Сегодня строительный комплекс страны нуждается в большом количестве насущного "хлеба страны" - цемента. Его для реализации Национального проекта "Доступное и комфортное жилье - гражданам России" потребуется в ближайшие годы 80-90 миллионов тонн. Большой спрос получают специальные цементы. Речь идет о сверхбыстротвердеющих, жаропрочных, коррозионно-стойких, расширяющихся, алюминатных цементах. Они используются при строительстве зданий и сооружений, подвергающихся агрессивному воздействию среды, при бурении нефтяных и газовых скважин, при строительстве тепловых агрегатов в различных отраслях промышленности. Для создания водонепроницаемых покрытий и защиты от излучений, для строительных работ в отдаленных районах страны с различными климатическими условиями.

Сперва о расширяющихся цементах. Их производство основано на совместном измельчении портландцемента, добавок и гипса. В качестве расширяющейся добавки используются промышленные продукты, которые содержат алюминаты кальция, сульфатированные клинкеры.

Практика показала, что использование таких клинкеров позволяет получать более однородный по качеству цемент со стабильными свойствами, поскольку технология их производства в максимальной степени обеспечивает регулирование фазового состава и микроструктуры спецклинкеров, вещественного состава дисперсности расширяющихся цементов.

Сульфатированные клинкеры разделяются на три типа: сульфо-ферритные, сульфоалюмоферритные, сульфоалюминатные. Во всех этих клинкерах второй по значимости является фаза C2S, поскольку почти все природные материалы и промышленные отходы содержат значительное количество кремнезема. Соотношение между этими фазами во многом определяет свойства получаемых цементов. Кроме того, в природных материалах содержатся другие примесные компоненты, которые также оказывают влияние на фазовый состав и свойства клинкеров.

Расширение таких цементов на основе указанных клинкеров на всех этапах твердения обусловливается не только количеством образующегося в этот период эттрингита, но зависит и от прочности формирующейся структуры. Электронно-микроскопические исследования показали, что структура цементного камня плотная, поровое пространство заполнено эттрингитом, гидрооксидами железа и алюминия, гелеобразной фазой гидросиликатов кальция. Большая степень гидратации, высокая плотность цементного камня обусловливает повышение его прочности.

Чтобы цементы обладали высокой прочностью и самонапряжением, необходимо формирование прочной структуры во все сроки твердения, то есть надо использовать быстротвердеющие высокопрочные цементы. Когда равновесие сил, вызывающих расширение и упрочнение структуры твердеющего цемента, нарушается, цемент либо проявляет высокую прочность без заметного расширения, либо разрушается под воздействием больших напряжений, вызываемых образованием эттрингита. В этом случае ограничение свободного расширения образца путем одноосного или двуосного армирования предотвращает деструктивные процессы.

Обеспечения этих условий можно достичь и рациональной дисперсностью как портландцементной, так и сульфатированной составляющей композиционных цементов. На свойства расширяющихся цементов также оказывает большое влияние вид сульфатированного компонента. При использовании сульфоалюми-натного клинкера можно получать быстротвердеющие и быстросхватывающиеся напрягающие цементы. Они незаменимы при ремонте транспортных магистралей и тоннелей, где необходимо предотвратить фильтрацию жидкостей, находящихся под напором. Для создания водонепроницаемых бетонов в этих условиях нужны цементы с коротким периодом схватывания: начало - не позднее 5-6 минут, а окончание схватывания - не позднее 15-20 минут.

Сульфожелезистые расширяющиеся цементы имеют сроки схватывания аналогичные величинам портландцемента (начало схватывания - 2-3 часа, конец - 4-5 часов). Кинетика образования железосодержащего эттрингита при гидратации сульфоферритного и сульфоалюмоферритного клинкеров обеспечивает значительное уплотнение твердеющей системы и тем самым высокие прочностные показатели бетонов.

Важную роль играют коррозионно-стойкие цементы. Ведь защита строительных конструкций от коррозии является весьма важной задачей. Ее решение направлено на увеличение срока службы конструкций зданий и сооружений различного назначения. По разным статистическим оценкам, от 15 до 75% конструкций подвергается воздействию агрессивных сред. Соответственно исследования и разработки многих ученых предопределили возможность организации производства коррозионно-стойких цементов. К настоящему времени классифицированы и нормированы составы агрессивных сред с учетом скорости их притока к поверхности конструкций, предложены составы и технологии производства сульфатостойких и сверхсульфатостойких цементов. Сегодня работы по повышению долговечности железобетонных конструкций, находящихся под воздействием агрессивных сред, успешно продолжаются в НИИЖБ.

В этом плане перспективны сульфожелезистые цементы. Они имеют нормальные сроки схватывания, обеспечивают хорошие реологические свойства цементных растворов и бетонов, высокую коррозионную стойкость. Поэтому эти цементы используются для строительства долговечных сооружений: дамб, каналов, нефтяных и газовых скважин.

Высокая эффективность применения коррозионно-стойких цементов на сульфоферритной и сульфоалюмоферритной основе наблюдается при службе бетонных и железобетонных изделий и конструкций в условиях вечной мерзлоты. Например, в Якутии многие сооружения стоят десятки лет и даже при агрессивном воздействии сохраняют свою прочность.

Особенно надо сказать об алюминатных цементах. В России они выпускаются в виде глиноземистого цемента. Отработана технология получения особо чистого высокоглиноземистого вяжущего и цемента апюмотермического производства.

При содержании Аl₂О₃ до 50% цемент называют глиноземистым, а более 50% - высокоглиноземистым. Граница между глиноземистым и высокоглиноземистым цементами достаточно условна и требует дополнительных исследований и теоретического обоснования, так как глиноземистый цемент очень чувствителен к температуре внешней среды при его изготовлении, а высокоглиноземистый цемент можно подвергать тепловой обработке.

На основе глиноземистых цементов при соответствующих огнеупорных заполнителях (например, шамотных) изготавливаются жаростойкие бетоны с температурой применения 1300-1400°С без тонкомолотых добавок. В то же время нежелательно использовать этот вид бетона при температурах 600-700°С из-за его низкой прочности в этом интервале температур. Кроме того, необходимо учитывать, что при изготовлении изделий на этом виде вяжущего необходим строгий контроль температуры бетонной смеси при ее твердении. Если температура будет выше 40°С, то в результате перекристаллизации гидроалюминатов кальция бетон потеряет свою прочность.

Для повышения огнеупорности глиноземистого вяжущего можно в его состав вводить тонкодисперсные материалы (тонкость помола не меньше, чем у цемента) с огнеупорностью не ниже, чем максимальная температура применения бетона, или материалы, которые при нагреве в результате реакций в твердой фазе с вяжущим образуют высокоогнеупорные соединения без легкоплавких эвтектик. Например, оксид магния, связывающий кремнезем цемента в фостерит и шпинели, огнеупорную глину. Связку можно поризовать введением материалов, которые выгорают при высокой температуре.

Вяжущее на основе жидкого стекла обладает высокими адгезионными свойствами, но для его твердения, снижения усадки при нагреве, повышения огнеупорности и плотности в него вводятся специальные добавки. При твердении жидкого стекла с добавками-отвердителями в вяжущем должны протекать процессы как химического взаимодействия с выделением Si(OH)4, так и коллоидного с образованием высокомодульных щелочных силикатов. В течение трех суток воздушно-сухого хранения такое вяжущее набирает почти 100% прочность.

Этим требованиям отвечают такие добавки-отвердители: кремнефторид натрия, β и γ-формы моносиликата и дисиликата кальция, силикаты магния. Эти химические соединения содержатся в таких материалах, как белитовые шламы, саморассыпающиеся металлургические шлаки. В зависимости от вида тонкомолотой добавки огнеупорность вяжущего колеблется от 1300 до 1700°С.

Для повышения термической стойкости в составах жаростойких бетонов на жидком стекле следует использовать соответствующие термостойкие заполнители, например, кордиерит и карборунд.

Композиционное жаростойкое (щелочно-силикатное) вяжущее готовится совместным измельчением огнеупорных материалов (например, шамота) с силикат-глыбой. При тепловой обработке изделий из бетона на основе такого вяжущего силикат-глыба растворяется, полученная жидкостекольная связка высыхает и склеивает огнеупорный наполнитель. Созданная структура бетона отличается высокой термостойкостью при минимальном расходе вяжущего.

Сегодня основным направлением совершенствования свойств алюминатных цементов является оптимизация технологических параметров, а именно: фазовый состав клинкера, температура и длительность обжига, степень измельчения, и гомогенность сырьевой смеси, тонкое измельчение цемента для создания оптимального гранулометрического состава.

Исследования проводятся с целью выявления влияния различных добавок к исходной сырьевой смеси на образование твердых растворов различных элементов с основными фазами клинкеров глиноземистых цементов, формирование микроструктуры клинкеров и характера кристаллизации минералов, возможности использования различных отходов в качестве сырьевого компонента. Разрабатываются новые способы получения глиноземистого клинкера, в частности, установлена возможность получения высококачественного цемента в печах плазменного типа.

Новым направлением в развитии глиноземистых цементов является получение композиционных составов. Ранее считалось, что к глиноземистому цементу нельзя добавлять какие-либо материалы. В настоящее время рассматривается возможность использования карбоната кальция, микрокремнезема и других материалов, которые способствуют снижению эффекта конверсии гидратных соединений при длительном твердении цементного камня, повышению его долговечности. Установлено, что глиноземистые цементы могут применяться для сооружения различных конструкций, работающих в условиях кислых сред (рН в пределах 3-4). Высокая коррозионная стойкость, жаростойкость рассматриваемого вида цемента используются при строительстве сооружений, эксплуатируемых в морской воде, для облицовки труб, пропускающих сточные воды, для захоронения радиоактивных отходов, при строительстве тепловых агрегатов.

Теперь о сверхбыстротвердеющих цементах. Они позволяют через 2-6 часов твердения при комнатной температуре производить распалубку изделий и конструкций, а через сутки получать 60-70 процентов нормативной прочности бетона. За рубежом впервые такой цемент начал выпускаться под названием "Regulated Set Cement", затем в Японии - "Jet cement". В нашей стране были выпущены опытные партии сверхбыстротвердеющего галогеносодержащего портландцемента. Однако из-за дефицитности высококачественного глиноземсодержащего сырья и некоторых технологических трудностей эти цементы промышленностью выпускались только в виде опытных партий. Потенциальная потребность в сверхбыстротвердеющих цементах очень велика, поэтому их разработка была направлена на получение из отходов предприятий различных отраслей промышленности кристаллизационных компонентов "крентов", сульфоалюминатного клинкера, добавка которых к портландцементу обеспечила ему необходимые свойства. В 1976 году на Подольском цементном заводе впервые в нашей стране было организовано производство сульфоалюминатного клинкера и на его основе цементов различного назначения.

Сегодня появляется еще одна большая область потребления быстротвердеющих и расширяющихся цементов - это производство сухих строительных смесей. Все современные высокотехнологичные составы смесей включают добавки, обеспечивающие безусадочность или расширение твердеющих систем. В качестве таких добавок эффективно используются тонкоизмельченные сульфатированные клинкера совместно с гипсом.

Таким образом, высокие технические свойства цементов на основе сульфатированных клинкеров обеспечивают решение важных технических проблем, возникающих при строительстве различных сооружений. Данные цементы обеспечивают быстрый набор прочности, высокую плотность растворов и бетонов, коррозионную защиту от воздействия агрессивных сред.

Разумеется, совершенствованию нет предела. Поэтому российские ученые прилагают максимум усилий к тому, чтобы отечественные цементы были на уровне мировых стандартов. К сожалению, отсутствие новых технических регламентов сковывает их инициативу, не позволяет в полную силу использовать творческие силы и способности.