11.1 Быстротвердеющий и высокопрочный портландцементы

Для обеспечения интенсивного возведения зданий и сооружений из сборного железобетона, изготовления фундаментов небольшого сечения, изделий и конструкций из железобетона без тепловлажностной обработки, получения предварительно напряженных изделий высоких марок, заделки швов и стыков при производстве аварийно-ремонтных и других видов работ необходимо применять цементы, обладающие высокой гидратационной активностью, быстрым нарастанием прочности в первые 1—3 сут твердения, имеющие высокую прочность в возрасте 7, 28 сут и в более поздние сроки твердения. Для удовлетворения потребности в цементах, имеющих перечисленные свойства, цементная промышленность страны выпускает быстротвердеющий портландцемент с минеральными добавками до 20 %—ПЦ-Д20-Б марок 400 и 500 и высокопрочный портландцемент марок 550 и 600 (ПЦ-ВП). Высокопрочные портландцементы, как правило, также обладают высокой прочностью и в начальные сроки твердения.

Производство высокопрочных и быстротвердеющих портландцементов является сложным процессом, требующим тщательного соблюдения требований специально разработанных технологических карт, четко налаженного оперативного контроля производства, начиная с карьеров и кончая отгрузкой готового цемента.

Минералогический состав клинкера для получения ПЦ-ВП и ПЦ-Б должен отличаться повышенным содержанием C₃S: более 50 % для ПЦ-Б и около 60 % для ПЦ-ВП, чтобы повысить скорость гидратации и нарастания прочности цементного камня в начальные сроки твердения. Несмотря на высокую гидратационную активность, увеличение содержания в клинкере С₃А выше 8—10 % нежелательно из-за повышения вязкости жидкой фазы в процессе обжига клинкера, затрудняющей полное усвоение извести при повышенных значениях КН смеси.

Сырьевая смесь для производства таких цементов должна быть измельчена значительно тоньше по сравнению с приготовленной для получения рядового портландцемента (остаток на сите № 008 не должен превышать 5 %). Корректирование и усреднение сырьевой смеси производят тщательно, чтобы шлам, поступающий в печь, имел постоянный химический состав и влажность. Питание печи осуществляют равномерно в строгом соответствии с заданной производительностью печи. Внутрипечные теплообменные устройства, в том числе цепная завеса, должны быть в полной исправности, а материал, выходящий из теплообменников, должен состоять из гранул оптимального зернового состава.

Обжигают клинкер для получения ПЦ-ВП и ПЦ-Б основном на беззольном топливе при более высокой (на 50 — 70 °С) температуре с укороченной ближней зоной спекания, стремясь к сильному и равномерному обжигу при непродолжительном воздействии максимальных температур. Охлаждение клинкера должно быть по возможности резким, для чего укорачивают зону охлаждения печи приближением факела и зоны спекания к головке печи, и клинкер с температурой 1200—1300 °С закаливают холодным воздухом (до 700 — 900 °С), подавая в колосниковый холодильник повышенное количество воздуха вентилятором острого дутья.

Для ускорения протекания реакций клинкерообразования в сырьевую смесь целесообразно вводить 0,5 — 1 % минерализатора процесса обжига (фториды и кремнефториды Na, Ca, Mg и др.). Применение минерализаторов позволяет увеличить производительность печи на 5—10 %, уменьшить расход топлива примерно на 5 %, поддерживать устойчивую обмазку во вращающейся печи.

Степень гидратации портландцемента обычного помола, твердевшего в течение 28 сут при нормальных условиях в растворе или бетоне, не превышает 55 — 60 %. Для повышения скорости гидратации при производстве ПЦ-ВП и ПЦ-Б увеличивают тонкость помола цемента до получения 3 — 8 % остатка на сите № 008. Образование большого количества очень мелких частиц в результате более продолжительного помола и измельчения грубых частиц клинкера, значительно увеличивает их общую поверхность, которая при взаимодействии с водой в момент затворения ускоряет процессы гидратации и гидролиза.

Скорость гидратации и увеличение прочности портландцемента взаимосвязаны с его гранулометрическим составом. Помол, при котором в цементе преобладают зерна размером менее 30 мкм (больше 75 %), позволяет предположить, что такой цемент будет проявлять свойства ПЦ-ВП, повышенное содержание в нем частиц размером менее 10 мкм — свойства ПЦ-Б.

С целью увеличения плотности бетона, изготовляемого на ПЦ-ВП или ПЦ-Б, его морозостойкости и коррозионной устойчивости в эти цементы при помоле вводят активные минеральные добавки, несколько снижающие их тепловыделение и водоотделение, увеличивающие плотность бетона и его трещиностойкость. В ПЦ-Д20-Б, как правило, вводят около 6— 15 % активных минеральных добавок или до 20 % гранулированного доменного или электротермофосфорного шлака. SiO₂, находящаяся в добавке в активной форме, образует с выделяющейся при гидролизе C₃S Са(ОН)₂низкоосновные гидросиликаты кальция в виде геля, уплотняющего первичный кристаллический каркас. Постепенно кристаллизуясь в виде нитевидных кристаллов, врастающих в поры и капилляры, гелеобразная масса упрочняет сформировавшуюся структуру цементного камня. Снижение концентрации Са(ОН)₂в системе приводит к ускорению процесса гидролиза зерен C₃S и ускорению роста прочности в системе. Наличие повышенной концентрации Са(ОН)₂в растворе при гидратации цементов, содержащих добавку шлака, активизирует вяжущие свойства стекловидной фазы в гранулированном шлаке, вводимом в ПЦ-Д20-Б, что способствует ускорению процесса гидратации и гидролиза клинкерной и шлаковой составляющих такого цемента.

Введение в ПЦ-ВП и ПЦ-Б минеральных добавок положительно сказывается на себестоимости такого цемента, снижая расход топлива, электроэнергии, увеличивая выпуск цемента за счет экономии клинкера. В настоящее время разработано несколько видор кристаллических добавок, введение которых в цемент до 5 % при помоле значительно ускоряет твердение и повышает прочности цемента (кренты, сульфоалюминатно- и сульфоферритно-силикатные продукты и др.). Их применение позволяет получать безусадочные ПЦ-ВП и ГЩ-Б. Введение до 5 % крентов (кристаллических компонентов) позволяет повысить прочность цемента на 8—15 МПа, переводя, например, цемент марки 400 с активностью 450 кгс/см²(45 МПа) в категорию высокопрочных без существенного изменения технологии его производства. Эффект увеличения прочности при введении крентов в цемент можно объяснить тем, что они содержат в своем составе повышенное количество сульфоалюмината, сульфоферрита кальция и подобных соединений, которые при взаимодействии с водой снижают концентрацию в ней Са(ОН)₂, ускоряя гидролиз C3S, ускоряют образование большого количества эттрингита, создающего в процессе твердения каркас пространственной структуры, которая заполняется продуктами гидратации; цементный камень уплотняется, что обусловливает последующее интенсивное нарастание прочности. Введение крентов в портландцемент позволяет получить высокопрочные бетоны классов В 45—В 60 (марок М 600— М 800) и выше, обладающие рядом специальных строительно-технических свойств.

Применение ПЦ-ОБ дает возможность резко повысить темпы сооружения промышленных и гражданских объектов, так как бетоны, изготовленные на таком цементе с применением крентов и твердевшие при 10— 15°С в течение б— 10 ч, способны набирать до 30 — 50 % марочной прочности, в связи с чем последующее замерзание бетона почти не отражается на его конечной прочности после оттаивания.

В соответствии с рекомендациями о рациональных областях применения цементов основное назначение ПЦ-ВП марок 550, 600 и более — для приготовления бетонов классов В 40 (марок М 500) и более; допускается его применение для изготовления бетонов классов В 30 и В 35 (марок М 400 и М 450); основное назначение ПЦ-Б — для бетонов сборных конструкций с повышенной отпускной прочностью и монолитных конструкций; допускается его использование для бетонных и железобетонных сборных конструкций.

Для полного использования прочностных свойств ПЦ-Б, ПЦ-ОБ и ПЦ-ВП необходимо соблюдать правила их перевозки и хранения, стремясь применять их в изделиях в минимально короткий срок с момента изготовления.