Типы цементов и применение

Существуют различные виды цемента, используемые в бетонном строительстве, каждый из которых имеет свои уникальные свойства, назначение и сферу применения, преимущества, основанные на составе материалов, используемых при производстве. Ниже перечислены наиболее распространенные типы цемента и их применение.

Цемент — порошкообразный строительный вяжущий материал, обладающий гидравлическими свойствами. Состоит из клинкера и, при необходимости, гипса или других материалов, содержащих в основном сульфат кальция, минеральные добавки.

Основные параметры классификации цементов:

• назначение;
• вид клинкера; 
• вещественный состав; 
• прочность на сжатие; 
•   скорость твердения; 
• срок схватывания.

Перечисленные характеристики отражают в маркировке цементов. Например, маркировка ЦЕМ I 42,5Н означает:
ЦЕМ I — в составе портландцемента основным компонентом вещественного состава является портландцементный клинкер;
42,5 — класс прочности на сжатие;
Н — нормальнотвердеющий цемент.

Типы цемента по назначению

По назначению цементы делятся на 2 основных вида: общестроительные и специальные.

Общестроительный цемент

Общестроительный цемент — самый распространенный вид цемента, который подходит для большинства видов бетонных конструкций. Это наиболее часто производимый и используемый тип цемента во всем мире с ежегодным мировым производством около 3,8 миллионов кубических метров в год. 

Общестроительный цемент — цемент, основным требованием к которому является обеспечение прочности и долговечности бетонов или строительных растворов.

Специальный цемент

Специальный цемент помимо клинкера содержит добавки, обуславливающие его отличительные свойства. Как правило, специальный прочнее и надежнее общестроительного. Основные сферы применения — возведение крупных бетонных конструкций, например, мостов, строительство дорог, высоконагруженных автомагистралей, а также печей, каминов и пр.

Специальный цемент — цемент, к которому наряду с обеспечением прочности предъявляют специальные требования.

Типы цемента по виду клинкера

Цементный клинкер — вяжущее вещество, получаемое методом обжига до спекания или плавления сырьевой смеси надлежащего состава и содержащий, в основном, высокоосновные силикаты и высоко- либо низкоосновные алюминаты кальция.

Основные виды клинкера, используемого в качестве основы цементов: 

• портландцементный клинкер; 
• глиноземистый (высокоглиноземистый) клинкер; 
• смесь портландцементного и сульфоалюминатного (сульфоферритного) клинкера.

Подтипы цемента по вещественному составу

По содержанию портландцементного клинкера, вида и количества добавок общестроительные цементы подразделяются на пять основных типов.

 Тип I - портландцемент, содержащий в качестве основного компонента вещественного состава только портландцементный клинкер.

 Тип I-С - сульфатированный портландцемент, содержащий в качестве основного компонента портландцементный клинкер, в качестве вспомогательного компонента - сульфоалюминатный (сульфоферритный) клинкер в количестве не более 5%.

 Тип II/A - портландцемент с минеральными добавками, содержащий в качестве основных компонентов портландцементный клинкер и минеральную добавку или смесь минеральных добавок в количестве от 6% до 20%.

 Тип II/B - портландцемент с минеральными добавками, содержащий в качестве основных компонентов портландцементный клинкер и шлак в количестве от 21% до 35%.

 Тип II-C сульфатированный портландцемент, содержащий в качестве основных компонентов портландцементный клинкер, сульфоалюминатный (сульфоферритный) клинкер в количестве от 6% до 20 %.

 Тип III - шлакопортландцемент, содержащий в качестве основных компонентов портландцементный клинкер и доменный гранулированный, электротермофосфорный или топливный шлак в количестве от 36 % до 65 %.

 Тип IV - пуццолановый цемент, содержащий в качестве основных компонентов портландцементный клинкер и пуццолану в количестве от 21 % до 35 %.

 Тип V - композиционный цемент, содержащий в качестве основных компонентов портландцементный клинкер и смесь шлака и пуццоланы и/или золы-уноса в количестве от 22 % до 60 %.

Виды добавок:

Ш — гранулированные шлаки;

Мк — микрокремнезём;

П — пуццолан;

Г — глиеж;

З — зола;

С — обожжённый сланец;

И — известняк.

Классификация цементов по прочности на сжатие

Прочность — одна из основных эксплуатационных характеристик бетона. Бетон получают во время контакта цемента с водой — в процессе гидратации. Получаемый цементный камень (бетон) обладает определённым показателем прочности. Прочность цемента на сжатие варьируется в пределах от 30 до 60 МПА — показатель давления в мегапаскалях, которое способна выдержать бетонная конструкция. Чем выше прочность цемента на сжатие, тем он менее устойчив к растяжению и изгибу. Например, цемент марки 400 обладает прочностью на изгиб в 7 раз меньше прочности на сжатие, у цемента марки 500 это соотношение составляет 8,3 раза.

По прочности на сжатие цементы подразделяют на четыре основных класса: 

22,5 (соответствует марке 300); 

32,5 (соответствует марке 400);

42,5 (соответствует марке 500);

52,5 (соответствует марке 600).

Итоговым показателем служит предел прочности цемента на сжатие с усредненным показателем относительно возраста испытываемого образца: 2, 7, 28 дней.

Кроме основных для цементов конкретных видов могут быть установлены дополнительные классы прочности или ограничения по применяемым классам. Для цементов некоторых специальных видов с учётом назначения допускается устанавливать только один класс прочности или устанавливать значения прочности, отличающиеся от указанных.

Классификация цементов по скорости твердения

По скорости твердения общестроительные цементы подразделяют на подклассы прочности: 

H — нормальнотвердеющие с нормированием прочности в возрасте 2 (7) и 28 суток;

Б — быстротвердеющие с нормированием прочности в возрасте 2 суток, повышенной по сравнению нормальнотвердеющими, и 28 суток; 

М — медленнотвердеющие с нормированием начальной прочности в возрасте 7 (2) суток, пониженной по сравнению с нормальнотвердеющими цементами, и 28 суток.

Иногда выделяют ОБТЦ — особобыстротвердеющий цемент, способный достичь начальной прочности всего через несколько часов.

Быстротвердеющий цемент, также известный как цемент высокой ранней прочности, представляет собой тип цемента, который приобретает более высокую прочность в раннем возрасте по сравнению с обычным портландцементом. Свойства быстрого схватывания и затвердевания этого цемента делают его пригодным для различных строительных применений, где решающее значение имеет ранний набор прочности.

Быстротвердеющий цемент достигает высокой прочности в первые дни и используется в тех сферах строительства, где опалубка снимается на ранней стадии. Этот цемент имеет повышенное содержание извести, отличается более тонким помолом, что обеспечивает более высокую прочность на ранних стадиях твердения, чем общестроительные цементы.

Быстротвердеющий цемент часто используется для ремонтных и эксплуатационных работ, где важны быстрое схватывание и ранняя прочность, например, для бетонирования в холодную погоду.

Классификация цементов по срокам схватывания

По срокам схватывания цементы подразделяют на: 

• медленносхватывающиеся с нормируемым сроком начала схватывания более 2 ч; 
• нормальносхватывающиеся с нормируемым сроком начала схватывания от 45 мин. до 2 ч; 
• быстросхватывающиеся — с нормируемым сроком начала схватывания менее 45 мин.

Быстросхватывающийся цемент схватывается раньше чем другие виды, а скорость набора прочности аналогична обычному портландцементу. Он используется там, где работы должны быть завершены в очень короткий срок, а также при бетонировании в стоячей или проточной воде.

Некоторые распространённые разновидности цементов

Ниже перечислены некоторые из популярных видов цементов с указанием особенных свойств, назначения и сферы применения.

Пуццолановый портландцемент

Пуццолановый портландцемент получают путем измельчения пуццоланового клинкера. Обладает высокой устойчивостью к различным химическим воздействиям по сравнению с обычным портландцементом и широко используется в морских конструкциях, канализационных сооружениях, сточных системах, а также для укладки бетона под водой, например, при строительстве мостов, пирсов, плотин, массовых бетонных сооружений и т. д.

Сульфатостойкий цемент

Сульфатостойкий цемент используется для снижения риска сульфатного воздействия на бетон и применяется при строительстве фундаментов с высоким содержанием сульфатов в почве.

Сульфатостойкий цемент, также известный как цемент типа V, представляет собой тип гидравлического цемента, разработанный для защиты от вредного воздействия сульфатов. Сульфатная атака происходит, когда сульфаты, присутствующие в почве или воде, вступают в реакцию с компонентами бетона, что приводит к образованию расширяющихся и разрушающих соединений. Сульфатостойкий цемент разработан для обеспечения повышенной устойчивости к этому типу химического разрушения. 

Состав сульфатостойкого цемента аналогичен обычному портландцементу, но может содержать более высокий процент трикальциевого алюмината и более низкий процент дикальциевого силиката. Более низкое содержание трикальциевого алюмината особенно важно, поскольку именно он чувствителен к сульфатной атаке.

Бетон, используемый на очистных сооружениях, подвергается воздействию сульфатсодержащих сточных вод, что делает сульфатостойкий цемент подходящим выбором для защиты от воздействия сульфатов в таких средах.

В районах, где почва содержит высокий уровень сульфатов, например, в обширных глинистых почвах, сульфатостойкий цемент может быть рекомендован для фундаментов, чтобы предотвратить повреждение, вызванное сульфатами.

Использование сульфатостойкого цемента повышает долговечность бетона в средах, подверженных воздействию сульфатов, снижая риск разрушения и продлевая срок службы конструкций.

Сульфатостойкий цемент обычно дороже обычного портландцемента из-за его специального состава и свойств устойчивости. Соображения стоимости необходимо сопоставить с преимуществами повышенной устойчивости к сульфатам.

Шлакопортландцемент 

Шлакопортландцемент получается при помоле клинкера с содержанием шлака около 60% и по своим свойствам более или менее напоминает портландцемент. Шлак, побочный продукт процесса производства железа в доменных печах, быстро закаливается водой и измельчается в мелкий порошок. Шлаковый цемент представляет собой тип цемента, получаемого путём измельчения портландцементного клинкера и гранулированного доменного шлака. Можно использовать для работ, где преобладают экономические факторы.

Шлакопортландцемент обычно на 30-70% состоит из гранулированного доменного шлака, а оставшаяся часть представляет собой клинкер из обычного портландцемента (OPC). Точный состав может варьироваться в зависимости от конкретных требований и стандартов.

Гранулированный доменный шлак является побочным продуктом процесса производства железа в доменных печах. Это стекловидный зернистый материал, который при тонком измельчении обладает цементирующими свойствами. Использование шлака в производстве цемента способствует устойчивому развитию за счёт утилизации промышленных отходов.

Добавление гранулированного доменного шлака в цемент приводит к более медленному процессу гидратации по сравнению с обычным портландцементом. Постепенность гидратации способствует долговременному развитию прочности и долговечности бетона.

ШПЦ обычно обличает более длительное время схватывания по сравнению с портландцементом. Это свойство может быть полезным в проектах, где требуется увеличить время работы с раствором.

ШПЦ имеет тенденцию выделять меньше тепла в процессе гидратации по сравнению с портландцементом. Эта характеристика полезна в больших бетонных конструкциях, где необходимо свести к минимуму проблемы, связанные с нагревом, такие как термическое растрескивание.

ШПЦ характеризует улучшенная удобоукладываемость: использование шлакового цемента часто приводит к улучшению удобоукладываемости бетона. Более мелкие частицы ШПЦ способствуют получению более гладкой и связной смеси.

Бетон, изготовленный из шлакового цемента, имеет тенденцию проявлять повышенную долговечность из-за пуццолановых реакций между шлаком и гидроксидом кальция, что приводит к образованию дополнительных вяжущих соединений. Это может улучшить устойчивость к сульфатным атакам и реакциям щелочных веществ.

Глиноземистый (высокоглиноземистый) цемент

Высокоглинозёмистый цемент, также известный как кальциево-алюминатный цемент, характеризующийся высоким процентом содержания глинозёма (Al₂O₃), получают путём плавления смеси известняка и бокситов (алюминиевой руды) при температуре 1200°C. Полученный таким образом высокоглиноземистый цемент в основном состоит из алюмината монокальция (CaAl₂O₄) в качестве основной фазы клинкера, а также алюмината дикальция (Ca₂Al₂O₅) и других фаз. Используется для бетонных конструкций, подверженных воздействию огня, таких как печи и паровые трубы.

Белый цемент

Белый цемент производится из чисто белого или особо чистого сырья с низким содержанием железа и марганца и используется в декоративных целях, например, для облицовки каменной кладки, полов, а также для изготовления белого бетона.

Белый цемент измельчается до более мелкого размера частиц по сравнению с серым цементом. Более мелкие частицы придают готовому бетону гладкий кремовый вид.

Белый цемент обычно используется в архитектурном бетоне, где важна эстетика. Его часто выбирают для фасадов зданий, памятников и сооружений, где желательна белая или светлая отделка.

Белый цемент является ключевым компонентом в производстве терраццо, декоративного материала для пола, состоящего из крошек мрамора, гранита или других заполнителей, встроенных в матрицу белого цемента. Белый цемент также используется при производстве белой или светлой плитки, брусчатки и других сборных железобетонных изделий.

Время схватывания белого цемента аналогично времени схватывания обычного цемента. Тем не менее, важно следовать надлежащим методам отверждения для достижения желаемой прочности и долговечности.

Цветной цемент

Цветной цемент производится путем добавления пигментов в процессе помола и используется в декоративных целях, например, для облицовки каменной кладки, полов, а также для изготовления цветного бетона.

Воздухововлекающий цемент

Воздухововлекающий цемент производится путем добавления в процессе помола воздухововлекающего агента, который удерживает микроскопические пузырьки воздуха в бетоне, повышая его обрабатываемость и устойчивость к замораживанию и оттаиванию.

Расширяющийся цемент

Расширяющийся или экспансивный цемент производится путём добавления в процессе помола экспансивных материалов, которые расширяются в процессе гидратации, что делает его идеальным для применения там, где бетон может подвергнуться усадке и растрескиванию.

Гидрофобный цемент

Гидрофобный цемент производится путём добавления водоотталкивающих веществ в процессе помола, или же таких добавок как, например, стеарат кальция или олеиновая кислоты, что делает его идеальным для применения в тех случаях, когда бетон может быть подвержен проникновению воды, например, в морских сооружениях.

Каждый тип цемента обладает уникальными свойствами и характеристиками, которые делают его подходящим для конкретных задач. Обычный портландцемент — универсальное решение для большинства общестроительных работ. Белый цемент, портланд-пуццолановый цемент, доменный шлаковый цемент и высокоглиноземистый цемент отвечают особым эстетическим, экологическим требованиям и требованиям долговечности.