Портландцемент: что это такое

Портландцемент – стройматериал, о котором многие знают или слышали. А известно ли вам почему он носит такое название, знаете ли его качества, состав, где он используется? Интересно? Тогда вперед!

Портландцемент – один из немногих стройматериалов, которое имеет такое благородное имя. Знаете, как оно появилось, и почему цемент называют портланд? Минеральную смесь, которую изобрел и запатентовал Джозеф Аспдин в начале 19 века, назвали портландский цемент. К слову сказать, свое изобретение господин Аспдин сделал на кухне. Он нагрел смесь измельченной извести с глиной в печи, а затем растер комки в порошок. После смешивания с водой состав приобрел твердость натурального камня. По цвету, полученный бетон, был похож на те самые камни с карьера острова Портланд. Именно поэтому цемент обрел такое красивое имя и сокращенно стал называться портландцемент.

Особенности и изготовление

— Доктор, мой ребенок наелся песка, и я дала ему немного воды. Что мне теперь делать?
— Следите, чтобы он не подходил к цементу!

Примерно так выглядит создание песчано-цементной смеси. Интересно, а кто-то пробовал так делать? Любопытно, это работает внутри человека? Кажется, ничего не получится, мы внутри очень кислотные. Хотя… Нет, только пожалуйста не пробуйте повторить. Это всего лишь анекдот.

Так вот, портландцемент – это вяжущее вещество, которое связывает воедино все, что попадает в его объятия. Его имя должно вызывать прямые ассоциации с прочными монолитными конструкциями. Дальше, между делом, расскажу, как работает внутренняя химия при сотворении рукотворного камня.

Что касается состава строительного порошка. В него входят натуральные неорганические вещества, запеченные при высоких температурах:

• глина;
• известняк;
• мел;
• кремнезем;
• глинозем.

Минеральные зерна, которые состоят из перечисленных веществ, называют клинкером. Их перемалывают вместе с гипсом, получая гидравлический цемент. Здесь более подробная информация: из чего делают цемент.

Клинкер на 97 % состоит из минералов. В него входят оксиды кальция, железа, алюминия, титана, кремния.

Чтобы что-то продать, нужно сначала что-то купить. А чтобы что-то сделать, нужно сначала что-то добыть. Так и здесь. Главным этапом производства портландцемента является добыча правильных ископаемых. Известняк с характерным желто-зеленым цветом добывают открытым способом. Самые нижние его слои расположены на глубине 10 м. Добытый материал перевозят к месту производства. После первичного дробления приступают к его обработке.

Теперь самое интересное. Записывайте (вдруг пригодится). Процесс изготовления портландцемента такой:

1. Сначала минералы перемалывают в порошок.
2. Затем полученную смесь тщательно пропекают при температуре 1400 градусов Цельсия. Домашняя печка, как у Аспдина уже не поможет. Нужен специальный вращающийся тепловой агрегат с барабаном. После обжига получаются минеральные гранулы.
3. Полученный клинкер снова измельчают. Порошок перемешивают в нужной пропорции с гипсом, вносят добавки.

С первого взгляда процесс не такой сложный. Но пытливый ум человека не ищет легких путей. Было изобретено 3 варианта обжига горных минералов. Каждый создан с целью получить бетон с определенными свойствами.

• Мокрый тип обработки. Перемалывание минералов происходит в воде. Затем влажную смесь отправляют в печь. На выходе получаются минеральные шарики (клинкер) которые снова перемалывают и смешивают с гипсом.
• Сухой способ производства. Минеральные составляющие измельчаются и обжигаются в сухом виде. Этот тип производства считается более экономичным, потому что тратится меньше электричества. При мокром варианте в печах расходуется много электроэнергии на испарение воды.
• Смешанный (комбинированный) вариант. Используют мокрый и сухой способ. Сырье немного увлажняют, запекают, а затем смешивают компоненты уже в сухом виде.

Таким способом получают знакомый нашему глазу порошковый состав. Но часто портландцемент обогащают полезными добавками, чтобы улучшить его качества. По их наличию портландцемент делят на марки. Изготовленный продукт проходит контроль качества и получает сертификат.

Особенностью портландцемента является то, что его компоненты в правильных пропорциях позволяют составу быстро схватываться практически при любых условиях, даже под водой.

Состав и свойства

Внешне «портланд» цемент выглядит как порошок серого цвета с зеленоватым оттенком. Мы уже говорили, из чего он состоит. А вот из чего состоит главный компонент клинкер, как он влияет на конечные свойства бетона, обсудим сейчас.

На фотографии вы видите зерна клинкера.

Итак, после обжига минералов в разном соотношении получают:

• Белит. Не очень прочный материал, медленно твердеет. Его добавляют в бетон, чтобы уменьшить скорость схватывания. Но при этом бетон теряет свою марочную прочность.
• Алит. Если его количество будет составлять около 37%, получится прочный, быстроотвердевающий состав высокой марки.
• Алюминат. Быстро схватывается. Его добавляют не больше чем 15%, потому что коэффициент его прочности не очень велик.
• Алюмоферрит. Достаточно прочен, быстро схватывается. Добавляют в рабочую смесь в размере 15 %.

Чтобы производителю контролировать качество продукции, а покупателю не сомневаться в заявленных характеристиках, написан ГОСТ 10178-85. Его название «Портландцемент и шлакопортландцемент технические условия». Зная это, ищите надпись о соответствии ГОСТу на упаковке.

Название ГОСТа прописывают в конце буквенно-цифровой аббревиатуры, характеризующей цемент. Например «Портландцемент ЦЕМ I 32,5Н ГОСТ 31108-2003»

Исходя из состава, цемент может быть наделен такими свойствами:

• Время, за которое происходит схватывание раствора. Гостовское время для качественной смеси составляет примерно 40 минут. На время затвердевания влияет также качество помола компонентов.
• Прочность, которая предписана Гостом (это 250-300 мг/кг) тоже зависит от тонкости помола.
• Количество воды, необходимое для получения бетона нужной прочности. Вода – главный компонент, который запускает все химические и физические процессы. Жидкость делает раствор пластичным и подвижным. Ее нормативное количество должно быть около 25% от массы всей смеси. Чтобы по неопытности не перелить воды, для удобства укладки рекомендуется добавлять в растворы пластификаторы.
• Водоотделение или объем жидкости, который выделяется при оседании цементных частиц. Чтобы снизить показатель выделения воды, вносят минеральные добавки.
• Морозоустойчивость. Эта характеристика показывает, сколько циклов изменений температуры может выдержать бетон без потери своих качеств. Для улучшения стойкости к морозам существуют специальные добавки. Одни исключают проникновение влаги в поры. Другие присадки наоборот делают бетон пористым. Тогда вода при замерзании расширяется не толщу бетона, а в каналы пор.
• Устойчивость к коррозии. Коррозия бетона – это разрушение его структуры. Поверхность становится хрупкой из-за воздействия агрессивных сред. Такое же влияние оказывают атмосферные явления. Для повышения коррозионной устойчивости важна тонкость помола компонентов, а также контроль порообразования при укладке.
• Тепловыделение. Это показатель повышения температуры при схватывании раствора. Не рекомендуется использовать материал, слишком интенсивно выделяющий тепло. При высокой температуре окружающей среды (выше 25 градусов) такой раствор схватывается в разы быстрее, но наполовину теряет свои качества. Для оптимизации этого процесса вносят специальные присадки.

Процесс гидратации (химическое взаимодействие минеральных частиц с водой) сопровождается выделением тепла. Быстрое возрастание температуры происходит в начале процесса и достигает максимума к окончанию схватывания состава.

Характеристики

Главное, чего все ожидают от портландцемента – это его прочность. Это качество делает его способным противостоять различным физическим, химическим воздействиям. Такой материал долгое время сохраняет форму и внешний вид постройки.

Портландцемент никогда не используют самостоятельно. Его применяют, чтобы связать песок, щебень. Именно в таком сочетании получается прочный бетон или стойкие отделочные материалы.

Технические

На крупный производствах портландцемент и бетон, полученный из него, подвергают разным испытаниям. Его морозят, топят в воде, кладут под пресс, дробят, обрабатывают химией. Всему этому качественный бетон должен гордо противостоять. В этом ему помогает состав нужного помола, разные добавки, правильный замес.

Вот каким должен быть портландцемент, участвующий в изготовлении правильного бетона:

• Во-первых, он должен быть нужной плотности. На это влияет тонкость помола и минеральный состав. Одна цементная частичка диаметром 40 микрон должна проходить через сито № 0,008.
• Во-вторых, портландцемент, как советский ГТОшник должен укладываться в определенное время схватывания. Увеличение времени или наоборот быстрое схватывание может привести к нарушению процесса строительства. Обычно твердение раствора начинается через 40-45 минут.
• Равномерное изменение объема. Важно, чтобы готовая смесь равномерно набухала, а потом оседала во всей своей массе. Такой тест в лаборатории проводят на цементных лепешках.
• Водоцементное соотношение или количество впитываемой воды. Тоже важная характеристика. Излишек или недостаток влаги пагубно влияет на прочность бетона.
• Для строительных расчетов нужно знать удельный вес материалов. Свежий портландцемент обладает удельной плотностью, меньшей, чем уже слежавшийся. Поэтому разбег по плотности может быть от 1100 кг/м3 до 1300 кг/м3.

Историческая шутка. Исследователями раскрыт секрет небывалой прочности римского бетонного акведука. Оказывается, в начале строительства было казнено более 100 строителей, которые воровали цемент со стройки.

Физические

Вспоминайте курс школьной химии. Что такое физические процессы? Правильно. Это когда одно вещество не превращается в другое, а только меняет свои физические свойства (температуру, плотность, агрегатное состояние). Для портландцемента физические характеристики – это его способность противостоять внешним физическим воздействиям. Например, сжатию или растяжению.

Первая физическая характеристика – это устойчивость к коррозии. Чтобы снизить активность солей, вносят гидроактивные добавки.

Чтобы представить, как действует коррозия, сначала нужно представить, как устроен бетон внутри. Как было обещано в начале, несколько фактов о химии создания бетона. Это сложный процесс, но в общих чертах представить его можно так:

1. Попав в цемент, вода начинает окружать каждую минеральную частичку. Начинается гидратация (химическая реакция).
2. Начинают расти игловидные кристаллы алюмината. Это стадия загустевания раствора. Спустя примерно 8 часов иглы заполняют все внутреннее пространство, объединяют частички смеси между собой и не дают им двигаться.
3. Затем начинается набор прочности. В этот период образуются другие кристаллы, силикатные. Через сутки эти мелкие кристаллы вытесняют иглоподобные структуры алюмината, а через 28 дней полностью заменяют их.

Теперь, понимая строение бетонного камня, легко представить действие коррозии. Эта зловредная штука медленно и постепенно разрушает кристаллы, которые склеивают компоненты бетона и камень начинает крошиться.

Сроки хранения — это сохранение физических и химических свойств какое-то определенное время. Так, качественный портландцемент хранится не более 12 месяцев. При слеживании, нарушении герметичности упаковки, проникновении влаги происходит комкование и частичное схватывание состава. Этот материал уже нельзя использовать. Если только снова не подвергнуть его измельчению в порошок.

Чтобы проверить качество цента в мешке, ударьте по нему кулаком. Вам не должно показаться, что вы ударили по камню. Проверьте углы упаковки. В первую очередь именно там, при неправильном хранении, порошок напитывается влагой и каменеет.

Механические

Не верьте продавцам, которые говорят, что если поковырять бетонную плитку гвоздем и в ней проковыривается дырка, то это нормально. Нет, такого не должно быть, если использован качественный материал. Портландцемент обладает повышенной прочностью, которая даже возрастает со временем (смотрите твердение бетона). Именно механические характеристики определяют свойства прочности бетона или цементно-песчаной заливки.

Лабораторные испытания говорят о том, что портландцемент должен обладать устойчивостью к давлению не меньше 42,5 мПа. В зависимости от которого, может вынести застывший состав, его маркируют. Марки бывают такие: М400, М500, М600, М700. О характеристиках марок и немного об их применении поговорим чуть ниже.

Как же тестируют бетон в лаборатории? Есть разные приборы. Один из них называется игла Вика. Можете увидеть ее строение на картинке. Ее функция — определять период схватывания смеси. Это тоже играет свою роль в присвоении марочности составу. Происходит процесс так:

1. Отсчет времени начинают с момента, когда игла еще легко погружается в раствор.
2. Через пару часов смесь становится неподвижной. Острие проникает уже с усилием.
3. А когда игла опускается в состав только на 1 мм – это считается окончанием периода схватывания.

Ну и факторы, от которых зависит та самая механическая прочность:

• Тонкость помола минералов. Чем она мельче, тем лучше происходит реакция компонентов, тем прочнее получается монолит. Но слишком мелкий помол увеличивает поглощение воды. Поэтому для домашних строительных работ лучше брать порошок фракции от 40 до 80 мкм.
• Наличие специфических добавок. Это могут быть армирующие вещества, гидрофобные растворы, пластификаторы.
• Способа заливки. К примеру, вибробетон достигает максимальной плотности по сравнению с другими типами.

Чем отличается простой цемент от портландцемента

Вопрос спорный в той части, что названия «простой цемент» не существует. Ему просто дают разные названия в зависимости от типа клинкера:

• Если в состав добавлен клинкер алит, то это портландцемент.
• При использовании белита получается романцемент.
• Глиноземный вид получается с применением алюмината.
• Магнезит позволяет сделать магнезиальный цементный состав.
• Если в составе присутствует гидросиликат натрия, то это кислотоупорный цемент.

Как видим, портландцемент это лишь разновидность строительных смесей. Благодаря своей прочности, морозостойкости, устойчивости к агрессивным жидкостям этот тип цементной смеси используют для серьезного строительства. Например, с его использованием возводят:

• объекты химической, нефтяной, газовой промышленности;
• мосты, гидротехнические сооружения;
• сооружения в сейсмоопасных зонах;
• прочные фундаменты, которые не трескаются даже на неустойчивых почвах.

Одновременно с этим, портландский цемент идет на изготовления разных отделочных материалов, декоративных скульптур и объектов ландшафтного дизайна.

Виды

Мы уже немного затронули вопрос о видах портландцемента, которые отличаются по минеральному содержимому. Еще есть несколько классификаций, по которым различают порошковые составы с приставкой «портланд».

Так, составы делят на цементы с добавками и без. Смеси без добавок используют при строительстве в неагрессивных условиях. А присадки применяют для улучшения качеств бетона. Если нужна водонепроницаемость, обрабатывают гидрофобными средствами. Если важно, чтобы бетон был прочный, застывал быстро без усадки с растрескиванием – используют армирующие волокна.

Другая классификация делит составы по скорости схватывания, а также характеристикам стойкости к разным агрессивным воздействиям:

• Быстросхватывающийся раствор. Здесь используют марки М400 и М500. Такой состав твердеет через 3 дня. Это качество подходит российскому менталитету, когда хочется уже построить и отдыхать.
• Пластифицированный цемент с добавками, которые замедляют твердение, улучшают текучесть. Такие растворы делают для транспортировки или для удобства заливки.
• Раствор нормального схватывания. Это бездобавочная смесь, которую готовят в соответствии с ГОСТом.
• Гидрофобный портландцемент используют в местах повышенной влажности. Это может быть строительство гидросооружений, подтопляемых фундаментов или бассейнов. Добавки помогают бетонному составу противостоять воздействию воды.
• Сульфатостойкий. Такой материал хорош для строительства на кислых почвах. Из него изготавливают сваи, фундаменты. Специальные химические присадки делают постройки устойчивыми к коррозии.
• Специальный раствор, который позволяет тампонировать (защищать) нефтедобывающие скважины в период их строительства от воздействия грунтовых вод.
• Расширяющийся раствор нужен там, где трудно сделать заливку механическим путем. Он заполняет трещины самостоятельно, при расширении. Увеличение объема строительного состава происходит за счет внутренних химических реакций.
• Шлокопортландцемент имеет повышенное содержание металлических частиц из доменных шлаков. Бетон получается жаростойкий, но не устойчив к морозам. Этот вид стройматериала подходит для подземного, подводного строительства или на высоте.
• Белый «портланд» изготавливают из белых минералов (каолиновой глины, мела, чистого известняка). Этот тип подходит для производства цветных бетонных изделий, для архитектурного строительства. Белый цемент обладает уникальным свойством создавать идеально гладкую поверхность.
• Шлакощелочной имеет в составе щелочи, шлаки, глину. Он устойчив к температурным колебаниям, агрессивным средами. Шлакощелочной бетон отличается гидрофобными (водоотталкивающими) свойствами.
• Пуццолановый. Этот вид обладает повышенной апатией к воде. Вернее, он ее вообще игнорирует. С легкостью застывает даже в ее присутствии. Этот вид используется для постройки бассейнов, емкостей для воды, объектов, которые контактируют с морской, хлорированной водой.

На мешках портландцемента, разные его виды маркируют буквами. Например:

• ШПЦ – шлокопортландцемент.
• БЦ – белый цемент.
• СС – сульфатостойкий.
• ПЛ – пластифицированный и т.д.

Марки

Марочность зависит от тех характеристик, которые мы обсуждаем на протяжении всей статьи. В первую очередь конечно важна прочность на сжатие и на изгиб. Чтобы проверить эти характеристики и отнести вяжущий минеральный компонент к той или иной группе делают так:

1. Заливают образец размером 4Х4Х16 см из смеси портланда и песка в пропорции 1:3.
2. Дают портландцементу полностью приобрести свои качественные характеристики в течение 28 дней. При этом не дают образцу покоя: пропаривают его горячим паром и содержат в условиях повышенной влажности.
3. Далее кубик помещают под пресс и испытывают на прочность до полного разрушения. Одновременно записывают результаты в тетрадь.
4. Показатель прочности – это активность материала. Если после 28 суток прочность на сжатие составила 600 кг/см2 (58,8 Мпа), то эта цифра определяет активность цемента и относит его к марке М600.

Что там с другими марками? Взглянем на их показатели:

• М400 имеет такую активность: прочность на сжатие – 39,2 МПа, прочность на изгиб – 5,4 МПа.
• Марка М500 показывает следующие результаты: прочность на сжатие – 49,0 МПа, прочность на изгиб – 5,9 МПа.
• М600 демонстрирует более внушительные результаты: прочность на сжатие – 58,8 МПа, прочность на изгиб – 6,4 МПа.

Когда смотришь на всю эту классификацию, кажется, что строители забыли о своих прямых обязанностях и занимаются бумаготворчеством. Вот, например, строительные смеси еще делят на такие типы:

• I – это чистый портландцемент;
• II – имеет добавки в количестве от 6 до 35%;
• III – в состав входит шлак в количестве 35-96%. Это шлакопортландцемент;
• IV – пуццолановый тип. Имеет минеральные добавки в объеме до 55%;
• V – композиционный материал имеет добавки в количестве от 35 до 80%;

Чтобы определить, сколько же добавок имеется, подставляют букву А, Б или С. А обозначает что в составе до 6-20% добавок, Б указывает на то, что добавлено от 21 до 35% , а С – это объем дополнительных компонентов от 36 до 65%.

Минеральные добавки разных видов имеют буквенное обозначение, которое соответствует первой букве названия минерала. Например, И – это известь, Ш – шлак, К – композитная добавка, П –пуццолан.

Чтобы определить, какую скорость набора прочности имеет состав, смотрите на эти буквы:

• Р – ранняя высокая прочность;
• Н – нормальная степень набора прочности.
• М – медленное затвердение.

Если внесена улучшающая добавка, можно увидеть такие сокращения:

• ПЛ – пластификатор.
• ГФ – гидрофобная присадка.

Портландцемент не делят на марки по морозоустойчивости, потому что эта характеристика относится к конечным продуктам: цементно-песчаной смеси или бетону. Морозостойкость определяется качеством песка, щебня и добавками.

На упаковках цемент имеет буквенно-цифровые обозначения, которые включают не только маркировку по прочности, но и количество добавок, а также название самого портландцемента, его тип. Как расшифруем такую надпись:  ЦЕМ II/А-И 52,5Н? Ответ: портландцемент с содержанием 6-20% извести, прочностью марки М600 с нормальным временем затвердевания.

Как не запутаться и все запомнить? Никак (если конечно вы не профессиональный строитель). Но вы всегда можете воспользоваться предложенными таблицами и расшифровками.

В каких случаях не подходит

«Скоро ты станешь владычицей морскою» — говорил старик, заливая цемент в старое старухино корыто. Так вот, чтоб ответить на вопрос, где не подходит портландцемент, нужно выяснить, а что собственно от него хотят.

Разнообразие смесей позволяет подобрать стройматериал практически для любых условий. Совместное применение разных типов (например, для изготовления фундамента и возведения стен) позволяет уменьшить влияние внешних условий в целом на конструкцию здания. Также для стойкости бетона применяют добавки. Например, гидрофобная обработка одновременно уменьшает коррозию и повышает морозостойкость материала.

Рекомендуется также ориентироваться на марки прочности:

• Цемент М400 походит для бытового, массового строительства. С его помощью делают отмостки, игровые и спортивные площадки, заливают дорожки, заливают стяжки для полов.
• Марка М500 обладает улучшенными характеристиками. Ее применят для строительства дорог, объектов военного назначения, в нефтяной, газовой промышленности. Но также материал используют в частном хозяйстве. Заливают фундаменты, перекрытия, облагораживают территорию, возводят архитектурные формы.
• М600 – цемент с высокими показателями прочности. Его применяют для строительства серьезных инженерных конструкций: мостов, плотин, промышленных зданий, аэродромных дорог. Белый цемент этой марки используют для архитектурного строительства.

Из сказанного понятно, что М400 не подойдет для постройки дамбы. Ну и вряд ли будут использовать марку М600 для изготовления ЖБИ.

Марка прочности – важный показатель, который определяет где и при каких условиях можно использовать каждый тип цемента. В аварийных работах важна скорость схватывания и прочность, а для заливки стяжки главным качеством является ровная поверхность без трещин.

Несмотря на то, что портландцемент имеет сплошные плюсы, есть и некоторые недостатки. Так, этот тип смеси не используют в соленых, минерализованных и проточных водоемах. Здесь использует специальные виды цемента. Например, пуццолановый. Сульфатостойкий вид применяют только в стоячих неагрессивных водах.

Вот так в целом можно охарактеризовать цемент с красивым названием Portland. Приходилось ли вам работать с этим стройматериалом. Если да, то какие у вас впечатления? Что вы из него построили? Поделитесь с нами в комментариях. Будет интересно обсудить разные нюансы использования портландцемента.