Вяжущие вещества на основе портландцементного клинкера

Министерство науки и высшего образования 

Российской Федерации 

Уральский федеральный университет 

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

Н. Н. Башкатов 

ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА  

НА ОСНОВЕ 

ПОРТЛАНДЦЕМЕНТНОГО 

КЛИНКЕРА

Уч е б н о е  п о со бие 

Рекомендовано методическим советом  

Уральского федерального университета для студентов вуза,  

обучающихся по направлениям подготовки  

08.03.01 — Строительство, 18.03.01 — Химическая технология 

Екатеринбург 

Издательство Уральского университета

2021 

УДК 666.9(075) 
ББК 35.41я7 
          Б33 

Р е ц е н з е н т ы :
кафедра «Строительный инжиниринг и материаловедение» Пермского 
национального исследовательского политехнического университета 
(и. о. завкафедрой д‑р техн. наук, проф. В. А. Харитонов);
Т. Н. Черных, д‑р техн. наук, проф. кафедры «Строительные материалы и изделия» Южно‑Уральского государственного университета  
(национального исследовательского университета) 

Н а у ч н ы й  р е д а к т о р  — проф., д‑р техн. наук Ф. Л. Капустин

Б33

Башкатов, Н. Н.
Вяжущие вещества на основе портландцементного клинкера :  
учебное пособие / Н. Н. Башкатов ; М‑во науки и высш. обр.  
РФ. — Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 2021. — 192 с.
ISBN 978‑5‑7996‑3194‑9

В пособии рассмотрены основные типы вяжущих веществ, получаемых на основе портландцементного клинкера, виды добавок, особенности производства, области применения. Приведены физико‑химические закономерности влияния добавок 
на свойства и гидратацию вяжущих материалов. Издание предназначено для изучения курсов «Вяжущие материалы» и «Химическая технология производства вяжущих материалов» студентов всех форм обучения по направлению подготовки бакалавров 08.03.01 «Строительство» и 18.03.01 «Химическая технология». Может быть 
использовано работниками цементных заводов и предприятий по производству  
бетонов и железобетонных изделий.

Библиогр.: 34 назв. Табл. 28. Рис. 27.

УДК 666.9(075) 
ББК 35.41я7 

ISBN 978‑5‑7996‑3194‑9
© Уральский федеральный  
     университет, 2021

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ................................................................................................ 5
1. Быстротвердеющие цементы  ............................................................ 9

1.1. Физико‑химические основы ускорения процессов  
твердения ......................................................................................... 9
1.2. Особенности производства быстротвердеющих цементов ..... 14
1.3. Свойства быстротвердеющих цементов ................................. 22
1.4. Вопросы для самоподготовки ................................................. 24

2. Высокопрочные цементы  ................................................................ 25

2.1. Сырьевые материалы и минеральный состав ........................ 25
2.2. Особенности производства и свойства  
высокопрочных цементов ............................................................. 28
2.3. Вопросы для самоподготовки ................................................. 33

3. Белый и цветные цементы  .............................................................. 34

3.1. Сырьевые материалы и основные показатели шихты ........... 34
3.2. Размол сырьевых компонентов .............................................. 38
3.3. Обжиг клинкера ...................................................................... 40
3.4. Отбеливание клинкера ............................................................ 43
3.5. Сушка и размол клинкера ....................................................... 48
3.6. Свойства и применение белого портландцемента ................. 51
3.7. Цветные цементы .................................................................... 53
3.8. Вопросы для самоподготовки ................................................. 59

4. Сульфатостойкие цементы  ............................................................. 60

4.1. Минеральный состав ............................................................... 61
4.2. Свойства сульфатостойких цементов  .................................... 64
4.2. Вопросы для самоподготовки ................................................. 66

5. Цементы для асбестоцементных изделий  
и транспортного строительства ........................................................... 67

5.1. Цементы для асбестоцементных изделий .............................. 67
5.2. Цементы для транспортного строительства ........................... 69
5.3. Вопросы для самоподготовки ................................................. 71

Оглавление

6. Цементы с поверхностно-активными добавками............................. 73

6.1. Пластифицированный портландцемент ................................ 73

6.1.1. Физико‑химические основы действия  
гидрофильных добавок  .............................................................. 74
6.1.2. Особенности производства  
пластифицированных цементов  ................................................ 85
6.1.3. Свойства пластифицированных цементов  ...................... 88

6.2. Гидрофобный цемент .............................................................. 93

6.2.1. Физико‑химические основы действия  
гидрофобизирующих добавок  .................................................... 95
6.2.2. Особенности производства гидрофобных цементов  ....... 98
6.2.3. Свойства гидрофобных цементов  ...................................100

6.3. Вопросы для самоподготовки ................................................108

7. Пуццолановые цементы ..................................................................109

7.1. Активные минеральные добавки ...........................................109
7.2. Особенности производства  
и свойства пуццоланового цемента ..............................................125
7.3. Вопросы для самоподготовки ................................................132

8. Шлакопортландцемент ...................................................................134

8.1. Доменные гранулированные шлаки ......................................134
8.2. Электротермофосфорные шлаки ..........................................150
8.3. Особенности производства и свойства  
шлакопортландцемента ................................................................151
8.4. Вопросы для самоподготовки ................................................163

9. Тампонажные портландцементы ....................................................165

9.1. Требования к тампонажным портландцементам ..................167
9.2. Классификация, состав и свойства  
тампонажных портландцементов .................................................176
9.3. Гидратация тампонажных портландцементов ......................180
9.4. Вопросы для самоподготовки ................................................186

Список библиографических ссылок ...................................................188

ВВЕДЕНИЕ

Р

азвитие технологий строительства, применение монолитного бетонирования, попытки использования специальных 
3D‑принтеров, строительство не отдельных домов, а многоэтажных жилых комплексов с развитой подземной инфраструктурой 
требует от индустрии строительных материалов производства особых 
цементов со специальными свойствами. Эти цементы должны характеризоваться повышенной прочностью, быстро твердеть, сохранять свои 
свойства в агрессивных средах, но при этом быть достаточно дешевыми.

Получать подобные вяжущие, не меняя технологии производства 

портландцементного клинкера, можно двумя путями. Первый — изменяя минералогический состав клинкера. Как известно, в системе 
CaO–Al2O3–SiO2 существует область кристаллизации его составов. 
Очевидно, что клинкеры, получаемые в одном секторе, будут отличаться по своим свойствам от клинкеров, находящихся в противоположном секторе. Благодаря этому возможно получение цементов 
с разными свойствами: быстротвердеющих, сверхбыстотвердеющих, 
высокопрочных, белых, для асбестоцементных изделий, для дорожного 
строительства, сульфатостойких, некоторых видов тампонажных. Все 
они имеют определенный минералогический состав, обусловливающий их свойства, но в некоторых случаях требуются особые сырьевые 
материалы, дополнительные технологические переделы и оборудование, как, например, при производстве белого цемента.

В данном случае следует напомнить о характеристиках общестроительного клинкера. Согласно ГОСТ 31108–2016 суммарное содержание минералов‑силикатов в нем должно быть не менее 67 %, отношение 
CaO/SiO2 — не менее 2,0 и содержание MgO — не более 5 %, в отдельных случаях допускается до 6 при условии, что он выдерживает испытания на равномерность изменения объема по ГОСТ 30744–2001 [1, с. 4].

Второй путь — совместный размол портландцементного клинкера 

с различного рода добавками, обусловливающий изменение не только 

введение

свойств вяжущего, но и его названия. Таким образом получают смешанные цементы: пуццолановые, тампонажные, шлакопортландцемент, с поверхностно‑активными добавками, цветные. В этом случае 
клинкер является одним из компонентов вяжущего, хотя по своему 
минералогическому составу ничем не отличается от общестроительного, но появляются новые сырьевые материалы — добавки, количество которых меняется от 0,3 у вяжущих с поверхностно‑активными веществами до 95 % у шлаклпортландцемента. В последнем случае 
можно говорить о том, что роль добавки выполняет уже сам клинкер. 
Это позволяет заводам, оснащенным только одной вращающейся печью, таким как «Невьянский цементник» и ряду других, иметь обширный ассортимент продукции.

Говоря о минеральных и полимерных добавках, с помощью которых 

мы получаем новые виды цементов, необходимо понимать, что они 
не являются таковыми в прямом смысле этого слова, а, с точки зрения 
технологии, рассматриваются как составная часть вещественного состава вяжущего вещества. Это означает, что в такие цементы возможно введение еще дополнительного количества добавок, призванных 
улучшить свойства получаемых вяжущих или бетонов на их основе.

Вещества, вводимые в качестве компонентов вещественного состава, определяются ГОСТ 24640–91 и ГОСТ 31108–2016. Согласно  
ГОСТ 24640–91 добавки, вводимые в цемент, подразделяются:

— на компоненты вещественного состава;
— регулирующие свойства цемента;
— технологические, то есть такие, которые облегчают процесс размола, но не оказывают при этом существенного влияния на его 
свойства [2, с. 1].

Первые, в свою очередь, подразделяют на активные минеральные, 

имеющие гидравлические или пуццоланические свойства и наполнители. 
Об активных минеральных добавках подробно рассказано в главе 7.

Добавки, регулирующие свойства цемента по своему характеру, 

подразделяются на регулирующие основные и специальные свойства. 
Первые подразделяются:

— на регуляторы сроков схватывания;
— ускорители твердения;
— повышающие прочность, то есть такие, которые повышают активность цемента;

— пластификаторы — снижающие водопотребность.

Вторые классифицируются:
— на водоудерживающие. Они повышают седиментационную 

устойчивость цементного теста, снижают его водоотделение;

— гидрофобизующие, то есть повышающие устойчивость цемента к воздействию влаги воздуха;

— регулирующие объемные (линейные) деформации цементного 

камня (расширение или усадку цемента);

— регулирующие тепловыделение. Снижают или повышают теплоту гидратации за определенный срок;

— улучшающие декоративные свойства цементов: повышают белизну или улучшают цвет;

— регулирующие плотность цементного теста — утяжеляющие 

и облегчающие;

— регулирующие тампонажно‑технические свойства цемента [2, с. 1].
Очевидно, что в качестве добавок теоретически возможно использовать различные вещества, поэтому для понимания их эффективности 
вводят понятия критерия оценки свойств таких материалов (табл. 1).

Таблица 1 

Критерии оценки свойств добавок [2, с. 2] 

Вид добавки
Основной эффект
Критерий

Компонент вещественного состава

Экономия клинкера
Снижение доли клинкера больше, чем снижение его активности

Технологические
Интенсификация  
помола

Сокращение продолжительности помола до заданной дисперсности не менее чем на 10 % 

Регуляторы сроков схватывания

Ускорение или замедление схватывания

Изменение классификационного признака

Ускорители твердения

Повышающие прочность в различные  
сроки

Не менее 10 % в возрасте 1 или 
3 сут

Пластификаторы
Снижение водопотребности

Снижение нормальной густоты 
не менее чем на 3 %

Водоудерживающие

Уменьшающие водоотделение

Не менее чем на 10 %

Гидрофобизаторы Повышающие сохранность цемента

Увеличение времени всасывания капли воды 

Регулирующие 
деформацию при 
твердении

Снижение усадки или 
изменение расширения 
в заданных пределах

Изменение линейных деформаций не менее чем на 50 %

введение

Вид добавки
Основной эффект
Критерий

Регулирующие тепловыделение

Снижение тепловыделения

Не менее чем на 10 % в возрасте 7 сут

Улучшающие  
декоративные 
свойства

Улучшение цвета,  
повышение белизны

Соответствие эталону цвета, повышение сортности

Регулирующие 
плотность цементного теста 
и растворов  
тампонажных  
цементов 

Облегчение, утяжеление

Изменение классификационного признака

В первых пяти главах учебного пособия рассмотрены вяжущие, получаемые изменением минерального состава клинкера, в остальных — 
введением соответствующих добавок. Основное внимание при этом 
уделено добавкам‑компонентам вещественного состава, пластификаторам и гидрофобизаторам, видам и свойствам пуццолановых добавок и шлаков.

Технология производства полностью не показана, поскольку она 

мало отличается от получения общестроительного портландцемента. Основные отличия могут быть связаны только с изменением режимов работы некоторых агрегатов. Описаны отдельные новые переделы и оборудование, необходимые для получения соответствующих 
вяжущих материалов. Приведены требования к сырьевым материалам 
и сырьевой смеси, свойства вяжущих веществ.

Окончание табл. 1

1.1. Физико-химические основы  ускорения процессов твердения

1. БыСТРОТВЕРДЕюЩИЕ ЦЕМЕНТы 

Физико-химические основы ускорения процессов твердения  ○  Особенности производства  

быстротвердеющих цементов  ○  Свойства быстротвердеющих цементов

П

од быстротвердеющим понимают цемент, который при нормальном твердении в двухсуточном возрасте показывает не менее 30–50, а в трехсуточном 75–80 % от своей классной прочности, хотя по ГОСТ 31108–2016 последний показатель не нормируется. 
После тепловлажностной обработки он может показывать до 90 % месячной прочности. На ряду с быстротвердеющими, промышленность 
строительных материалов выпускает высокопрочные и особобыстротвердеющие портландцементы. Разница между двумя последними по минеральному составу, способу производства и свойствам незначительна.  
Высокопрочные цементы в возрасте 28 сут показывают 70–80 МПа.

Получение быстротвердеющих цементов предполагает создание условий, обеспечивающих интенсивное протекание реакций гидратации 
частичек вяжущего с первых минут их затворения водой и резкий рост 
кривой прочности во времени. Схватывание и твердение — сложный 
физико‑химический процесс, изучению которого посвящено достаточно большое количество научных работ. Очевидно, что для его понимания необходимо вспомнить теории твердения вяжущих веществ.

1.1. Физико-химические основы  
ускорения процессов твердения

В учебном пособии основное внимание уделено топохимической 

теории А. А. Байкова и ряду других, дополняющих ее.

В своей теории А. А. Байков попытался совместить воззрения  

А. Л. Ле‑Шателье и В. Михаэлиса, объясняя твердение совокупно

1. БыстрОтвердеющие цементы 

стью коллоидных и кристаллизационных процессов. Он разбил процесс твердения на три стадии (периода), которые могут накладываться друг на друга, поскольку в объеме одной частицы на разной глубине 
одновременно могут идти различные процессы. Первая стадия — растворение и образование насыщенного раствора, как и у Ле‑Шателье. 
Здесь происходит небольшой подъем температуры, поскольку экзотермия реакций гидратации частично компенсируется эндотермией растворения. Вторая стадия — образование коллоидной массы — 
схватывание теста. Происходит прямое присоединение воды к твердой 
фазе, образование высокодисперсных гидратных соединений коллоидных размеров. Эти процессы сопровождаются выделением тепла. 
Тесто схватывается, но прочности пока не приобретает, поскольку 
между частицами нет сцепления. Третий период характеризуется перекристаллизацией коллоидных частичек в более крупные, срастание 
их между собой, что приводит к росту механической прочности системы, то есть твердению.

Развил представления А. А. Байкова В. Н. Юнг, предложивший теорию о микробетоне. Он указал, что затвердевший цемент состоит 
из коллоидальной изотропной массы, большого количества рассеянных в ней микрокристаллов и неразложившихся зерен клинкера различных размеров. Поскольку подобная масса неоднородна, то цементный камень можно представить в виде своеобразного микробетона. 
Силы сцепления, развивающиеся на поверхностях соприкосновения 
продуктов гидратации и зерен включений, должны иметь, по мнению 
В. Н. Юнга, существенное значение для физико‑механических свойств 
затвердевшего вяжущего. Как указывает автор, для достижения специальных свойств различных цементов необходимо изучать и рационально строить минеральный и гранулометрический состав вяжущих 
материалов [3, с. 386].

А. Е. Шейкин, основываясь на приведенных выше теориях, предположил, что при гидратации минералов портландцементного клинкера 
образуется два вида новообразований: кристаллические и гелеподобные. Первые образуют скелет и отвечают за прочностные характеристики цементного камня. Вторые заполняют пространство между твердеющей массой и отвечают за такие свойства, как морозостойкость, 
сульфатостойкость и ряд других. При этом свойства затвердевшего цементного камня зависят от того, какие новообразования преобладают. 
А. Е. Шейкин предлагает расчет безразмерного коэффициента, назна