Марки и классы портландцемента: методические указания по дисциплине Строительные материалы

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

Т.Н. АКИМОВА

МАРКИ И КЛАССЫ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

Кафедра дорожно-строительных материалов

Утверждаю Зав. кафедрой доцент ______________ Н.В. Быстров «___» ___________ 2014 г.

Т.Н. АКИМОВА

МАРКИ И КЛАССЫ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА Методические указания по дисциплине «Строительные материалы»

МОСКВА МАДИ 2014

УДК.691-033.2 ББК 38.32 А391

Акимова, Т.Н. А391 Марки и классы портландцемента: методические указания по дисциплине «Строительные материалы» / Т.Н. Акимова. – М.: МАДИ, 2014. – 12 с.

Методические указания посвящены одной теме – классификации и характеристикам цементов (по маркам и классам) – в связи с переходом на новый стандарт: от разделения цементов на марки (ГОСТ 10178-85) к разделению цементов на классы (ГОСТ 31108-2003). Приведены технические условия на цемент, методики определения марок и классов цемента по двум стандартам и усреднѐнные соотношения между ними. Методические указания предназначены для студентов, изучающих дисциплины «Строительные материалы», «Дорожное материаловедение».

УДК.691-033.2 ББК 38.32 © МАДИ, 2014

3

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Портландцемент – основа современного строительства. Он применяется для изготовления бетона и железобетона различного назначения: для несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений, пролетных строений и опор мостов, оснований и покрытий автомобильных дорог, гидротехнических сооружений и т.п. Портландцемент – гидравлическое минеральное вяжущее, для твердения которого предпочтительными, а часто необходимыми, являются влажные или водные условия твердения в отличие от воздушных минеральных вяжущих (гипсовых, воздушной извести), которые твердеют только в сухих условиях. Сырьем для производства портландцемента служат известняки (75…78%) и глины (22…25%), Используются и другие виды карбонатных пород с высоким содержанием углекислого кальция: плотный известняк, мел, известняк-ракушечник, известковый туф и т.п., т.е. породы, состоящие в основном из СаСО3, а также побочные продукты промышленности, содержащие необходимые для получения клинкера составные части (СаО, Al2O3, SiO2, Fе2О3): доменные шлаки, нефелиновый шлам. Хорошим сырьѐм для портландцемента являются мергели – природная смесь известняка и глины. Производство портландцемента включает в себя в основном следующие операции: добычу и подготовку сырья; приготовление и корректировку сырьевой смеси (шихты, шлама); обжиг до спекания (t ≈ 1450°C) и получение клинкера; помол клинкера, в том числе совместно с добавками. Минералогический состав клинкера, образующийся в результате обжига, и получаемого из него портландцемента представлен в табл.1. Таблица 1 Минералогический состав клинкера портландцемента Формула

Сокращенное обозначение

Примерное содержание в клинкере, %

Трехкальциевый силикат (алит)

3СаО∙SiO2

C3S

40…65

Двухкальциевый силикат (белит)

2СаО∙SiO2

C2S

15…40

ЗСаО∙Al2O3

C3A

5…15

4СаО∙Al2O3∙Fе2О3

C4AF

10…20

Название минерала

Трехкальциевый алюминат Четырехкальциевый алюмоферрит

4

Однако минералогический состав портландцемента отличается от минералогического состава исходного клинкера тем, что портландцемент содержит ещѐ и добавки, вводимые при помоле клинкера: двуводный гипс СаSO4∙2Н2О до 5%, а также при необходимости активные минеральные добавки – диатомит, трепел, опоку, доменные гранулированные шлаки и др. Основной минералогический состав, количественное содержание минералов существенно влияют на свойства цемента. Важнейший минерал портландцементного клинкера трехкальциевый силикат – алит – 3СаО∙SiO2 (условное обозначение С3S) быстро твердеет и обладает высокой прочностью. При твердении он выделяет достаточно много тепла. Двухкальциевый силикат – белит – 2СаО∙SiO2 (С2S) медленно схватывается и твердеет, но с течением времени прочность его неизменно возрастает и оказывается весьма высокой через 1–2 года твердения. При гидратации выделяет мало тепла, Трехкальциевый алюминат ЗСаО∙Al2O3 (С3A) является наиболее быстро гидратирующимся минералом: он быстро схватывается и твердеет. Но достигнутая в первые сроки твердения прочность в дальнейшем мало или почти не возрастает. Трехкальциевый алюминат при твердении выделяет много тепла: больше, чем какой-либо другой минерал. Четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО∙Al2O3∙Fе2О3 (С4AF) твердеет достаточно быстро, обладает невысокой прочностью и выделяет умеренное количество тепла (занимает положение примерно между трехкальциевым и двухкальциевым силикатами). С4AF не обладает ярко выраженными свойствами, как предыдущие минералы, и не оказывает определяющего влияния на свойства портландцемента. Присутствие в цементе свободных СаО и МgО может привести к неравномерному изменению объѐма, образованию трещин в твердеющем цементном камне. При испытании портландцемента обязательным опытом является проверка на равномерность изменения объема при твердении. Основное свойство цемента – это способность цементного теста терять пластичность, набирать прочность и превращаться в искусственный камень, обладающий значительной прочностью. По прочности через 28 суток твердения цементы подразделяются на марки (по старому стандарту ГОСТ 10178-85) и классы (по новому стандарту ГОСТ 31108-2003). Марка и класс цемента – это прочностные характеристики, определяемые при строгом соблюдении ряда условий (т.е. строго по стандарту). У одного и того же цемента в зависимости от методики испытания можно определить и марку, и класс. В России цементы по

5

прочности изначально подразделялись на марки (старый стандарт). В целях гармонизации с европейскими стандартами цементы по прочности разделили на классы (новый стандарт). Однако в настоящее время (до 2015 г.) в нашей стране действуют оба стандарта. 2. МАРКИ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА (ГОСТ 10178-85) Требования по прочности для марок портландцемента по ГОСТ 10178-85 представлены в табл. 2. Таблица 2 Марки портландцемента (ГОСТ 10178-85) Марка →

300

400

500

550

600

R28 при сжатии, кгс/см2 (МПа), не менее

300 (29,4)

400 (39,2)

500 (49,0)

550 (53,9)

600 (58,8)

R28 при изгибе, кгс/см2 (МПа), не менее

45 (4,4)

55 (5,4)

60 (5,9)

62 (6,1)

65 (6,4)

Фактический результат предела прочности на сжатие через 28 суток твердения является показателем активности цемента, например: прочность при сжатии через 28 суток твердения составила 435 кгс/см2 (42,6 МПа). Это его активность. Методику определения марки цемента см. в табл. 11. Таблица 3 Портландцементы по ГОСТ 10178-85 Наименование цемента Портландцемент Быстротвердеющий портландцемент * Сульфатостойкий портландцемент Шлакопортландцемент Быстротвердеющий шлакопортландцемент * Сульфатостойкий шлакопортландцемент Пуццолановый портландцемент

Обозначение ПЦ-Д0 ПЦ-Д5 ПЦ-Д20 ПЦ-Д20-Б ССПЦ-Д0, ССПЦ-Д20 ШПЦ

Марки 300, 400, 500, 550, 600 400, 500

300, 400, 500

ШПЦ-Б

400

ССШПЦ

300, 400

ППЦ

300, 400

400, 500

* Для быстротвердеющих цементов определяется прочность и через 3 сут твердения, которая должна быть не ниже значений, обозначенных в табл. 4.

По составу и назначению выпускают различные виды портландцемента (табл. 3), без минеральных добавок (ДО) и с минеральными добавками (Д5 и Д20 – до 5 и 20 % добавок соответственно).

6

Таблица 4 Требования по прочности для быстротвердеющих цементов Обозначение цемента ПЦ-Д20-Б ШПЦ-Б

Марка 400 500 400

Предел прочности в возрасте 3 сут, МПа (кгс/см2), не менее при изгибе при сжатии 3,9 (40) 24,5 (250) 4,4 (45) 27,5 (280) 5,4 (55) 21,5 (220)

Все виды портландцемента могут выпускаться пластифицированными или гидрофобизированными. Обозначение цемента. Например, портландцемент марки 400 с добавками до 20% быстротвердеющий пластифицированный обозначается следующим образом: Портландцемент 400-Д20-Б-ПЛ или ПЦ 400-Д20-Б-ПЛ. В качестве добавок используются доменные гранулированные и электротермофосфорные шлаки, горные породы осадочного происхождения (диатомиты, трепелы, опоки), глиежи (естественно обожженные глины) и др. Цемент для бетона дорожных и аэродромных покрытий Цемент для бетона дорожных и аэродромных покрытий, железобетонных напорных и безнапорных труб, железобетонных шпал, мостовых конструкций, стоек опор высоковольтных линий электропередач должен изготовляться на основе клинкера нормированного состава (буква Н в обозначении цемента) с содержанием трехкальциевого алюмината С3А в количестве не более 8% по массе. Для всех вышеперечисленных изделий можно применять портландцементы 400-Д0-Н и 500-Д0-Н. Для труб, шпал, опор, мостовых конструкций независимо от вида добавки применяется ПЦ 500-Д5-Н, Для бетона дорожных и аэродромных покрытий можно использовать цементы ПЦ 400-Д20-Н и ПЦ 500-Д20-Н при применении в качестве добавки доменного гранулированного шлака не более 15%. Начало схватывания портландцемента для бетона дорожных и аэродромных покрытий должно наступать не ранее чем через 2 ч, портландцемента для труб – не ранее чем через 2 ч 15 мин от начала затворения цемента. Не допускается наличие ложного схватывания. 3. КЛАССЫ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА 3.1. Цементы общестроительные (ГОСТ 31108-2003) Методику определения класса цемента см. в табл. 11. Классификацию цементов по ГОСТ 31108-2003 см. в табл. 5–7.

7

Таблица 5 Классификация цементов по вещественному составу Тип цемента

Обозначение ЦЕМ I

Портландцемент Портландцемент с минеральными добавками Шлакопортландцемент Пуццолановый цемент Композиционный цемент

ЦЕМ II ЦЕМ III ЦЕМ IV ЦЕМ V

По содержанию портландцементного клинкера и добавок цементы типов ЦЕМ II – ЦЕМ V подразделяются на подтипы: А – 80–94 %; В – 65–79 %. По прочности на сжатие в возрасте 28 сут цементы подразделяются на классы 22,5; 32,5; 42,5; 52,5. По прочности на сжатие в возрасте 2 (7) сут (скорости твердения) (кроме класса 22,5) цементы подразделяются на: нормально твердеющий – Н; быстротвердеющий – Б Таблица 6 Применяемые активные минеральные добавки и их обозначение Добавка

Обозначение Ш П З Г МК И

Шлак Пуццолана Зола-унос Глиеж Микрокремнезѐм Известняк

При изготовлении цементов ДП и ЖИ в качестве вспомогательного компонента (активной минеральной добавки) допускается применять только доменный гранулированный шлак

Класс прочности цемента 22,5Н 32,5Н 32,5Б 42,5Н 42,5Б 52,5Н 52,5Б

Прочность на сжатие, МПа, в возрасте 2 сут, не менее

7 сут, не менее

– – 10 10 20 20 30

11 16 – – – – –

28 сут

Начало схватывания, мин, не ранее

не менее 22,5

не более 42,5

32,5

52,5

42,5

62,5

60

52,5

–

45

Равномерность изменения объѐма (расширение) мм, не более

Таблица 7 Требования к физико-механическим свойствам цементов

75 10

8

Примеры условных обозначений. 1. Портландцемент класса 42,5 быстротвердеющий: Портландцемент ЦЕМ I 42,5Б ГОСТ 31108-2003. 2. Портландцемент со шлаком (Ш) от 21 до 35 %, класса прочности 32,5, нормальнотвердеющий: Портландцемент со шлаком ЦЕМ II/В-Ш 32,5Н ГОСТ 31108-2003. 3. Портландцемент с известняком (И) от 6 до 20 %, класса прочности 32,5, нормальнотвердеющий: Портландцемент с известняком ЦЕМ II/А-И 32,5Н ГОСТ 31108-2003. 4. Композиционный портландцемент с суммарным содержанием доменного гранулированного шлака (Ш), золы-уноса (З) и известняка (И) от 6 до 20 %, класса прочности 32,5, быстротвердеющий: Композиционный портландцемент ЦЕМ II/А-К(Ш-З-И) 32,5Б ГОСТ 31108-2003. 3.2. Цементы для транспортного строительства (ГОСТ Р 55224-2012) Для транспортных сооружений различного назначения предназначены соответствующие цементы (табл. 8). К ним в отличие от общестроительных цементов предъявляются требования по пределу прочности при изгибе (табл. 9) и дополнительные требования по минералогическому составу клинкера (табл. 10), а также требования по срокам схватывания и тонкости помола (удельной поверхности) цементов. Таблица 8 Типы и классы прочности цементов для транспортного строительства (ГОСТ Р 55224-2012) Назначение цемента 1 Для бетона дорожных и аэродромных покрытий

Типы цементов Обозначение по вещественному составу 2 3

Классы прочности цементов 4 32,5Н; 32,5Б; 42,5Н; 42,5Б; 52,5 Н; 52,5Б

ДП

ЦЕМ I, ЦЕМ II/А-Ш

Для бетона дорожных оснований

ДО

ЦЕМ II/А-Ш, ЦЕМ II/В-Ш, ЦЕМ III/А, ЦЕМV/А

32,5Н; 32,5Б; 42,5Н

Для железобетонных изделий и мостовых конструкций

ЖИ

ЦЕЕМ I, ЦЕМ II/А-Ш

32,5Н; 32,5Б; 42,5Н; 42,5Б; 52,5 Н; 52,5Б

9

Продолжение табл. 8 1

2

Для укрепления грунтов

3 Типы не устанавливают. Содержание минеральных добавок допускается до 80 % массы цемента без учѐта материалов, содержащих сульфат кальция

УГ

4

22,5Н; 32,5 Н

Таблица 9 Прочность цементов для транспортного строительства на растяжение при изгибе (ГОСТ Р 55224-2012) Срок испытаний, сут

Прочность на растяжение при изгибе, МПа, не менее, цемента класса 32,5Н

32,5Б

42,5Н

42,5Б

52,5Н

52,5Б

2

–

3,9

3,9

4,1

4,1

4,4

7

4,1

–

–

–

–

–

28

5,5

5,5

6,0

6,0

6,5

6,5

Таблица 10 Дополнительные требования к минералогическому составу клинкера для цементов для транспортного строительства Содержание минерала, % массы клинкера, применяемого для изготовления цемента Минерал

Для бетона дорожных и аэродромных покрытий (ДП) 7

Для железобетонных изделий и мостовых конструкций (ЖИ) 7

Сумма С3А + С4АF, не более

24

–

C3S, не менее

55

55

С3А, не более

Начало схватывания цементов ДП и ЖИ должно наступать не ранее чем через 2 ч от начала затворения. Удельная поверхность цементов ДП и ЖИ должна быть не менее 270 м2/кг и не более 350 м2/кг.

10

4. МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ЦЕМЕНТА В табл. 11 представлены методики определения прочности цемента для установления его марки или класса. Таблица 11 Методики определения прочности цемента Показатели, операции 1 Соотношение Ц : П

Старый стандарт ГОСТ 310.4 2 1:3

Новый стандарт ГОСТ 30744-2001 3 1:3

Характеристика песка

Монофракционный Размер зѐрен 0,5…0,9 мм, Содержание SiO2 не менее 98 %

Полифракционный Фракции: Тонкая 0,08…0,5 мм, Средняя 0,5…1,0 мм, Крупная 1,0…2,0 мм Их соотношение 1 : 1 : 1

Навеска цемента, г Навеска песка, г

500 1500

450 1350

В/Ц

В зависимости от расплыва конуса в пределах 106…115 мм (обычно ≈ 0,4)

0,5

Приготовление растворной смеси

Определение подвижности растворной смеси Образцы

Уплотнение

Хранение

Перемешивание: – цемента и песка вручную 1 мин, – цемента, песка и воды вручную 1 мин, – цемента, песка и воды в растворомешалке 2,5 мин Расплыв конуса на встряхивающем столике (30 встряхиваний за 30 с)

Перемешивание в стандартной мешалке по методике 6 мин)

_

Балочки 4 х 4 х 16 см На автоматическом встряхивающем столике На виброплощадке в два цикла (два слоя) в течение 3 мин по 60 ударов для каждого слоя 1 – В формах (24 ± 1) ч в камере влажного хранения при температуре (20 ± 1)°с; 2 – Затем, после расформовки, в воде при температуре (20 ± 1)°с до испытания в зависимости от срока испытания

11

Продолжение табл. 11 1

Определение прочности при изгибе

Определение прочности при сжатии

2

3

Принимают среднеарифметическое двух наибольших результатов испытания трѐх образцов

Принимают среднеарифметическое результатов испытания трѐх образцов

Принимают среднеарифметическое четырѐх наибольших результатов испытания шести половинок образцов-балочек

Принимают среднеарифметическое шести наибольших результатов испытания шести половинок образцовбалочек

5. УСРЕДНЁННОЕ СООТНОШЕНИЕ Соотношение между марками и классами цемента можно определить по данным табл. 12. При испытании цементов по различным методикам (в частности, В/Ц ≈ 0,4 и ВЦ = 0,5) прочностные характеристики будут отличаться. Для перехода от марки к классу (и наоборот) можно считать, что класс 22,5 соответствует марке 300; 32,5 – марке 400; 42,5 – марке 500; 52,5 – марке 600. Таблица 12 Усреднѐнное соотношение между марками цемента по ГОСТ10178 (старый) и классами прочности по ГОСТ 31108 и ГОСТ Р 55224 (новые)

300

29,4…39,1

20,7…32,6

76,9

Класс прочности цемента по ГОСТ 31108 и ГОСТ Р 55224 22,5

400

39,2…48,9

32,7…44,6

87,3

32,5; 42,5

500

49,0…53,8

44,7…50,7

92,6

42,5

550

53,9…58,7

50,8…56,7

95,3

42,5; 52,5

600

58,8…68,6

56,8…68,6

98,2

52,5

ГОСТ 10178 (старый) Марка Нормативная цемента прочность, МПа

Расчѐтная прочность по ГОСТ 31108 и ГОСТ 55224, МПа

Среднее соотношение R31108/R10178, %

12

СОДЕРЖАНИЕ 1. Общие сведения ..................................................................................... 3 2. Марки портландцемента (ГОСТ 10178-85) .......................................... 5 3. Классы портландцемента ...................................................................... 6 3.1. Цементы общестроительные (ГОСТ 31108-2003)........................ 6 3.2. Цементы для транспортного строительства (ГОСТ Р 55224-2012) ....................................................................... 8 4. Методики определения прочности цемента ...................................... 10 5. Усреднѐнное соотношение .................................................................. 11

Учебное издание

АКИМОВА Тамара Николаевна МАРКИ И КЛАССЫ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА Методические указания по дисциплине «Строительные материалы»

Редактор Н.П. Лапина

Подписано в печать 14.11.2014 г. Формат 60×84/16 Усл. печ. л. 0,75. Тираж 75 экз. Заказ . Цена 20 руб. МАДИ, 125319, Москва, Ленинградский пр-т, 64.