Влияние видов цемента (бетона) на стойкость при агрессивных средах

Развитие технологии производства цемента привело к возникновению множества его видов. Внедрение ресурсосбережения позволило использовать отходы других отраслей промышленности для изготовления вяжущего. Повышение экологических требований и внедрение современных методов воздухоочистки способствовали снижению производственных потерь, улучшили санитарные условия на предприятиях, повысили экономическую эффективность. Все это, бесспорно, положительные факторы. Однако есть и отрицательные, заметить которые удалось лишь по прошествии времени. По данным зарубежных исследователей [см. P.K.Mehta, P.J.M.Monteiro. Concrete: Microstructure, Properties and Materials. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1993; Reduction of Concrete Deterioration by Ettringite Using Crystal Growth Inhibition Techniques - Final Report, May 2001, Iowa DOT TR-431], в последние годы увеличилось число случаев коррозионного разрушения бетонных конструкций в результате реакций взаимодействия щелочей цементного камня и кремнеземсодержащего заполнителя.

С чем это связано? Внедрение новых систем очистки атмосферного воздуха позволило улавливать мельчайшие частицы цементной пыли, которые до этого выносились в окружающую среду. Концентрация NaO и КО в этих частицах оказалась значительно выше, чем в более грубых фракциях вяжущего. Возврат пыли привел к общему повышению содержания оксидов натрия и калия в портландцементе. Кроме того, участились случаи изготовления бетонных смесей на местных заполнителях, содержащих реакционно-активный кремнезем. Все это и вызвало снижение стойкости бетонов к реакциям взаимодействия с кремнеземом. Поэтому, хотя на различающихся по составу цементах могут быть получены одинаковые по прочностным свойствам бетоны, для формирования коррозионной стойкости большее значение будет иметь химический и минералогический состав вяжущего. В связи с этим для создания материала, устойчивого к действию агрессивных сред, необходимо иметь четкие представления о нормативах, регламентирующих состав цементов. Первые стандарты качества для них были разработаны в 1877 году ассоциацией немецких производителей цемента и содержали требования к тонкости помола клинкера, времени схватывания, прочности при сжатии и изгибе. Эти показатели стали отмечать на упаковке. Само понятие "портландцемент" впервые появилось в стандарте, введенном в 1886 году: продукт, образованный при обжиге до спекания смеси извести и глиносодержащих материалов. Позже появились специальные виды цементов, например для гидротехнических сооружений (сикофикс-цемент и антиаква-цемент), в которых предлагалось использовать вяжущее, получаемое путем совместного помола портландцементного клинкера с различными битумизирующими веществами.

В нашей стране в 1819-1821 годах изучение гидравлических вяжущих было проведено в Петербурге группой работников Института инженеров путей сообщения. Результаты этого исследования были опубликованы в 1822 году профессором строительного дела Шарлевилем. Обязательное введение гидравлических добавок в портландцемент, предназначенный для морских сооружений, было предложено в 1908 году С.И.Дружининым на Международном конгрессе по судоходству в Петербурге. Производство пуццоланового портландцемента начато в 1923 году в Новороссийске. В это же время в Брянске В.М.Юнгом получен кремнеземистый портландцемент с высоким силикатным модулем для повышения сульфатостойкости строительного материала. Нельзя не отметить также работы С.В.Шестоперова (1936 год) по составлению рекомендаций для стандартизации гидротехнического цемента. В 1941 году вступил в действие ГОСТ 970, который в последующем дорабатывался. А с 1985 года по настоящее время действует ГОСТ 10178 "Портландцемент и шлакопортландцемент".

Развитие процессов глобализации и объединение Европы доказало, что необходима общая система, в том числе и для классификации, которая позволила бы унифицировать требования к производимым в различных странах цементам. Так появился единый европейский стандарт EN 197-1:2001, а в России с 1 сентября 2004 года на его основе введен в действие ГОСТ 31108 "Цементы общестроительные". Теперь изготовляемые европейской цементной промышленностью материалы делят на 5 видов:

    - ЦЕМ I - портландцемент (СЕМ I - Portland Cement),

    - ЦЕМ II - портландцемент с добавками (СЕМ II - Portland Composite),

    - ЦЕМ III - шлакопортландцемент (СЕМ III - Blastfurnace Cement),

    - ЦЕМ IV - пуццолановый портландцемент (СЕМ IV - Pozzolanic Cement),

    - ЦЕМ V - композиционный портландцемент (СЕМ V - Composite Cement).

Например, ЦЕМ II/А-И 42,5Б. Подкласс И в маркировке указывает на наличие известняка. Присутствие других добавок обозначается следующим образом: Ш - гранулированный шлак, З - зола-унос, МК - микрокремнезем, Г - глиеж или обожженный сланец, П - пуццоланы. Последняя буква в маркировке указывает на скорость твердения: Б - быстротвердеющий, Н - нормально твердеющий.

Однако во многих странах система требований к цементам строится на базе стандартов Американского общества испытания материалов (ASTM). Согласно ASTM C565, портландцемент также разделен на 5 основных категорий, отличающихся от рассмотренных выше:

    - тип I - портландцемент (Portland Cement)

    - тип IA - портландцемент с воздухововлекающими добавками (Air-entraining Portland Cement);

    - тип II - сульфатостойкий портландцемент (Sulfate Resisting Cement)

    - тип IIА - сульфатостойкий портландцемент с воздухововлекающими добавками (Air-entraining Sulfate Resisting Cement);

    - тип III - быстротвердеющий портландцемент (Rapid-hardening Cement)

    - тип IIIА - быстротвердеющий портландцемент с воздухововлекающими добавками (Air-entraining Rapid-hardening Cement);

    - тип IV - портландцемент с низким тепловыделением (Lowheat Cement);

    - тип V - высокосульфатостойкий портландцемент (Super Sulfate-resisting Cement).

Для цементов, отнесенных к типу II, предусмотрено ограничение максимального содержания СА и SO - 6% и 2,5% соответственно, а для цементов типа V - 3,5% и 1,8%.

Выбор типа цемента при производстве строительных изделий и конструкций определяется в первую очередь агрессивностью среды, в которой будет работать бетон. Вместе с тем цемент одновременно должен удовлетворять целому ряду требований, обусловливающих оптимальную технологию приготовления бетонной смеси, ее транспортировку, укладку и получение бетона проектной марки по прочности, водонепроницаемости, коррозионной стойкости. Так, цементы с повышенным количеством CS и CAF отличаются замедленным твердением и незначительным тепловыделением. Повышенное содержание алюминатов обеспечивает быстрый набор прочности в ранние сроки, но эти цементы характеризуются пониженной сульфато- и морозостойкостью. Для изготовления бетонных и железобетонных конструкций зданий и сооружений, эксплуатирующихся в условиях агрессивных сред, кроме портландцемента, применяют: пуццолановый портландцемент, портландцемент с минеральными добавками, сульфатостойкий, глиноземистый или кислотоупорный цемент.