цемента с признаками ложного схватывания для приготовления сухих строительных смесей недопустимо.
- Водоудерживающая способность цементов по действующей российской нормативной документации на цементы не определяется, в то же время, от этого свойства цемента зависит, наряду с другими факторами, водоудерживающая способность сухой строительной смеси. Водоудерживающая способность цементов зависит от присутствия в цементах гидравлических или инертных добавок, вида этих добавок, тонкости помола цемента (удельной поверхности), содержания в клинкере наиболее активных фаз - алита и алюмината. Водоудерживающая способность цементов при её оценке по методике, аналогичной определению водоудерживающей способности сухих смесей, составляет ~70%.

Таблица 3 - Перечень свойств портландцемента (цементный камень)

Свойство	Нормативы на ПЦ
Прочность, кинетика твердения:
- при сжатии	+
- при изгибе	+
- адгезионная (сцепление с основанием)	-
Долговечность:
- Деформации при твердении:
- равномерность изменения объёма	+
- расширение, самонапряжение (1)	-
- усадка при высыхании (трещиностойкость)	-
- химическая усадка (контракция)	-
- ползучесть	-
- Проницаемость (поровая структура), водопоглощение, гидрофобность
- Химическая коррозия (сульфатостойкость (2), карбонизация, щелоче-силикатная биокоррозия и др.)	-
- Высолообразование	-
- Морозостойкость	-
Термические свойства:
- теплопроводность, к.т.р., огнестойкость, огнеупорность	-

(1) Регламентируется для РПЦ и НЦ.
(2) Нормируется состав клинкера и цемента.

Комментируя перечень свойств цементного камня, приведённый в табл.3, необходимо отметить следующее:

- Несмотря на несоответствие стандартных методов испытания портландцемента условиям его службы в составе сухих строительных смесей, от цементов, показавших при стандартных испытаниях высокие значения прочности при сжатии или при изгибе, следует ожидать высокий уровень этих свойств, при прочих равных условиях, также и в составе сухих строительных смесей. И наоборот, низкомарочные или "лежалые" цементы не позволят получить необходимого значения прочности или потребуют применения в сухой смеси специальных дорогостоящих функциональных добавок - водоредуцирующих, ускорителей твердения, упрочнителей. Что касается адгезионной прочности (прочности сцепления с основанием), то значения такой прочности не определяются при стандартных испытаниях цемента, а характеристика этого свойства цемента в литературе ограничена. Каким уровнем этого свойства в составе сухой смеси будет обладать тот или иной цемент, предсказать невозможно, можно лишь предположить, что высокопрочные и, особенно, быстротвердеющие цементы, по сравнению с рядовыми цементами, обеспечат также и повышенную прочность сцепления с основанием.
- Долговечность цементного камня, чаще всего - тонкослойного, полученного при твердении сухой строительной смеси, определяется, в основном, его морозостойкостью (разрушением камня при многократном замораживании и оттаивании), трещиностойкостью (величиной деформаций усадки при многократном высыхании и увлажнении), а также его химическим и биохимическим разрушением, связанным, во-первых, с определённой пористостью цементного камня (харктеристика пористости определяет также его морозостойкость), а во-вторых, со щелочной природой портландцементного камня (рН>12,0). Формирование уровня свойств камня на основе цемента, конечно, зависит от собственных характеристик цемента, однако не меньшая роль принадлежит составу растворной смеси: соотношению цемент-заполнитель, виду заполнителя и др. Свойствами цемента, определяющими будущую долговечность цементного камня, являются его способность к быстрой гидратации и твердению, определяемых оптимальным алитово-алюминатным составом клинкера, тонким помолом цемента, отсутствием или минимальным содержанием гидравлических и инертных добавок, оптимальной дозировкой гипса. В большой степени долговечность камня определяется возможностью достижения пониженного значения В/Ц в растворной смеси, а также созданием благоприятных условий его твердения (температура, влажность), особенно в начальный период. Во всех случаях к началу эксплуатации цементного камня степень гидратации цемента должна быть высокой, что является главным условием получения плотной и прочной структуры.
- Проницаемость цементного камня прямо или косвенно связана со всеми его строительно-техническими свойствами: прочностью, деформациями, химической и био- коррозией, морозостойкостью, водопроницаемостью, высолообразованием и т.д. Поскольку та или иная проницаемость цементного камня является результатом характера его пористости, а непористый цементный камень в принципе невозможен, то условиями создания цементного камня с низкой проницаемостью является снижение его общей пористости и уменьшение размера (радиуса) пор. Эти условия достигаются оптимизацией соотношения цемент-заполнитель-наполнитель, минимизацией В/Ц, применением активных цементов, образующих в камне в ранние сроки необходимое количество цементного клея - цементного геля, характеризующегося размером пор ~10 нм, а также специальными приёмами, направленными на увеличение степени гидратации цемента (добавки - ускорители твердения) или на кольматацию пор, в частности, при применении полимерных добавок.
- Деформации усадки цементного камня обычно связаны с его высыханием, особенно в начальный период формирования структуры. Следствием этих деформаций является трещинонестойкость камня. Причины появления трещин при твердении тонкослойных сухих строительных смесей могут быть связаны с очень быстрым высыханием в тонком слое растворной смеси до образования в структуре необходимого количества "цементного клея", низкой активностью цемента, не способного образовывать достаточное количество "цементного клея" на ранних этапах твердения, слишком "жирным" составом (неправильным соотношением цемент-заполнитель-наполнитель), высоким значением В/Ц, применением сверхтонкомолотого цемента с удельной поверхностью достигающей ~5000 см2/г и выше. Деформации усадки при помещении цементных образцов на воздух фиксируются всегда, однако этой усадкой можно пренебречь, если она не превышает 0,1%. Минералогический состав клинкера мало влияет на усадочные деформации цементного камня. Создание специальных безусадочных или расширяющихся составов - особая тема. Чаще всего, специальные меры приводят лишь к снижению усадочных деформаций раствора при твердении на воздухе. Приёмы создания расширяющихся составов базируются преимущественно на применении специальных напрягающих цементов (НЦ) или на применении расширяющихся добавок на основе "эттрингитового расширения". Появление трещин в цементном камне может быть также следствием его взаимодействия с окружающей средой: химической коррозии, действия мороза, высоких температур и т.д.
- Высолообразование - свойство раствора и бетона, и зависит от содержания водорастворимых солей в заполнителях, однако значительно чаще оно определяется составом и свойствами цемента. Неблагоприятными условиями, вызывающими появление высолов, являются, как отмечалось выше, повышенное содержание водорастворимых щелочей в цементе, а также его недостаточная активность - неспособность за короткое время образовать плотный камень, что является причиной образования капиллярно-пористой структуры камня, склонной к диффузии растворимых щелочных солей, в том числе и Са(ОН)2, на поверхность изделия с его последующей карбонизацией. Другими условиями высолообразования являются повышенное значение В/Ц, высокое водоотделение и низкая водоудерживающая способность.

Заключение.

Существующая практика определения свойств портландцемента и действующая нормативная документация на цемент предполагает его использование в растворах и бетонах по традиционной технологии. Набор определяемых при этом свойств цементов, в ряде случаев, недостаточен и не полностью соответствует практике применения цементов в составе сухих смесей.

Необходимо выработать специальные требования к цементам для сухих строительных смесей, соответствующие условиям применения цементов в этой отрасли. Перечень свойств "цементов для сухих строительных смесей" может составить основу для входного контроля цемента на заводах сухих смесей. Опыт применения цементов в составе сухих строительных смесей, из-за молодости самой отрасли, весьма ограничен. В большинстве случаев, корреляции свойств цементов и свойств сухих строительных смесей надёжно не установлены. В ряде случаев, применяя цементы одной и той же номенклатуры по общей нормативной документации, но разных производителей, получаем значительный разброс свойств сухой строительной смеси. В связи с этим, полезна "инвентаризация" цементов в пределах регионов с развитым производством сухих смесей с целью определения целесообразности применения цементов тех или иных производителей для производства сухих смесей разного назначения.