Портландцемент цветной и его применение в строительной индустрии

Кузьмина Вера Павловна, директор
ООО "Колорит-Механохимия", Москва

Производство цветных цементов является малотоннажной отраслью цементной индустрии. Развитие производства цветных цементов определяется мелкооптовым рынком потребления. Развитие рынка сдерживается тем, что цветной цемент производят в соответствии с эталонами, согласованными с заказчиками. При оценке цвета цементов в течение длительного времени (год и более) партия от партии отличается по оттенку. Отсутствие аппаратурного оптического контроля производства цветного портландцемента с системой управления цветом не позволяет обеспечить повторяемость цвета цемента и наладить серийное производство высококачественного эталонированнного цветного цемента. В результате крупные домостроительные комбинаты и строительные управления не имеют возможности применять ССС на основе цветного цемента для финишной цветной штукатурной отделки на заводском конвейере элементов и панелей для крупнопанельного домостроения и фасадов зданий, возводимых в скользящей опалубке, хотя экономические показатели такой отделки лучше традиционной в два и более раз.

Индустриализация отделочных работ в сборном домостроении с применением ССС на основе белых и цветных цементов имеет весомые преимущества по техническим характеристикам. Она позволяет использовать однотипные технологические процессы и оборудование и получать более долговечные декоративные отделки, улучшать эстетичный вид зданий и сооружений. Производство в заводских условиях железобетонных конструкций и изделий с отделкой декоративным раствором или бетоном на цветном цементе обеспечивает высокую долговечность декоративного слоя за счет идентичных деформаций усадки и набухания с основным слоем и по сравнению с известными отделочными материалами является наиболее экономичным.

Оценивая перспективы использования ССС на основе цветных цементов для отделки зданий, возводимых индустриальными методами литья в скользящей опалубке, следует отметить, что главнейшей областью их применения является нанесение на поверхность относительно толстых фактурных слоев из декоративного бетона поверх многослойной теплоизоляционной системы. При этом их долговечность превышает аналогичные отделочные слои на основе полимерных связующих, например, акрилатных.

Проблема периодического восстановления фасадов стоит особенно остро при современной тенденции к увеличению этажности зданий. В этих условиях оправдывает себя и может найти широкое применение высококачественная отделка, рассчитанная на многие годы службы. Использование бетонных фактур из цветных цементных смесей позволяет достигнуть не только разнообразия в цветовом решении фасадов, но и имитировать другие более "благородные" фактуры, например, облицовки естественным камнем и керамикой.

В крупнопанельном строительстве отделка цветными смесями впервые использовалась в 1948 г. на строительстве каркасно-панельных жилых домов (1). Применением в составе смесей цветных цементов и заполнителей можно достичь высокого декоративного эффекта. Такая цветная смесь наносится в виде фактурного слоя на поверхность панелей или других изделий в процессе их формования и в результате совместной вибрации прочно связывается с основанием (2).

За рубежом отделочные смеси применяются для отделки сборных зданий в виде лицевого слоя, наносимого на блоки и панели в процессе их изготовления (Чехия). В Голландии цветные смеси используются для изготовления декоративных камней и облицовочных плит.

В Англии цветные смеси широко применяются как для изготовления облицовочных плит, так и для офактуривания крупноразмерных элементов зданий. Во Франции превалирует способ отделки стеновых панелей. Обобщая опыт зарубежного строительства, можно отметить, что во всех странах в основном применяются декоративные ССС для ручных методов отделки. В условиях индустриального домостроения, характеризующегося большими объемами работ, используются механические методы отделки.

Помимо способов отделки изделий слоем декоративного бетона из ССС, цветные цементы могут быть использованы для других видов декоративных покрытий, например, цементной плиткой типа керамической. Она не требует специального промежуточного слоя для крепления. Изготавливаются плитки прессованием или литьем (3).

Для поверхностной отделки эффективно применение тонкослойных декоративно-защитных покрытий на основе цветных коллоидных цементных растворов. Имеются многие исследования и значительные достижения в этой области как в нашей стране, так и за рубежом (4, 5). В условиях отсутствия стабильного отечественного производства финишных отделочных декоративных смесей применение цветных коллоидных цементных растворов для отделки фасадов зданий сдерживается. Импортные фасадные краски вытеснили малярные штукатурки, чему способствовали архитектурные проекты отделки фасадов акриловыми фасадными красками. Решение вышеизложенных вопросов представляет несомненный интерес.

Из рассмотрения специальной литературы (6-21) можно убедиться, что готовых рецептов получения ССС для отделки фасадов не существует. Для массового использования декоративных ССС в отделке нужны отечественные цветные цементы, обладающие при невысокой стоимости широкой цветовой палитрой и необходимой цветоустойчивостью.

Способ отделки зданий декоративными смесями обладает значительными преимуществами, что обусловлено, с одной стороны, его индустриальностью, долговечностью и экономичностью, а с другой - огромной ролью цвета в архитектуре, особенно в условиях современного домостроения. Чтобы данный вид отделки стал конкурентоспособным, необходимо повысить декоративные возможности цемента. Этого можно достигнуть за счет организации производства цементов эталонированной цветовой гаммы, обладающих устойчивостью окраски.

Согласно публикациям (7, 9, 16, 19) в настоящее время получение цветных цементов осуществляется путем совместного помола белого или общестроительного портландцемента с цветными пигментами.

Мною разработан новый способ получения и составы цветных портландцементов. Способ получения цветного портландцемента защищен патентом РФ на изобретение № 2094403 с приоритетом от 9 декабря 1996 г., прошел полное опытно-промышленное внедрение на производственных мощностях ОАО "Щуровский цемент" в городе Коломна Московской обл.

Предложенный способ получения цветного цемента заключается в том, что гомогенная смесь портландцемента, щелочестойких пигментов и добавок различного назначения подвергается механоактивации с измельчением при ускорении, превышающем 9,8 g. Полученные цветные цементы обладают высокими техническими свойствами. Они не подвержены выцветанию, высолообразованию цементного камня, обладают высокой морозо-, атмосферо-, коррозие- стойкостью.

Рассмотрим потребительские характеристики цветных цементов, получаемых различными способами. Известно, что нормативно-техническая документация, такая как ГОСТы, отраслевые, ведомственные и др. ТУ (стандарты предприятия) отражают действительный уровень развития техники и технологии. Анализ данных сборника стандартов стран мира на цементы, издаваемого Европейской цементной ассоциацией (20), позволил установить наличие ГОСТов 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, Великобритания (ВS 1014).

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


- Цветные цементы имеют те же классификационные признаки и терминологию, что и общестроительные, отличаются от последних только декоративными свойствами.
- Вещественный состав цветных цементов варьируется в широких пределах: ГОСТ РФ предусматривает содержание портландцементного клинкера не менее 80%, стандарты Болгарии и Венгрии - не менее 60%, патент - не менее 60%, т. е. 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, контролируемую по удельной поверхности методом Блейна от 250 до 260 м2/кг. ГОСТ РФ не предъявляет требований к удельной поверхности, нормируя остаток на сите N 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 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 суток, а не в 28 суток. ГОСТ РФ не нормирует прочность цветного портландцемента в ранние сроки, напротив, стандарты стран нормируют. По кинетике набора прочности механоактивированный цветной цемент превышает рядовые показатели. В трехсуточном возрасте при нормальном твердении он имеет прочность при сжатии 57-78%, а при изгибе - 70-84% от марочной прочности, т. е. имеет отпускную прочность.
- Белизна портландцементного клинкера и добавок для цветного портландцемента нормирована только в ГОСТ РФ, стандарты Болгарии и Венгрии не стандартизируют этот показатель, а требуют соответствия цвета цветных цементов 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. Их отличает чистота цветов и широкий цветовой ассортимент, окрашенные гидросиликаты проявляют высокую стойкость к одновременному атмосферному воздействию тепла, влаги и солнечного света.
- Методы испытаний цветных цементов не гармонизированы по странам: ГОСТ 10178 на портландцемент и шлакопортландцемент предусматривает введение Европейских норм на методы испытания прочности цементов, что, соответственно, надлежит сделать и для цветных цементов. Однако в условиях спада производства декоративных цементов в России и отсутствия серийного производства цветных цементов, прогрессирующего удорожания топливно-энергетических ресурсов, нецелесообразно вести переоснащение заводских лабораторий новым оборудованием.

Качество декоративных портландцементов, выпускаемых в настоящее время промышленностью, еще не отвечает высоким требованиям, которые представляет к ним строительная индустрия. Цветным цементам свойственна склонность к усадочным явлениям, что вызывает необходимость изготовления растворов и бетонов на качественных заполнителях при относительно меньших удельных расходах цемента.

Возникновение в процессе твердения усадочных деформаций и микротрещин, через которые происходит миграция гидрооксида кальция на поверхность и последующая карбонизация, способствует течению процесса высолообразования. Высолообразование цементного камня из портландцемента - процесс диффузионный, определяется не содержанием в цементе водорастворимых солей и извести Са(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 свыше 40оС среды твердения усиливает высолообразование. Наибольшее количество высолов образуется в первую неделю твердения декоративного цемента. Минералогический состав клинкера оказывает определенное влияние на процесс высолообразования. Увеличение в цементном клинкере содержания С2S (КН<0,85 при n = 3,6) или С3S (n<2,5 при КН = 0,90) способствует снижению высолообразования. Еще большее снижение высолообразования достигается при повышении плотности цементного камня с увеличением содержания силикатов (n > 3,6 при КН = 0,90).

Выбор пигментов для окрашивания ССС определяется свойствами пигмента и материала, характером их взаимодействия, а также параметрами переработки и условиями эксплуатации изделий из цветных цементов. Рассмотрим критерии выбора пигментов для окрашивания ССС с трех позиций: оценка потребительских свойств пигментов (цвет, экономичность, цветоустойчивость), оценка технологических свойств пигментов (термостойкость при пропаривании, диспергируемость, химическая стойкость, характер взаимодействия системы "пигмент-цемент"), оценка свойств окрашенной цементной смеси (равномерность окрашивания, интенсивность цвета, миграционная стойкость, светостойкость, атмосферостойкость).

Пигменты, помимо щелочестойкости, водостойкости и светостойкости, должны обладать удовлетворительными показателями по влиянию на сроки схватывания вяжущего и на равномерность изменения объема, а также не вызывать уменьшения прочности и обеспечивать окрашивание главным образом продуктов гидратации (3). Для получения окраски ярких чистых тонов нередко необходимо сравнительно большое количество красящего вещества. При малых количествах вводимого пигмента возникают трудности при получении однородного цветного вяжущего материала (21).

Пигменты для получения цветных цементных ССС подразделяются на синтетические минеральные, природные минеральные, красковые руды и органические. По ГОСТ 15825 допускается вводить в белый цемент не более 15% минерального синтетического или природного пигмента. Органические пигменты должны вводиться в количестве не более 0,5% от массы цемента (11).

Требования британского стандарта на пигменты для портландцемента и продукцию из портландцемента ВS 1014 носят прогрессивный характер, предоставляя производителю широкие возможности варьирования цвета за счет применения различных классов органических и неорганических пигментов и их смесей. Согласно BS 1014, пигменты должны состоять из основного вещества и не должны содержать примеси, такие как свинец или цинк, способные оказать влияние на время схватывания и нарастание прочности цемента. Пигменты внешне должны быть в виде сухого мягкого порошка или в том виде, чтобы можно было легко привести их к такому состоянию растиранием при помощи мастерка без дополнительного помола. Сравнение цвета проводится на свежеприготовленной поверхности или через стеклянную пластинку.

Для получения различных оттенков цветных цементных ССС в них может вводиться пигмент или смесь пигментов как большими, так и маленькими порциями. Условно пигменты разделяются на "сильные", концентрированные с высокой красящей способностью и "слабые". Если для получения нужного оттенка требуется более 10% отдельно взятого пигмента от массы цемента, рекомендуется применять меньшую порцию более "сильного" пигмента, т. к. большие порции пигмента снижают прочность цемента и цементной продукции на его основе за счет увеличения водопотребности. Если необходимо получить цементную продукцию пастельного цвета, то обычно трудно распределить очень маленькие порции "сильного" пигмента и более удобно применять большую порцию пигмента с более низкой насыщенностью тона или "сильный" пигмент, предварительно смешанный с наполнителем или частью цемента. Для получения цветов цемента, отличных от цветов отдельно взятых пигментов, можно использовать два и более пигментов. Однако необходимо соблюдать осторожность при выборе пигментов, чтобы удостовериться, что данные пигменты имеют приблизительно одинаковый доминирующий размер частиц. При быстрых процессах смешивания, когда добавляется более чем один пигмент, для получения комбинированного цвета необходимо гораздо более долгое время для смешивания. Поэтому предпочтительно смешивать эти цвета предварительно перед добавлением до получения однородного комбинированного цвета.

Считается, что пигмент, используемый в максимальных пропорциях, рекомендованных производителем, не оказывает существенного влияния на сроки схватывания цветного портландцемента и нарастание прочности, если начало его схватывания наступает не ранее, чем через 45 минут, а конец схватывания наступает не позднее 10 часов. Разница для двух значений времени схватывания между растворами без пигмента и с пигментом должна быть не более 30 минут, и средний предел прочности при сжатии раствора, содержащего пигмент, должен отличаться не более чем на 20% от среднего предела прочности при сжатии раствора без пигмента (21).

Введение пигментов (12) в состав ССС для их окрашивания в различные цвета значительно уменьшает механическую прочность цементного камня, но цветостойкость камня из декоративного цемента выше по сравнению с аналогичным камнем, изготовленным из механической смеси аналогичного состава цемента и пигмента.

О механизме связывания воды при гидратации цветных цементных смесей 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 минут после затворения цемента водой и достигает своего максимума в стадии завершения коагуляционного структурообразования и затем экспоненциально убывает в процессе формирования и упрочнения кристаллогидратной структуры цементного камня (микробетона).

Исследование диффузии гидрооксида кальция с помощью метода меченных атомов установило, что процесс высолообразования определяется способностью гидрооксида кальция перемещаться в цементном камне, его же количество играет меньшую роль. В связи с этим эффективным является способ снижения высолообразования за счет уменьшения подвижности гидрооксида кальция, что достигается введением в цементную смесь кремнийсодержащих добавок. 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. С введением пигментов снижается плотность цементного камня и усиливается процесс высолообразования в виде белых налетов, которые видны на цветной поверхности.

Рабой Р., Конлон К. и Хамель П. изучили выцветы на поверхности двух бетонов - плотного и пористого, изготовленных на окрашенных цементах. Авторами показано, что незначительные выцветы дают смеси на пуццолановых цементах и совсем не дают шлаковые (15).

В долгосрочной перспективе необходимо формирование конкурентных производств цветных цементных ССС на основе лицензионных наукоемких технологий, способных удерживать конъюнктурный отбор товара на внутреннем и внешнем рынках в условиях открытой конкуренции.

Правительством РФ утверждена федеральная целевая программа "Повышение конкурентоспособности отечественных товаропроизводителей на 2002-2006 годы".

Использование инновационного потенциала страны для развития производства цветных цементных ССС и создание промышленного производства эталонированного цветного цемента позволит усилить конкурентные позиции отечественных товаропроизводителей цветных цементных ССС на внутреннем и внешнем рынках.

Литература

1. Боженов П. И., Холопова Л. И. Цветные цементы и их применение в строительстве. Л., Стройиздат, (Ленинград. отделение), 1968.

2. Зайцева Г. М. Исследование возможностей управления цветом отделочных бетонов из цветных клинкерных цементов. Автореф. дисс. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. (05.484) Л., 1969.

3. Перцовский В. И. Разработка тонкослойных декоративно-защитных покрытий и исследование их эксплуатационных качеств для отделки фасадов жилых домов. Автореферат дисс. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук (489). М., 1972.

5. Атакузиев Т. А., Искандарова М. И., Кузнецова Т. В. Цветные цементы по малоэнергоемкой технологии: Ташк. политехн. ин-т им. Абу Райхана Боуни. Ташкент: "Фан", 1988.-100, (1) с.: ил.; 20 см.

6. Теореану И. Химия белых и цветных цементов. Основной докл. М., 1974, 40 с. (YI Междунар. конгресс по химии цемента. М., сент. 1974. (Докл. 7). Библиогр.: с. 33-41.

7. Боженов П. И., Холопова Л. И. Цветные клинкерные цементы. М., 1974. 11 с. (YI Междун. конгресс по химии цемента. Москва, сент. 1974. Доп. докл. Разд. III.III-8 (185). Библиогр.: с. 7-8.

8. Фазовый состав, структура и свойства декоративных цементов. М., 1974. 7 с. (YI Междун. конгресс по химии цемента. Москва, сент. 1974. Доп. докл. Раздел III.III-8. (184). Библиогр.: с. 7-8.

9. Гулямов М. Г. Декоративные цементы, их получение и твердение. Ташкент, "Фан", 1971.

10. Логвиненко А. Т. Минералы цветных портландцементов. Отв. ред. д-р хим. наук Ю. П. Никольская. Новосибирск; "Наука", Сибирское отделение АН, 1975.

11. ГОСТ 15825. Цементы цветные. Технические условия.

12. Вилков С. М. Исследование процесса высолообразования при гидратации декоративного портландцемента и разработка методов его снижения: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. (05.07.11). - Свердловск, 1979. - 21 с.

13. Грачьян А. Н. Технология и свойства декоративных цементов. В сб.: ВНИИЭСМ., 1985, с. 68.

14. Тосно К., Сиро И., Ванн Л. Исследования по предотвращению выцветания цементного раствора в начальный период твердения с помощью ингибитор-добавок - СИМЭНТЭ КОНКУРИТО, 1970, 281, с. 17-22.

15. Робот Р., Конлон К., Хамель И. Исследование выцветов на поверхности бетона, Строительство и обществ. работы, 1970, т. 272, N 271, с. 68-84.

16. Пономарев И. Ф. Химия и технология производства декоративных и др. цементов. - В журнале "Цемент", Стройиздат, 9, 1974, с. 33-35.

17. Простаков А. М., Грачьян А.И. Цветные цементы из Новороссийских маргелат. - ж. "Цемент", Стройиздат., 1, 1952, с. 16-18.

18. Ахвердов Н. И. Основы физики бетона. - М.: Стройиздат, 1981 - 464 с. ил.

19. Рояк С. М., Рояк Г.С. Специальные цементы. - М.; Стройиздат., 1993 (Тула: Тип.). - 26,0 усл. печ. л., - Б. ц.

20. The cement standards of the world.

21. BS 1014: 1975, Specification for Pigments for Portlandcement and Portland cement products. British Standards Institution.