Состав и свойства портландцемента. Портландцементом называется вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе, получаемое путем совместного тонкого измельчения клинкера и необходимого количества гипса и добавок.

Клинкер получают в результате обжига до спекания сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины или некоторых других материалов (мергеля, нефелинового шлама, доменного шлака), взятых в соотношении, которое обеспечивает образование в клинкере силикатов кальция, алюминатной и алюмоферритной фаз. Клинкер — один из важнейших компонентов портландцемента, от его состава зависят основные свойства цемента, полученного на его основе.

Портландцемент (ГОСТ 10178—76) выпускают без добавок или с активными минеральными добавками, отвечающими требованиям ОСТ 21-9—74.

К основным свойствам портландцемента относятся: прочность (активность), сроки схватывания, равномерность изменения объема, тонкость помола, плотность, водопотребность, водоотделение, морозостойкость, тепловыделение, сцепление со стальной арматурой.

Прочность — свойство материалов в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, воспринимать те или иные нагрузки. Прочность цемента зависит от его способности затвердевать при смешивании с водой в прочное камневидное тело.

По механической прочности портландцемент подразделяется 'на четыре марки: 400, 500, 550 и 600. Марка цемента определяется пределом прочности при изгибе образцов-балочек размером 40 X Х40Х160 мм и пределом прочности при сжатии их половинок. Об- разцы-балочки изготовляют из раствора пластичной консистенции состава 1 :3 согласно ГОСТ 310.4—76 и испытывают через 28 сут. с момента изготовления. Предел прочности выражается в кгс/см2  и для марок 400, 500, 550 и 600 соответственно составляет при сжатии 400, 500, 550 и 600 кгс/см2 и при изгибе 55, 60, 62 и 65 кгс/см2.

Сроки схватывания портландцемента определяют при испытании теста нормальной густоты. Нормальная густота цементного теста характеризуется количеством воды затворения, выраженным в процентах от массы цемента. Согласно ГОСТу 10178—76 начало схватывания портландцемента должно наступать не ранее 45 мин, а конец — не позднее 10 ч от момента затворения его водой. Если цемент быстро схватывается, то прежде, чем его успеют использовать, он уже превращается в камневидное тело. При медленном схватывании цемента замедляются темпы строительства.

Для увеличения сроков схватывания цемента к клинкеру при помоле добавляют гипс в таком количестве, чтобы содержание ангидрида серной кислоты S03 в цементе не превышало 3,5%- Добавка большего количества гипса вызывает ускорение процесса схватывания цемента, что нежелательно

На скорость схватывания портландцемента влияют также его минералогический состав (быстрее других минералов гидратиру- ется трехкальциевый алюминат]^ качество обжига клинкера (цемент из пережженного клинкера схватывается медленнее, а из недожженного— быстрее, чем цемент нормального обжига), тонкость помола (более тонкий помол ускоряет схватывание цемента), количество воды при затворении (повышенное количество воды замедляет процесс схватывания), температура окружающей среды (при повышении температуры процесс схватывания ускоряется, а при понижении — замедляется).

Равномерность изменения объема портландцемента определяют при испытании образцов кипячением в воде. Неравномерность изменения объема может быть вызвана повышенным содержанием в цементе свободных окисей кальция СаО, магния MgO и гипса. СаО и MgO, взаимодействуя с водой, образуют Са(ОН)г и Mg(OH)2, при этом они увеличивают свой объем и вызывают тем самым внутренние растягивающие напряжения в цементном камне. Это явление приводит к образованию трещин и разрушению изделий из цемента (бетона).

ГОСТ 10178—76 ограничивает содержание MgO в клинкере до 5%, a SO3 в цементе—до 3,5%. Содержание свободной СаО в клинкере ГОСТом не нормируется; обычно в клинкере содержится СаО не более 0,75—1%- При повышенном содержании свободной СаО (более 1,5—2%) цемент не выдерживает испытания на равномерность изменения объема.

Если цемент после вылеживания не обладает равномерностью изменения объема, то его нельзя применять в строительстве, так как могут появиться вредные напряжения и бетон разрушится.

Тонкость помола портландцемента влияет на скорость его схватывания и твердения. Чем тоньше измельчен цемент, тем выше его прочность, особенно в начальный период твердения. В соответствии с ГОСТ 10178—76 тонкость помола должна быть такой, чтобы при просеивании пробы цемента сквозь сито с сеткой № 008 проходило не менее 85% массы просеиваемой пробы.

Тонкость помола характеризуется также удельной поверхностью, т. е. суммарной поверхностью всех частиц, содержащихся в 1 кг цемента. У обыкновенного портландцемента удельная поверхность, определенная методом воздухопроницаемости на приборе ПСХ-4, обычно составляет 250—300 м2/кг (2500—3000 см2/г).

Плотность портландцемента колеблется в пределах от 3000 до 3200 кг/м3.

Водопотребность цементного теста. Вода, добавляемая к цементу при затворении, необходима для нормального течения химических процессов, происходящих при твердении цемента, и для придания свежеприготовленному цементному раствору или бетону подвижности (пластичности, текучести), что обеспечивает плотность его укладки в форму или опалубку.

Водопотребность портландцемента сравнительно невелика: для получения теста нормальной густоты требуется 21—27% воды. Водопотребность различных портландцементов зависит от их минералогического состава, тонкости помола, присутствия активных минеральных добавок, допускаемых ГОСТ 10178—76, или шлаков и некоторых других факторов.

Уменьшить водопотребность и увеличить пластичность портландцемента можно путем введения пластифицирующих органических и неорганических поверхностно-активных веществ, например сульфитно-дрожжевой бражки.

Водоотделение цементного теста — процесс отжима воды в затворенном цементном тесте, растворе или бетоне под действием силы тяжести зерен заполнителя и частиц цемента. Некоторое количество воды при этом выступает на поверхность уложенной бетонной смеси (наружное водоотделение), а часть воды скапливается под поверхностями зерен крупного заполнителя (внутреннее водоотделение). При послойной укладке бетона выделяющаяся из него вода скапливается между укладываемыми слоями, в результате образуется прослойка бетона с большим содержанием воды, что отрицательно сказывается на сцеплении одного слоя с другим. Происходит как бы расслаивание бетона, нарушающее его монолитность. Расслаивание может происходить и внутри бетона. Образующаяся в результате водоотделения пленка воды может понизить сцепление цемента также и с арматурой.

При испарении отделившейся воды образуется дополнительное количество пор, облегчающих проникновение агрессивной воды в глубину бетона. Водоотделение можно значительно уменьшить введением в растворные и бетонные смеси активных минеральных добавок (трепела, опоки), а также путем применения некоторых поверхностно-активных веществ.

Морозостойкость цементных растворов и бетонов — способность сопротивляться попеременному их замораживанию и оттаиванию в пресной или морской воде. Вода при замерзании превращается в лед, при этом она увеличивается в объеме примерно на 8% - Это создает давление на стенки пор, нарушает структуру раствора или бетона и в конечном результате приводит к его разрушению.

При снижении содержания в клинкере трехкальциевого алюмината ЗСаО-АЬОз и повышении активности (прочности) цемента морозостойкость цементных растворов и бетонов увеличивается. Чтобы повысить морозостойкость, применяют воздухововлекаю- щие добавки: абиетат натрия — продукт нейтрализации (омыления) абиетиновой смолы (винсола), омыленный (нейтрализованный) древесный пек и некоторые другие. Морозостойкость бетонов, изготовленных с применением портландцемента, значительно выше, чем с использованием шлакопортландцемента и пуццоланово- io цемента.

Тепловыделение. В процессе твердения портландцемент выделяет тепло. Если тепло выделяется очень медленно, то это обычно не вызывает возникновения трещин в бетоне. Если же этот процесс протекает сравнительно быстро, то применять данный цемент для возведения массивных сооружений не следует. Количество тепла, выделяемое за 28 сут. твердения отдельными клинкерными минералами, колеблется в пределах от 167,6 Дж/г  для двух- кальциевого силиката 2Ca0-Si02 до 879,9 Дж/г для трехкальциевого алюмината ЗСаО-А12Оз- Кроме того, на количество тепла, выделяющегося при твердении портландцемента, влияет тонкость его помола, количество воды затворения и температура окружающей среды.

Количество выделяющегося при твердении тепла можно уменьшить путем подбора соответствующего минералогического состава портландцемента, а также посредством введения некоторых измельченных активных минеральных и инертных добавок.

Коррозионная стойкость портландцемента в основном зависит от плотности бетона или раствора и минералогического состава цемента. Наименьшей коррозионной стойкостью обладают цементы с повышенным содержанием алюминатов кальция и трехкальциевого силиката ЗСаО-БЮг- Коррозионная стойкость бетона уменьшается с увеличением его пористости и с повышением тонкости помола цемента.

Применение портландцемента. Портландцемент используют главным образом для бетонных и железобетонных конструкций в надземных, подземных и подводных сооружениях. Портландцемент марки 400 рекомендуется использовать для монолитных бетонных и железобетонных деталей, портландцемент марок 500, 550 и 600—для высокопрочных сборных обычных и предварительно напряженных железобетонных конструкций, а также для монолитных железобетонных сооружений.