Все, что вы хотите знать о портландцементе и его производстве

Производство портландцемента (ПЦ) осуществляется из цементного клинкера, который представляет собой мелко помолотые определенные минералы, тщательно смешанные с некоторыми минеральными добавками. В зависимости от выбранных сырьевых материалов можно создавать различные виды портландцемента.

Что такое портландцемент? Отличия от цемента, характеристики, свойства, марки, область применения

Портландцемент представляет собой гидравлический и вяжущий материал, состоящий из гипса, цементного клинкера и различных добавок. Примечательно, что 70-80% от общего объема цемента занимает кальциевый силикат.

• С точки зрения внешнего вида, портландцемент отличается более светлым оттенком по сравнению с обычным цементом. Это свойство делает его удобным для применения в строительстве и отделке.
• Что касается эксплуатационных характеристик, то благодаря присутствию специальных добавок в состав портландцемента, он демонстрирует повышенную стойкость к воздействиям низких температур. В то время как обычный цемент в этом плане значительно слабее.

Портландцемент ГОСТ. Состав и свойства

Качество эксплуатационных и технических характеристик портландцемента во многом зависит от пропорций и качества добавляемых компонентов. Данный аспект регулируется такими стандартами, как ГОСТ 10178-20 «Портландцемент и шлакопортландцемент». Производственные процессы и параметры материала определяются в рамках таких нормативных документов, как ГОСТ Р 31108-2003 и ГОСТ 10178-20, в которых также указаны виды, марки и свойства портландцемента.

На упаковках с цементным порошком всегда предоставляется информация о процессе его производства и соответствии актуальным стандартам ГОСТ.

Внимание: если на упаковке указаны ТУ (технические условия) вместо ГОСТа, это свидетельствует о возможных отличиях в свойствах продукта от стандартов, установленных ГОСТом.

Процесс производства портландцемента осуществляется в несколько стадий:

• Первым шагом является смешивание и измельчение исходных компонентов.
• После этого полученная смесь подвергается обжигу при температурах, достигающих около 1400 °С, что приводит к образованию клинкера.
• Клинкер затем подготавливается к следующему этапу — его измельчают и смешивают с гипсом.
• На заключительном этапе добавляются минеральные добавки и различные связывающие вещества, что позволяет придать продукту дополнительные характеристики и свойства.

Свойства портландцемента:

• Морозостойкость. Данная характеристика подразумевает, что материал не деформируется и не образует трещин в условиях низких температур.
• Водонепроницаемость. Портландцемент эффективно противостоит воздействию влаги и сырости.
• Период схватывания. Процесс схватывания смеси занимает от 40 до 45 минут. Этот показатель может варьироваться в зависимости от минерального состава, степени помола и температуры выполнения работ.
• Водопотребность. Для получения рабочего цементного теста количество воды не должно превышать 25% от общего состава смеси. Для снижения потребления воды могут использоваться такие составляющие, как сульфитно-дрожжевая бражка или пластификаторы.
• Водоотделение. Данный процесс подразумевает выделение воды из готовой смеси из-за оседания более тяжелых частиц цемента. Сократить этот показатель помогают минеральные добавки.
• Коррозионная стойкость. Она зависит от степени помола смеси и степени пористости конечного бетона.
• Тепловыделение. Это способность бетона выделять тепло в процессе затвердевания. Управление данным свойством можно осуществлять введением активных минеральных компонентов.

Как изготавливают портландцемент?

Исходные материалы для производства стандартного портландцемента, который обычно называют обычным цементом, представляют собой перемолотый клинкер и гипс. Процесс изготовления включает следующие этапы:

• Клинкер изготавливается нагреванием извести и глины в заранее определенных соотношениях в специализированных печах при температуре около 1450 °C. В таких условиях компоненты не плавятся, а создают единое целое путем агрегации. Полученный клинкер может храниться несколько лет при ограниченной влажности.
• Полученные в процессе нагрева гранулы подлежат измельчению.
• После этого измельченный клинкер смешивается с гипсом.

Для создания вяжущих с уникальными свойствами в базовый состав добавляют силикатные соединения, алюминаты и различные минеральные добавки, такие как пемза, туф или кремнеземистые отходы.

Производство цементов общего назначения, включая портландцемент как без минеральных добавок, так и с добавлением до 20% минеральных компонентов, регламентируется ГОСТом 31108-2003.

Этапы образования цементного камня

После смешивания портландцемента с водой, его затвердевание происходит в течение нескольких часов. Первоначальное упрочнение происходит за счет реакции воды с гипсовой составляющей и трехкальциевым алюминатом. В результате этой реакции формируется кристаллическая структура моносульфата и гидрата алюмината кальция, а также эттрингита. На последующих стадиях затвердевания развивается сила натяжения, что обусловлено медленным протеканием реакции воды с трехкальциевым силикатом. Это приводит к образованию силикат кальция (гель CSH), который отличается аморфной структурой. На всех этапах твердения происходит обволакивание и связывание как мелких, так и крупных заполнителей раствора в единый искусственный камень.

Портландцемент традиционного состава находит широкое применение в следующих сферах:

• Монолитное строительство, для таких задач, как устройство фундаментов, возведение стен и заливка перекрытий.
• Производство очень разнообразного ассортимента железобетонных изделий (ЖБИ), включая фундаментные и стеновые блоки, перекрытие плит, бортовые камни и многие другие конструкции.
• Создание сухих смесей. Такие смеси представляют собой высокотехнологичное решение в строительной сфере, поскольку их изготовление в заводских условиях гарантирует точную дозировку компонентов и строгое соблюдение всех технологических норм. В компании «Лентехстром» производится тщательный контроль качества сухих строительных смесей в лаборатории, что подтверждается соответствующими сертификатами.

В условиях сжатых сроков строительства применяют быстротвердеющий портландцемент, который достигает марочной прочности уже через три дня, в то время как обычный цемент достигает такого результата лишь по истечении 28 суток. Достижения ключевых показателей скорости упрочнения могут быть получены с помощью введения компонентов вулканического происхождения или гранулированного шлака. При возведении подземных объектов используется сульфатостойкий портландцемент, в состав клинкера которого добавляют доломит и трепел.

История портландцемента

Портландцемент был введен в эксплуатацию более 175 лет назад. Он получил свое наименование от породу, известного природного материала — портлендского камня, который высоко ценится как строительный фактор на острове Портленд в Англии.

Изобретение портландцемента часто приписывают английскому каменщику Джозефу Аспдину, который запатентовал этот материал в 1824 году, акцентируя внимание на его внешних сходствах при затвердевании и текстуре с портландским камнем, тем самым положив основу для дальнейшего развития цементной отрасли.

Цвета портландцемента

Портландцемент часто называют «серым цементом», поскольку большинство образцов на рынке имеют именно серый цвет. Тем не менее, встречаются также белые и цветные разновидности.

• Серый цемент. Это универсальный цемент, который получается из известняка, глины и железной руды. Серый цвет определяется содержанием оксидов железа, марганца, хрома и магния.
• Белый цемент. Этот специальный вид используется в архитектурной отделке и для достижения эстетических целей. Он изготавливается из чистого белого мела и глины, содержащей минимальное количество оксидов железа. Белый цемент значительно мельче своего серого аналога, но по прочности они практически не отличаются.
• Цветной цемент. Этот цемент получают путем добавления 5%-10% красящих пигментов перед процессом помола.

Цвет цемента не влияет на его качество. Качественные характеристики цемента в большей степени зависят от качества использованных сырьевых компонентов, однородности размеров частиц и мер контроля качества на этапе производства.

Технические характеристики портландцемента

Качество портландцемента оценивают по следующим параметрам:

• Плотность. Этот показатель зависит от минералогического состава и составляет в рыхлом состоянии 0,9-1,3 т/м³, а в уплотненном — 1,5-2 т/м³.
• Период схватывания. Этот показатель важен, так как он обозначает время схватывания портландцемента, которое зависит от многих факторов: минералогического состава, степени помола, соотношения воды и цемента и температуры окружающей среды. Схватывание должно начаться не ранее чем через 45 минут и завершиться не позже 12 часов после затворения. Согласно нормативным требованиям, портландцемент, используемый для создания бетонных покрытий дорог, должен схватываться не раньше чем через 2 часа после его затворения.
• Тонкость помола. Это значение, представляющее суммарную площадь частиц в единицу массы цемента, влияет на скорость его твердения. Для обычного портландцемента данное значение составляет 2500-3000 см²/г, а для быстротвердеющего — 4000-6000 см²/г.
• Равномерность изменения объема во время схватывания. Это одна из ключевых технических характеристик портландцемента. Неравномерное схватывание может свидетельствовать о наличии слишком большого количества свободной извести или оксида магния в вяжущем. Равномерность изменения объема вымеряется на четырех образцах, которые изготавливают из цементного теста нормальной консистенции. При этом испытания производятся методом кипячения. Цемент считают прошедшим испытание, если на лицевой стороне образцов отсутствуют трещины различного характера и крупные радиальные трещины, достигающие края.
• Водоцементное соотношение (водопотребность). Этот термин обозначает количество воды, необходимое для изготовления продукта требуемой пластичности. Для портландцемента это соотношение составляет около 25%. При необходимости его снижения в состав сырья добавляют пластификаторы.
• Водоотделение. Это явление проявляется во время твердения строительного раствора, когда более тяжелые частицы вяжущих становится более низкими из-за действия силы тяжести. Имеется вероятность, что вода может проявляться на поверхности бетона, между слоями укладываемого раствора или вокруг частиц заполнителей либо арматурных стержней. Наличие таких тонких водных пленок может значительно снижать прочность и долговечность готового изделия.
• Морозостойкость. Эта характеристика описывает способность отвердевшей цементно-песчаной смеси или бетонной конструкции, произведенной на основе портландцемента, стойко переносить циклы замерзания и оттаивания без утраты рабочих свойств.
• Коррозионная стойкость. Она делится на химическую и физическую. Химическая коррозионная стойкость зависит от минералогического состава, а именно способности компонентов выдерживать воздействие агрессивных условий. Физическую коррозионную стойкость повышают за счет снижения пористости бетона и обработки его при помощи гидрофобизирующих составов.
• Тепловыделение. Этот параметр характеризует количество тепла, выделяемого во время гидратации цемента. Портландцемент, который сильно выделяет тепло, не рекомендуется использовать при строительстве крупных объектов из-за возможных тепловых деформаций. Для управления тепловыделением в цемент вводят специальные активные добавки.

Разновидности портландцемента

Все типы портландцемента делятся на бездобавочные и добавочные.

Бездобавочные портландцементы содержат лишь гипс в качестве добавки. Они применяются для строительства различных надземных, подземных и подводных конструкций, а также для производства железобетонных изделий, не контактирующих с агрессивными средами в процессе эксплуатации. Активные минеральные добавки значительно изменяют технические характеристики портландцемента в соответствии с требуемыми параметрами. С их помощью можно повысить водонепроницаемость, коррозионную стойкость и другие положительные свойства готовой продукции на цементной основе.

К разновидностям портландцемента, отличающимся по составу добавок, относятся:

• Быстротвердеющий (БПЦ). Этот цемент демонстрирует быстрое приращение прочности в первые дни после заливки смеси. В его состав в основном входят трехкальциевый силикат и трехкальциевый алюминат, а также высокая тонкость помола, что позволяет ему быстро впитывать влагу из воздуха. При неправильном хранении быстротвердеющий цемент принимает ухудшенные характеристики. Он используется для производства ЖБИ с высокой отпускной прочностью, хотя коррозионная стойкость у таких цементов обычно снижена.
• Пластифицированный. Эта разновидность цемента получают с введением поверхностно-активных добавок. Использование таких портландцементов позволяет уменьшить водоцементное соотношение, а также увеличить прочность и морозостойкость получаемых растворов после их затвердевания.
• Гидрофобный. При создании гидрофобного портландцемента используются водоотталкивающие ПАВ, которые образуют защитные пленки на зернах цемента. Обычно в качестве ПАВ применяются продукты нефтепереработки. Этот тип цемента сохраняет свои характеристики даже при хранении в условиях повышенной влажности, и не комкуется. Строительные смеси и растворы на основе гидрофобного цемента обладают хорошей пластичностью и демонстрируют водоотталкивающие свойства после затвердевания.
• Сульфатостойкий. Этот цемент изготавливается из клинкера с пониженным содержанием трехкальциевых силиката и алюмината, что обеспечивает повышенную стойкость бетона к коррозии, если строительные конструкции контактируют с сульфатсодержащими средами.
• Белый. Данный цемент получают с использованием белых коалиновых глин, мела и чистых известняков. На основе белого портландцемента производятся цветные цементы, в состав которых добавляются пигменты.

• Шлакопортландцемент. Этот материал производится путем совместного помола портландцементного клинкера, гипса и гранулированного доменного шлака.
• Пуццолановый. Он получается смешиванием портландцементного клинкера с активными минеральными добавками и гипсом. К активным добавкам можно отнести вулканические туфы, пемзы, пеплы, трепел и золы тепловых электростанций. Такой цемент широко используется при строительстве гидротехнических сооружений и подземных объектов.

Свойства

Главная характеристика портландцемента заключается в том, что при смешивании с водой он обладает пластичностью, что позволяет формировать любые конструкции. После высыхания сформированная конструкция сохраняет свою форму на долгий срок, при условии соблюдения технологии приготовления раствора.

Некоторые свойства портландцемента мы рассмотрели в процессе обсуждения его типов. Плотность и тонкость помола у различных видов цемента, как правило, сопоставимы, однако показателей прочности у разных марок значительно отличаются, что отражается на маркировке.

Сроки схватывания портландцемента таковы:

В остальном, ПЦ может обладать различной вязкостью, стойкостью к агрессивным веществам, скоростью набора прочности и другими характеристиками.

Применение

Применение портландцемента заключается в его использовании для приготовления бетонного раствора в комбинации с песком или щебнем. Рассуждать о сферах применения бетонного раствора можно долго, так как перечень будет весьма обширным.

Тем не менее, отметим лишь главные направления:

• Строительство монолитных бетонных стен в жилых и промышленных объектах;
• Заливка полов;
• Создание каналов для труб;
• Производство обширного ассортимента различных железобетонных изделий и много другое.

В современном мире трудно представить себе сферу, где не использовался бы бетон, а, следовательно, портландцемент становится незаменимым элементом множества человеческих отраслей.