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 мате‑
риалы 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 осно‑

ве портландцементного клинкера, виды добавок, особенности производства, обла‑
сти применения. Приведены физико‑химические закономерности влияния добавок 
на свойства и гидратацию вяжущих материалов. Издание предназначено для изуче‑
ния курсов «Вяжущие материалы» и «Химическая технология производства вяжу‑
щих материалов» студентов всех форм обучения по направлению подготовки бака‑
лавров 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 монолит‑
ного бетонирования, попытки использования специальных 
3D‑принтеров, строительство не отдельных домов, а много‑

этажных жилых комплексов с развитой подземной инфраструктурой 
требует от индустрии строительных материалов производства особых 
цементов со специальными свойствами. Эти цементы должны характе‑
ризоваться 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 — из‑
меняя минералогический состав клинкера. Как известно, в системе 
CaO–Al2O3–SiO2 существует область кристаллизации его составов. 
Очевидно, что клинкеры, получаемые в одном секторе, будут отли‑
чаться по своим свойствам от клинкеров, находящихся в противо‑
положном 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, обусловливаю‑
щий их свойства, но в некоторых случаях требуются особые сырьевые 
материалы, дополнительные технологические переделы и оборудова‑
ние, как, например, при производстве белого цемента.

В данном случае следует напомнить о характеристиках общестрои‑

тельного клинкера. Согласно ГОСТ 31108–2016 суммарное содержа‑
ние минералов‑силикатов в нем должно быть не менее 67 %, отношение 
CaO/SiO2 — не менее 2,0 и содержание MgO — не более 5 %, в отдель‑
ных случаях допускается до 6 при условии, что он выдерживает испыта‑
ния 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 сме‑
шанные цементы: пуццолановые, тампонажные, шлакопортландце‑
мент, с поверхностно‑активными добавками, цветные. В этом случае 
клинкер является одним из компонентов вяжущего, хотя по своему 
минералогическому составу ничем не отличается от общестроитель‑
ного, но появляются новые сырьевые материалы — добавки, коли‑
чество которых меняется от 0,3 у вяжущих с поверхностно‑активны‑
ми 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 пе‑
чью, таким как «Невьянский цементник» и ряду других, иметь обшир‑
ный 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 со‑
става вяжущего вещества. Это означает, что в такие цементы возмож‑
но введение еще дополнительного количества добавок, призванных 
улучшить свойства получаемых вяжущих или бетонов на их основе.

Вещества, вводимые в качестве компонентов вещественного со‑

става, 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 раз‑

мола, 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 ак‑

тивность цемента;

— пластификаторы — снижающие водопотребность.

Вторые классифицируются:
— на водоудерживающие. Они повышают седиментационную 

устойчивость цементного теста, снижают его водоотделение;

— гидрофобизующие, то есть повышающие устойчивость цемен‑

та к воздействию влаги воздуха;

— регулирующие объемные (линейные) деформации цементного 

камня (расширение или усадку цемента);

— регулирующие тепловыделение. Снижают или повышают тепло‑

ту гидратации за определенный срок;

— улучшающие декоративные свойства цементов: повышают бе‑

лизну 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 использо‑

вать 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 веще‑
ственного состава

Экономия клинкера
Снижение доли клинкера боль‑
ше, чем снижение его активно‑
сти

Технологические
Интенсификация  
помола

Сокращение продолжительно‑
сти помола до заданной дис‑
персности не менее чем на 10 % 

Регуляторы сро‑
ков схватывания

Ускорение или замед‑
ление схватывания

Изменение классификационно‑
го признака

Ускорители твер‑
дения

Повышающие проч‑
ность в различные  
сроки

Не менее 10 % в возрасте 1 или 
3 сут

Пластификаторы
Снижение водопотреб‑
ности

Снижение нормальной густоты 
не менее чем на 3 %

Водоудерживаю‑
щие

Уменьшающие водоот‑
деление

Не менее чем на 10 %

Гидрофобизаторы Повышающие сохран‑

ность цемента

Увеличение времени всасыва‑
ния капли воды 

Регулирующие 
деформацию при 
твердении

Снижение усадки или 
изменение расширения 
в заданных пределах

Изменение линейных деформа‑
ций не менее чем на 50 %

введение

Вид добавки
Основной эффект
Критерий

Регулирующие те‑
пловыделение

Снижение тепловыде‑
ления

Не менее чем на 10 % в возрас‑
те 7 сут

Улучшающие  
декоративные 
свойства

Улучшение цвета,  
повышение белизны

Соответствие эталону цвета, по‑
вышение сортности

Регулирующие 
плотность це‑
ментного теста 
и растворов  
тампонажных  
цементов 

Облегчение, утяже‑ 
ление

Изменение классификационно‑
го признака

В первых пяти главах учебного пособия рассмотрены вяжущие, по‑

лучаемые изменением минерального состава клинкера, в остальных — 
введением соответствующих добавок. Основное внимание при этом 
уделено добавкам‑компонентам вещественного состава, пластифи‑
каторам и гидрофобизаторам, видам и свойствам пуццолановых до‑
бавок и шлаков.

Технология производства полностью не показана, поскольку она 

мало отличается от получения общестроительного портландцемен‑
та. Основные отличия могут быть связаны только с изменением ре‑
жимов работы некоторых агрегатов. Описаны отдельные новые пере‑
делы 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 нор‑
мальном твердении в двухсуточном возрасте показывает не ме‑
нее 30–50, а в трехсуточном 75–80 % от своей классной проч‑

ности, хотя по ГОСТ 31108–2016 последний показатель не нормируется. 
После тепловлажностной обработки он может показывать до 90 % ме‑
сячной прочности. На ряду с быстротвердеющими, промышленность 
строительных материалов выпускает высокопрочные и особобыстрот‑
вердеющие портландцементы. Разница между двумя последними по ми‑
неральному составу, способу производства и свойствам незначительна.  
Высокопрочные цементы в возрасте 28 сут показывают 70–80 МПа.

Получение быстротвердеющих цементов предполагает создание ус‑

ловий, 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 доста‑
точно большое количество научных работ. Очевидно, что для его по‑
нимания 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 про‑
цесс твердения на три стадии (периода), которые могут накладывать‑
ся друг на друга, поскольку в объеме одной частицы на разной глубине 
одновременно могут идти различные процессы. Первая стадия — рас‑
творение и образование насыщенного раствора, как и у Ле‑Шателье. 
Здесь происходит небольшой подъем температуры, поскольку экзо‑
термия реакций гидратации частично компенсируется эндотерми‑
ей растворения. Вторая стадия — образование коллоидной массы — 
схватывание теста. Происходит прямое присоединение воды к твердой 
фазе, образование высокодисперсных гидратных соединений колло‑
идных размеров. Эти процессы сопровождаются выделением тепла. 
Тесто схватывается, но прочности пока не приобретает, поскольку 
между частицами нет сцепления. Третий период характеризуется пе‑
рекристаллизацией коллоидных частичек в более крупные, срастание 
их между собой, что приводит к росту механической прочности систе‑
мы, то есть твердению.

Развил представления А. А. Байкова В. Н. Юнг, предложивший те‑

орию о микробетоне. Он указал, что затвердевший цемент состоит 
из коллоидальной изотропной массы, большого количества рассеян‑
ных в ней микрокристаллов и неразложившихся зерен клинкера раз‑
личных размеров. Поскольку подобная масса неоднородна, то цемент‑
ный 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 спе‑
циальных свойств различных цементов необходимо изучать и рацио‑
нально строить минеральный и гранулометрический состав вяжущих 
материалов [3, с. 386].

А. Е. Шейкин, основываясь на приведенных выше теориях, предпо‑

ложил, что при гидратации минералов портландцементного клинкера 
образуется два вида новообразований: кристаллические и гелеподоб‑
ные. Первые образуют скелет и отвечают за прочностные характери‑
стики цементного камня. Вторые заполняют пространство между твер‑
деющей массой и отвечают за такие свойства, как морозостойкость, 
сульфатостойкость и ряд других. При этом свойства затвердевшего це‑
ментного камня зависят от того, какие новообразования преобладают. 
А. Е. Шейкин предлагает расчет безразмерного коэффициента, назна‑

1.1. Физико-химические основы ускорения процессов твердения 

чая величину которого можно добиться соответствующей структуры 
и прочности затвердевшего вяжущего [4, с. 11].

По мнению В. Ф. Журавлева, клинкерные минералы представляют 

собой неустойчивые соединения. При взаимодействии с водой они бу‑
дут ее поглощать, а вследствие различных по размерам и формам пу‑
стот и скважин в кристаллических ячейках скорость проникновения 
воды, и соответственно их гидратация, будет различной. В результа‑
те образования и утолщения на поверхности зерен цемента гидратных 
оболочек последние разрушаются по плоскостям наименьшей проч‑
ности и переходят в воду затворения в виде большого количества мел‑
ких кристаллов новообразований. Сцепление последних обусловлива‑
ет механическую прочность затвердевшего цементного камня [4, с. 13].

Вышеприведенные теории имеют ряд общих моментов, исходя 

из которых можно представить взаимодействие цемента с водой сле‑
дующим образом. Процессы гидратации развиваются на поверхности 
зерен вяжущего. При их малых размерах это приводит к появлениям 
коллоидов. В момент затворения частички окружены газовыми обо‑
лочками из воздуха, углекислоты и паров воды. Вода вытесняет газы 
и окружает частички, начинается процесс гидратации, в результате 
которого молекулы твердого вещества переходят в раствор. В первую 
очередь в раствор переходят новообразования, получаемые за счет ги‑
дратации C3A, далее Ca (OH)2, который образуется при взаимодей‑
ствии с водой C3S.

Вода, окружающая зерно, быстро насыщается гидроксидом каль‑

ция, гидратами алюминатов и ферритов кальция. Поскольку все эти 
соединения плохо растворимы, то образуются неустойчивые, метаста‑
бильные пресыщенные коллоидные растворы. Процесс образования 
подобных растворов получил название начала схватывания вяжущего 
вещества. Не прореагировавшие до конца зерна цемента продолжают 
выделять новые порции гидратов, создающих неустойчивость и неод‑
нородность системы. Это приводит к распаду коллоидного геля и вы‑
делению из него субмикрокристаллов, что обеспечивает уплотнение 
всей системы и характеризуется ростом прочности твердеющего це‑
мента. С течением времени уплотнение достигает максимальных ре‑
зультатов, обусловливающих превращение всей системы в затвердев‑
ший монолит [4, с. 14].

Исходя из вышесказанного, возникает вопрос: какова роль отдель‑

ных клинкерных минералов в быстром твердении и высокой двухсу‑

1. БыстрОтвердеющие цементы 

точной прочности? Для ответа на него можно рассмотреть четыре вида 
цементов: с преобладанием алита, белита, трехкальциевого алюмина‑
та и браунмиллерита (табл. 2). 

Таблица 2 

Состав продуктов гидратации цементов [4, с. 17] 

№ 
п/п

Фазовый состав цемента, 

мас. %

Воз‑
раст 

гидра‑
тации, 

сут

Продукты гидратации, 

мас. %

Доля 
непро‑
реагиро‑
вавшего 
клинкера, 

мас. %
C3S
C2S
C3A
C4AF

Ca(OH)2

2CaO · SiO2 · H2O

3CaO · Al2O3 · 6H2O

CaO · Fe2O3 · H2O

1
82,47
0,71
9,59
5,38

1
6,00
13,00 11,20 1,10
69,00

3
12,00 25,00 12,00 1,00
50,00

28
20,00 42,00 13,00 2,00
23,00

2
9,61
65,25
10,47
13,80

1
0,50
3,50
13,50 2,50
80,00

3
1,00
7,00
17,00 3,00
72,00

28
2,00
18,00 18,00 4,00
58,00

3
59,32
19,20
16,60
5,85

1
4,00
10,60 15,00 1,00
70,00

3
8,00
20,00 18,00 1,00
53,00

28
13,00 33,50 21,00 1,50
31,00

4
56,39
18,25
–
25,05

1
4,00
8,00
8,00
5,00
75,00

3
8,50
17,00 10,50 6,00
58,00

28
13,00 33,00 13,00 8,00
33,00

Из данных вяжущих будет быстрее твердеть и отличается наиболь‑

шей прочностью цемент № 1 (алитовый). Медленнее всех твердеет 
и имеет минимальные показатели Rсж цемент № 2 (белитовый). Остав‑
шиеся два занимают промежуточное положение. Рассмотрение мине‑
рального состава цементов № 1 и 2 и их продуктов гидратации пока‑
зывает, что первый содержит более 82 % алита фактически при полном 
отсутствии белита, второй, наоборот, более 65 % C2S при очень малом 
C3S. Также существенно отличается содержание продуктов гидратации: 
намного отличается суммарное содержание гидроксида и гидроалю‑
мината кальция в начальные сроки, в дальнейшем оно выравнивает‑
ся. Однако у первого, алитового, больше доля Ca (OH)2. Это указывает 
на то, что алит взаимодействует с водой лучше, чем белит. Действи‑