СПЕЦИАЛЬНЫЕ ЦЕМЕНТЫ

Пуццолановый портландцемент

Это гидравлическое вяжущее, получаемое путем сов­местного тонкого измельчения портландцементного клин­кера, необходимого количества гипса и активной мине­ральной добавки либо тщательным смешиванием тех же материалов, измельченных раздельно. Содержание ак­Тивных минеральных добавок в пуццолановом портланд­цементе по ГОСТ 22266—76 должно составлять (в % массы цемента): добавок вулканического происхожде­ния, обожженной глины, глиежа или топливной золы—' не менее 25% и не более 40%; добавок осадочного' происхождения — не менее 20% и не более 30%. Коли­чество вводимой в состав цемента активной минеральной добавки зависит от ее активности. Чем она выше, тем меньше добавки надо вводить в Состав пуццоланового портландцемента для химического связывания гидрок­сида кальция, образующегося в процессе гидратации клинкерной части цемента.

Пуццолановый портландцемент выпускается у нас в количестве около 5 млн. т. Для производства пуццолано - вых портландцементов применяются различные виды ак­тивных минеральных добавок. На цементных заводах Брянском, Кричевском, Броценском, Акмянском, Гиганте и др. применяется брянский трепел с' активностью около 300 мг/г; Вольская опока той же активности использует­ся на Вольских цементных заводах, а баканская опока с активностью около 250 мг/г — новороссийскими цемент­ными заводами. Алексеевский завод потребляет мест­ную опоку активностью около 250 мг/г, Сенгилеевский завод — местный трепел активностью около 300 мг/г. Для производства белого портландцемента на Щуров - ском и Таузском цементных заводах расходуют кисатиб - ский диатомит с активностью около 300 мг/г, среднеази­атские заводы — глиеж с низкой активностью 30—50 мг/г. Вулканические туфы с активностью 50—70 мг/г приме­няются на дальневосточных заводах; пемзы и туфы при­мерно той же активности — на Закавказской группе це­ментных заводов, витофиры с активностью около 70 мг/г — на Семипалатинском заводе. Зола ТЭЦ исполь­зуется в качестве добавки к портландцементу на Ангар­ском комбинате.

Технологическая схема производства пуццолановых портландцементов обычная. Она заключается в сушке активной минеральной добавки и подаче ее в установ­ленном количестве в цементные мельницы для совмест­ного помола с клинкером при принятой дозировке гипса. Сушка материала при температурах, не превышающих 479—573 К, заметно не влияет на активность добавок. Однако наши исследования показали, что если в трепе­ле есть глинистые примеси, то сушка при 873—973 К несколько повышает его активность; рациональная тем­пература сушки для добавок вулканического происхож­дения должна устанавливаться на основе эксперимен­тальных исследований.

Твердение пуццолановых портландцементов происхо­дит в результате совокупного влияния процессов гидра­тации клинкерной части (клинкерных фаз) и реакций химического взаимодействия гидратных новообразова­ний с активными компонентами добавки. В первую оче­редь взаимодействуют добавки с гидроксидом кальция, присутствующим в жидкой фазе твердеющей системы. Этот процесс идет, как правило, медленно. Исследова­ния показали, что при рациональном содержании, напри­мер 30% трепела в цементе, гидроксид кальция еще пол­ностью не будет связан с кремнеземом трепела даже примерно через год. Реакция эта протекает при тверде­нии цемента в воде либо в сильно влажной среде; про­тивопоказано твердение в первоначальный период на воздухе, так как возможно высыхание цементного кам­ня, что замедлит либо даже прервет эту реакцию. В твердеющем пуццолановом портландцементе концентра­ция извести в жидкой фазе вследствие ее связывания активной добавкой понижается. Это способствует фор­мированию низкоос'новных гидросиликатов кальция CSH(B), с отношением С : S до 0,8, ибо, как уже отмеча­лось, основность гидросиликата кальция (С : S) зависит от концентрации гидроксида кальция в жидкой фазе.

При низкой концентрации извести неустойчивыми оказываются высокоосновные гидроалюминаты кальция. В результате наблюдается их переход в низкоосиовные гидроалюминаты типа хСаО-А120-г/Н20. Возможно так­же, преимущественно при тепловлажностной обработке, образование гидрогранатов кальция — ЗСа0-А1203- •Si02(6—2х)Н20. При повышенном содержании реакци - онноспособного (растворимого) глинозема в добавке и низкой ее активности возможно образование дополни­тельного количества С3АН6 за счет взаимодействия с гидроксидом кальция. Высокое содержание раствори­мого глинозема обычно характерно для глиежа, глини - та и некоторых видов вулканических туфов, что может привести к образованию дополнительного количества гидросульфоалюмипата кальция и изменению сульфато - стойкости и некоторых других свойств пуццолановых портландцементов.

Пуццолановый портландцемент во многом отличает­ся от портландцемента. Плотность его несколько мень­ше и равна 2,7—2,9 г/см3, поэтому при одинаковой до­зировке по массе он дает больший выход раствора или бетона. Мягкие оыхль! е добавки — трепел и диатомит в составе цемента увеличивают нормальную густоту це­ментного теста до 35% вместо 24—26%; добавки вулка­нического происхождения и искусственные повышают нормальную густоту в меньшей степени. Это приводит к увеличению водопотребности бетонной смеси на пуццо - лановых портландцементах, что несколько замедляет нарастание прочности бетона. По срокам схватывания пуццолановые цементы не отличаются от портландце­мента. Поскольку реакционная способность активных добавок вулканического происхождения, а также глие - жа увеличивается с дисперсностью, тонкость помола пуццоланового портландцемента с этими добавками должна быть повышенной. При использовании рыхлых пород, например трепела, удельная поверхность цемен­та возрастает иногда в процессе измельчения за счет дисперсности добавки, а не клинкерной части, что сле­дует учитывать при производстве этих цементов.

Пуццолановые портландцемента отличаются несколько замедленным твердением при нормальной температуре в первые сроки и при испытании в раство­рах пластичной консистенции не достигают показателей прочности на сжатие, характерных для исходных порт­ландцементов к 28-ми суткам. При твердении во влаж­ных условиях или в воде прочность пуццоланового порт­ландцемента во времени повышается и превышает прочность исходного портландцемента не только на из­гиб, но и на сжатие. Наши исследования показали, что при активном клинкере, рациональном содержании до­бавки и гипса и особенно при весьма топком помоле можно существенно повысить прочность цемента.

Для нормального роста прочности необходимо обес­печить высокую влажность среды в начальный период твердения цемента, после чего он может твердеть на' воздухе, рост прочности при этом будет меньше. По воздухостойкости он уступает портландцементу. Падение температуры примерно ниже 283 К резко замедляет ско­рость его твердения, что вызывает необходимость в искусственном обогреве. Пропаривание ускоряет твер­дение бетонов на пуццолановых портландцементах, одна­ко если в последующем бетон будет твердеть во влаж-т' ных условиях или в воде, целесообразно применять тепловлажностную обработку.

Образующиеся в результате химического связывания гидроксида кальция набухшие гидросиликаты кальция заполняют микропоры в растворах и бетонах, что вызы­вает уплотнение их структуры и придает им водонепро­ницаемость. Тем самым в значительной степени устра­няется возможность выщелачивания свободной извести под напором воды.

Пуццолановые портландцемента обладают повышен­ной связующей способностью, придают растворным и бетонным смесям большую пластичность и соответст­венно удобообрабатываемос'ть, не отличаются от порт­ландцемента по показателям сцепления с арматурой в железобетоне. Водоотделение в цементных растворах и бетонах заметно уменьшается при мягких добавках (тре­пеле и др.). При гидратации пуццолановых портландце­ментов наблюдается меньшее тепловыделение, чем у портландцемента; замена 30—40% клинкера добавкой вызывает уменьшение экзотермии, но непропорциональ­но количеству добавки, так как при равномерном рас­пределении ее частиц в цементе клинкерные зерна раз­двигаются, что содействует более глубокой их гидра­тации.

Тепловыделение зависит от химико-минералогическо - го состава исходного клинкера, активности добавки и тонкости помола цемента. Поэтому количество тепла, выделяющегося при гидратации пуццолановых портланд­цементов, не поддается хотя бы примерному предвари­тельному расчету и должно устанавливаться экспери­ментальным путем. Пуццолановые портландцемента отличаются повышенной усадкой, которая, так же как и тепловыделение, зависит от ряда факторов. Заметное увеличение усадки связано с повышением водопотреб- иости при применении мягких рыхлых добавок — тре­пела и др.

Пуццолановые портландцемента характеризуются большей способностью к пластической деформации во влажных условиях при постоянной температуре, чем портландцемент, причем бетоны на этих цементах отли­чаются высокой трещиностойкостью, что особенно ценно для массивных бетонных гидротехнических сооружений. Пуццолановые портландцемента придают растворам и бетонам несколько пониженную морозостойкость, в осо­бенности, когда многократным (более 100 циклов) попе­ременным замораживанием и оттаиванием испытывают еще недостаточно прочный Раствоп или бетон в ранние сроки твердения. При применении пуццолановых порт­ландцементов, в которых содержатся активные мине-' ральные добавки с плотной структурой, не увеличиваю­щие водопотребность бетона, морозостойкость понижа­ется менее заметно. Это происходит тогда, когда мороз' воздействует на длительно твердевший бетон с уже по­вышенной плотностью и прочностью, например шести­месячного срока твердения.

Пуццолановый портландцемент выпускается марок 300, 400 и применяется главным образом в сооружениях, подвергающихся воздействию пресных вод: в подводных конструкциях при строительстве речных гидротехниче­ских сооружений (порты, каналы, плотины, шлюзы и' т. п.); в водопроводных сооружениях; при строительст­ве туннелей и других подземных сооружений, при про­ходке шахт и т. п.; при кладке фундаментов и подвалов гражданских и промышленных зданий. Поскольку пуц­цолановый портландцемент отличается пониженной воз­духопроницаемостью, нецелесообразно применять его' для надземных железобетонных сооружений в условиях воздушного твердения. Быстрое высыхание цемента мо­жет приостановить его твердение и вызвать сильные уса­дочные явления. Нельзя использовать пуццолановый портландцемент для частей сооружений, находящихся в зоне переменного действия воды и подвергающихся постоянному увлажнению и высыханию, замораживанию и оттаиванию.

Одно из важных свойств пуццолановых портландце­ментов— повышенная сульфатостойкость из-за незначи­тельного содержания несвязанного гидроксида кальция и повышенной водонепроницаемости. Поэтому пуццола - новые портландцементы у нас отнесены к сульфато - стойким, регламентируемым ГОСТ 22266—76 на «це­менты сульфатостойкие» (см. гл. 6). Выпускаются эти цементы на 40 заводах страны.

В условиях необходимости экономить топливно-энер­гетические ресурсы, чему способствует замена клинкера' соответствующими промышленными отходами, сущест­венно повысилась значимость проблемы применения, в частности, золы-уноса тепловых электростанций в каче­стве активной минеральной добавки для производства' пуццолановых портландцементов.

Зольные цементы. Зольные цементы являются разно­видностью пуццолановых портландцементов, регламен­тируемых действующим ТУ 34-70-10347-81. Их получают совместным помолом либо смешением портландцемент­ного клинкера и золы-унос при небольшой добавке гип­са. Зола-унос является попутным продуктом сжигания некоторых видов твердого топлива в пылевидном состоя­нии и улавливается электрофильтрами и другими уст­ройствами. Ее частицы бывают грубо- и тонкодисперс­ными и могут содержать небольшие количества несго - ревшего топлива, являющегося вредным компонентом.

Золы-унос разделяются на кислые и основные. По ОСТ 21-9-74 кислые золы-унос содержат обычно более 10—12%СаО и характеризуются количеством Si02+ 4-Al203+Fe203 более 70%. В основных золах общее ко­личество СаО может достигать 40—50% и СаОСВОб — 12—20%. По удельной поверхности золы-уноса подраз­деляются на классы. А — 3000 и Б — 2000 см2/г. Зо­ла-унос по составу приближается к обожженной глине с разным содержанием глинозема и оксидов железа и отличается значительным содержанием почти шаровид­ных частиц стекла, а также кварца, муллита и др. В за­висимости от вида сжигаемого топлива и других условий активность зол-уиоса значительно колеблется, но неко­торые их виды обладают хорошими гидравлическими свойствами.

ГОСТ на портландцемент с минеральными добавками допускает содержание в составе цемента до 15% зо­лы-уноса. Количество же ее в составе зольного цемента регламентируется установленными нормами на пуццола- новый портландцемент в пределах 25—40%- Золу-унос а часто применяют при приготовлении бетон-' ных смесей в качестве компонента обычного, а также гидротехнического бетона, причем установлено, что вве-' дение в бетонную смесь 20—25% золы-уноса обусловли­вает почти соответствующую экономию цемента при сох­ранении прочности бетона [129]. Весьма эффективна тепловлажпостиая обработка зольного цемента (бетона).

Пониженная водопотребность зольных цементов спо­собствует повышению водонепроницаемости и в боль­шинстве случаев также сульфатостойкости бетона. Вы­явилось, что новые гидратные фазы, образовавшиеся в результате химического взаимодействия портлаидцемсн-' та с золой, относительно быстро карбонизируются, что повышает прочность цементного камня. Продукты гид­ратации основных зол-унос образуются по обычной для портландцемента схеме и содержат эттрингит, порт - лаидит и соответствующее количество геля С—S—Н [93]. В современных условиях, когда необходимы малоэнер­гоемкие технологии, производство и применение зольных цементов весьма целесообразно [12]. Известно строительство многих гидротехнических соору­жений у нас и за рубежом с частичной заменой порт­ландцемента золой-уноса. В значительных объемах при­меняет золы ТЭС Ангарский цементный завод и в срав­нительно ограниченном количестве еще девять цемент­ных заводов.