Потребительские характеристики цветных цементов.

Рассмотрим потребительские характеристики цветных цементов, получаемых различными способами. Нормативно-техническая документация, такая как государственные стандарты, отраслевые, ведомственные и другие технические условия (стандарты предприятия), отражает действительный уровень развития техники и технологии. Анализ данных сборника стандартов стран мира на цементы, издаваемого Европейской цементной ассоциацией, позволил установить наличие государственных стандартов на цветные цементы в трех странах: Россия, Болгария, Венгрия. Известно, что многие страны мира производят цветные цементы по отраслевым или фирменным стандартам, стандартизуя требования к пигментам для цементов, как, например, в Великобритании (ВS 1014). Карта технического уровня цветных цементов в сравнении с патентной продукцией приведена в табл. 1.

Примечания:

*1. Испытание механической прочности при использовании однофракционного песка.
*2. Испытание механической прочности при использовании полифракционного песка.
*3. Патент соответствует требованиям ГОСТ 15825.
*4. По патенту № 2094403.
*5. Для цветного литьевого портландцемента с пластифицирующей добавкой.
*6. Для марки 25.
*7. Для марки 35.
*8. При производстве зеленого, голубого и розового цементов.
*9. При производстве цементов желто-красной гаммы, коричневого и черного.

Анализируя значения базовой номенклатуры показателей качества цветных цементов по стандартам стран, следует отметить:

– Цветные цементы имеют те же классификационные признаки и терминологию, что и общестроительные, и отличаются от последних только декоративными свойствами.

– Вещественный состав цветных цементов варьируется в широких пределах: российский ГОСТ предусматривает содержание портландцементного клинкера не менее 80 %, стандарты Болгарии и Венгрии — не менее 60 %, патент — не менее 60 %, то есть предусматривается более широкое применение активных и инертных минеральных добавок с рациональным использованием активности портландцементного клинкера за счет тонкого измельчения цемента.

– Стандарты стран нормируют тонкость помола цемента, контролируемую по удельной поверхности методом Блейна. Значение удельной поверхности колеблется в пределах от 250 до 260 м2/кг. ГОСТ РФ не предъявляет требований к удельной поверхности, нормируя остаток на сите № 008, который не дает полной характеристики гранулометрического состава цемента. Механоактивированный цветной цемент имеет удельную поверхность от 600 до 900 м2/кг по методу адсорбции аргона и превышает требования государственного стандарта ГОСТ 15825 по тонкости помола (проход через сито № 008 от 96 до 98,5 %).

– Применение цветных цементов в качестве отделочного материала диктует необходимость нормирования его прочности в ранние сроки — 1, 3 и 7, а не 28 сут. ГОСТ РФ, в отличие от стандартов Болгарии и Венгрии, не нормирует прочность цветного портландцемента в ранние сроки. По кинетике набора прочности механоактивированный цветной цемент превышает рядовые показатели. В 3-суточном возрасте при нормальном твердении он имеет прочность при сжатии 57–78 %, а при изгибе — 70–84 % от марочной прочности, то есть имеет отпускную прочность.

– Белизна портландцементного клинкера и добавок для цветного портландцемента нормирована только в ГОСТ РФ, стандарты Болгарии и Венгрии не нормируют этот показатель, а требуют соответствия цвета утвержденным эталонам.

– Цветовая гамма цветных цементов во всех рассмотренных странах ограничена узким кругом применяемых красящих добавок. Механоактивированные цветные цементы отличает широкая цветовая гамма непривычно ярких и чистых оттенков. Окрашенные гидросиликаты проявляют высокую стойкость к одновременному воздействию тепла, влаги и солнечного света.

– Методы испытаний цветных цементов не гармонизированы по странам: ГОСТ 10178 предусматривает портландцемент и шлакопортландцемент, а значит, и для цветных цементов, применение Европейских норм на методы испытания прочности цементов. Однако, учитывая спад производства декоративных цементов в России, отсутствие серийного производства цветных цементов, прогрессирующее удорожание топливно-энергетических ресурсов, нецелесообразно вести переоснащение заводских лабораторий новым оборудованием.

Основы производства и твердения цветных портландцементов подробно рассмотрены в трудах ученых разных стран мира [1–5, 7, 8].

О механизме связывания воды при гидратации цветных цементов имеются различные точки зрения, однако все они сходятся на том, что основную роль играет силовое поле притяжения вблизи поверхности минеральных частиц. Согласно В. Н. Юнгу формирование коагуляционной структуры цементного геля сопровождается сжатием (контракцией) его объема. Это явление возникает через 10–15 мин после затворения цемента водой, достигает своего максимума в стадии завершения коагуляционного структурообразования и затем экспоненциально убывает в процессе формирования и упрочнения кристаллогидратной структуры цветного цементного камня (микробетона).

Механизм контракции цементного геля обусловлен следующими физико-химическими процессами: достижением полного смачивания частиц и выделением (вытеснением) с их поверхности адсорбированного воздуха; сорбцией воды поверхностью и наружными порами смачиваемых частиц, сопровождающейся более плотной упаковкой ориентированных молекул пленочной воды; образованием ионной среды вокруг частиц цемента (в результате поверхностного растворения составляющих минералов), ведущим к увеличению количества связанной воды; изменением плотности частиц цемента и воды при образовании кристаллогидратов. Из сказанного ясно, что при затворении цемента водой возникают сложные физико-химические явления, сопутствующие процессу образования связанной структуры цементного геля. Интенсивность протекания процесса и прочность структурных связей определяются многими факторами, зависящими от минералогического состава цемента, наличия в нем разного рода добавок (присадок), способов приготовления и уплотнения цементного геля.

Качество декоративных портландцементов, выпускаемых в настоящее время промышленностью, еще не отвечает высоким требованиям, которые представляет к ним строительная индустрия.

Цветные цементы склонны к усадочным явлениям, что вызывает необходимость изготавливать растворы и бетоны на качественных заполнителях при относительно меньших удельных расходах цемента. Возникновение в процессе твердения усадочных деформаций и микротрещин, через которые происходит миграция гидроксида кальция на поверхность и последующая карбонизация, способствует течению высолообразования. Высолообразование цементного камня из портландцемента — процесс диффузионный, определяется не содержанием в цементе водорастворимых солей и извести Ca(ОН)2, а плотностью цементного камня. Цветные шлакопортландцементы не дают высолов, однако их производство ограничено наличием отбеленных промышленных шлаков. Установлена взаимосвязь процесса высолообразования с условиями гидратации цемента. Выявлено, что повышение влажности и температуры среды твердения свыше 40 C усиливает высолообразование. Наибольшее количество высолов образуется в первую неделю твердения декоративного цемента. Определенное влияние на процесс высолообразования оказывает минералогический состав клинкера. Увеличение в цементном клинкере содержания С2S (КН<0,85 при n = 3,6) или С3S (КН = 0,90 при n<2,5) способствует снижению высолообразования. Еще большее снижение высолообразования достигается при повышении плотности цементного камня с увеличением содержания силикатов (n > 3,6 при КН = 0,90).

Исследованием диффузии гидроксида кальция с помощью метода меченых атомов установлено, что процесс высолообразования определяется способностью гидроксида кальция перемещаться в цементном камне. В связи с этим эффективным является способ снижения высолообразования за счет уменьшения подвижности гидроксида кальция, что достигается введением в цемент кремнийсодержащих добавок. Также снижает высолообразование уплотнение цементного камня. Уменьшение макропористости на 2–3 % снижает высолообразование на 35–50 %.

Эффективность гидравлических добавок обусловлена не только их активностью, но и влиянием на плотность цементного камня.

Введение кремнийорганических соединений типа полиорганилсилоксановых жидкостей при помоле клинкера белого портландцемента, интенсифицируя этот процесс на 10–25 %, позволяет получить цемент повышенных высолостойкости, гидрофобности и механической прочности. С уменьшением длины цепи органического радикала наблюдается некоторое повышение эффективности действия за счет лучшей адсорбции на цементных частицах. Комплексная добавка ускоряет процесс твердения цементного камня, повышает его плотность и способствует образованию гидроксида кальция в активном аморфном состоянии, что и повышает высолостойкость цемента. Также повышается морозостойкость, механическая прочность цементного камня (на 10–20 %), снижается пористость (на 3 %), гидрофобность, вдвое уменьшается водопоглощение. С введением пигментов снижается плотность цементного камня и усиливается образование высолов в виде белых налетов, которые видны на цветной поверхности.

В настоящее время предложено много способов снижения высолообразования: уменьшение водоцементного отношения, правильный подбор исходных материалов, использование чистых материалов, хорошее перемешивание составляющих, соблюдение условий твердения и т. д. Исследователи К. Тоско, И. Сиро, Д. Ваки, изучая цветные цементы, установили, что для предотвращения высолообразования следует ввести в состав цемента акрилат кальция и мальтозную кислоту. Эти вещества, находясь в жидкой фазе цементного раствора, вступают в реакцию с ионами Са2+, Na+, К+, образуют нерастворимые соли, в результате чего уплотняется структура, уменьшается испарение воды, что способствует предотвращению выцветания камня. Р. Рабой, К. Конлон и П. Хамель изучили выцветы на поверхности двух бетонов — плотного и пористого, изготовленных на окрашенных цементах. Авторами показано, что незначительные выцветы дают бетоны на пуццолановых цементах и совсем не дают шлаковые. Для предотвращения выцветов исследователи предлагают избегать избытка воды затворения и конденсации ее на поверхности изделия. И. Ф. Пономарев, П. Г. Гайджуров, А. П. Зубехин и др., занимаясь разработкой методов повышения цветостойкости декоративных цементов, установили, что процесс высолообразования, который происходит за счет молекулярной диффузии, описываемой уравнениями Фика, может быть устранен путем одновременного ввода в цемент активных добавок и поливинилацетатной эмульсии.

В настоящее время, в европейской части Российской Федерации только ООО «Цемдекор» (г. Подольск, Московская обл.) производит в промышленных объемах цементы голубого, красного, желтого, зеленого, коричневого и черного цветов. При этом усредненная цена за тонну с 1995 по 2008 г. возросла в 4,5 раза.

В России рынок потребления цветных цементов не сформирован в связи с отсутствием предложения от производителя качественной продукции. Декоративный бетон получают из смесей, окрашенных пигментами или колеровочными пастами, хотя из вышесказанного очевидно, что применение цветных цементов значительно более эффективно.

Постановка на собственное производство нового вида цветных механоактивированных портландцементов [6] позволит наладить серийное производство цветного эталонированного портландцемента, создать универсальный полупродукт для развития смежных отраслей и сформировать отечественный рынок потребления цветных цементов.

В долгосрочной перспективе необходимо формирование конкурентных производств цветных цементов на основе лицензионных наукоемких технологий, обеспечивающих соответствие конъюнктуре внутреннего и внешнего рынков.

Автор: В. П. Кузьмина, к. т. н.

1. Атакузиев Т. А., Кузнецова Т. В., Искандарова М. И. Цветные цементы по малоэнергоемкой технологии. — Ташкент: ФАН, 1988.
2. Боженов П. И., Холопова Л. И. Цветные клинкерные цементы // VI Международный конгресс по химии цемента. — М., 1974. — С. 7–8.
3. Боженов П. И., Холопова Л. И. Цветные цементы и их применение в строительстве. — Л.: Стройиздат, 1968.
4. Гулямов М. Г. Декоративные цементы, их получение и твердение. — Ташкент: ФАН, 1971.
5. Зайцева Г. М. Исследование возможностей управления цветом отделочных бетонов из цветных клинкерных цементов : автореф. дисс. ... к. т. н. — Л., 1969.
6. Кузьмина В. П. Механоактивированные цветные цементы // Строительные материалы. — 2005. — № 7. — С. 25–27.
7. Перцовский В. И. Разработка тонкослойных декоративно-защитных покрытий и исследование их эксплуатационных качеств для отделки фасадов жилых домов 6 автореферат дисс. ... к. т. н. — М., 1972.
8. Теореану И. Химия белых и цветных цементов // VI Международный конгресс по химии цемента. — М., 1974. — С. 33–41.
9. Фазовый состав, структура и свойства декоративных цементов // VI Международный конгресс по химии цемента. — М., 1974. — С. 7–8.