4. Пуцолановий портландцемент

Це гідравлічне в'яжуче, що отримується шляхом спільного тонкого подрібнення портландцементного клінкеру, необхідної кількості гіпсу і активної мінеральної добавки або ретельно змішуванням тих же матеріалів, подрібнених роздільно. Вміст активних мінеральних добавок у пуцолановому портландцементі за ГОСТ повинна складати (у% маси цементу): добавок вулканічного походження, обпаленої глини, глієжі або паливної золи - не менше 25% і не більше 40%; добавок осадочного походження - не менше 20% і не більше 30%. Кількість введеної до складу цементу активної мінеральної добавки залежить від її активності. Чим вона вища, тим менше добавки треба вводити до складу пуцоланового портландцементу для хімічного зв'язування гідроксиду кальцію, що утворюється в процесі гідратації клінкерної частини цементу.

Пуцолановий портландцемент випускається у нас в кількості близько 5 млн. т. Для виробництва пуццолана-вих портландцементів застосовуються різні види активних мінеральних добавок. На цементних заводах Брянськом, Кричевського, Броценском, Акмянском, Гіганте та ін застосовується брянський трепел з активністю близько 300 мг / г; Вольська опока тієї ж активності використовується на Вольських цементних заводах, а Баканська опока з активністю близько 250 мг / г - новоросійський цементними заводами. Олексіївський завод споживає місцеву опоку активністю близько 250 мг / г, Сенгилєєвський район завод - місцевий трепел активністю близько 300 мг / м. Для виробництва білого портландцементу на Щуровским і Таузського цементних заводах витрачають кісатібскій діатоміт з активністю близько 300 мг / г, середньоазіатські заводи - глієжі з низькою активністю 30-50 мг / м. Вулканічні туфи з активністю 50-70 мг / г застосовуються на далекосхідних заводах; пемзи і туфи приблизно тієї ж активності - на Закавказької групі цементних заводів, вітофіри з активністю близько 70 мг / г - на Семипалатинському заводі. Зола ТЕЦ використовується в якості добавки до портландцементу на Ангарському комбінаті.

Технологічна схема виробництва пуцоланових портландцементів звичайна. Вона полягає в сушінні активної мінеральної добавки і подачі її в установленому кількості в цементні млини для сумісного помелу з клінкером при прийнятій дозуванні гіпсу. Сушіння матеріалу при температурах, що не перевищують 479-573 К, помітно не впливає на активність добавок. Однак наші дослідження показали, що якщо в трепелу є глинисті домішки, то сушка при 873-973 До трохи підвищує його активність; раціональна температура сушки для добавок вулканічного походження повинна встановлюватися на основі експериментальних досліджень.

Твердіння пуцоланових портландцементів відбувається в результаті сукупного впливу процесів гідратації клінкерної частини (клінкерних фаз) і реакцій хімічної взаємодії гідратних новоутворень з активними компонентами добавки. У першу чергу взаємодіють добавки з гідроксидом кальцію, присутніх в рідкій фазі твердіє системи. Цей процес йде, як правило, повільно. Дослідження показали, що при раціональному змісті, наприклад 30% трепелу в цементі, гідроксид кальцію ще повністю не буде пов'язаний з кремнеземом трепелу навіть приблизно через рік. Реакція ця протікає при твердінні цементу у воді або в сильно вологому середовищі; протипоказано тверднення в початковий період на повітрі, так як можливо висихання цементного каменю, що сповільнить або навіть перерве цю реакцію. У твердіє пуцолановому портландцементі концентрація вапна в рідкій фазі внаслідок її зв'язування активною добавкою знижується. Це сприяє формуванню низькоосновних гідросилікатів кальцію CSH (B), з відношенням С: S до 0,8, бо, як уже зазначалося, основність гідросилікату кальцію (C: S) залежить від концентрації гідроксиду кальцію в рідкій фазі.

При низькій концентрації вапна нестійкими виявляються високоосновні гідроалюмінат кальцію. У результаті спостерігається їх перехід в нізкоосіовние гідроалюмінат. Можливо також, переважно при тепловологісної обробці, освіта гідрогранатов кальцію. При підвищеному вмісті реакційноздатного (розчинної) глинозему в добавці і низькою її активності можливе утворення додаткової кількості С3АН6 за рахунок взаємодії з гідроксидом кальцію. Високий вміст розчинної глинозему зазвичай характерно для глієжі, глини-та і деяких видів вулканічних туфів, що може призвести до утворення додаткової кількості гідросульфоалюміпата кальцію і зміни сульфатостійкості і деяких інших властивостей пуцоланових портландцементів.

Пуцолановий портландцемент багато в чому відрізняється від портландцементу. Щільність його трохи менше і дорівнює 2,7-2,9 г/см3, тому при однаковій дозі масі він дає більший вихід розчину або бетону. М'які пухкі добавки - трепел та діатоміт в складі цементу збільшують нормальну густоту цементного тіста до 35% замість 24-26%; добавки вулканічного походження і штучні підвищують нормальну густоту у меншій мірі. Це призводить до збільшення водопотребности бетонної суміші на пуцоланових портландцементах, що дещо уповільнює наростання міцності бетону. По термінах схоплювання пуццоланові цементи не відрізняються від портландцементу. Оскільки реакційна здатність активних добавок вулканічного походження, а також глієжі збільшується з дисперсністю, тонкість помелу пуцоланового портландцементу з цими добавками повинна бути підвищеною. При використанні пухких порід, наприклад трепелу, питома поверхня цементу зростає іноді в процесі подрібнення за рахунок дисперсності добавки, а не клінкерної частини, що слід враховувати при виробництві цих цементів.

Пуццоланові портландцементу відрізняються дещо уповільненим твердненням при нормальній температурі в перші терміни і при випробуванні в розчинах пластичної консистенції не досягають показників міцності на стиск, характерних для вихідних портландцементів до 28-ми діб. При твердінні у вологих умовах або у воді міцність пуцоланового портландцементу в часі підвищується і перевищує міцність вихідного портландцементу не тільки на вигин, але і на стиск. Наші дослідження показали, що при активному клінкері, раціональному змісті добавки та гіпсу і особливо за дуже Топком помелі можна істотно підвищити міцність цементу.

Для нормального росту міцності необхідно забезпечити високу вологість середовища в початковий період твердіння цементу, після чого він може тверднути на повітрі, зростання міцності при цьому буде менше. За воздухостоікості він поступається портландцементу. Падіння температури приблизно нижче 283 К різко сповільнює швидкість його твердіння, що викликає необхідність у штучному обігріві. Пропарювання прискорює твердіння бетонів на пуцоланових портландцементах, проте якщо в подальшому бетон буде тверднути у вологих умовах або у воді, доцільно застосовувати тепловологу обробку.

Утворені в результаті хімічного зв'язування гідроксиду кальцію набряклі гідросилікати кальцію заповнюють мікропори в розчинах і бетонах, що викликає ущільнення їх структури і надає їм водонепроникність. Тим самим у значній мірі усувається можливість вилуговування вільного вапна під натиском води.

Пуццоланові портландцементи мають підвищену сполучною здатністю, надають розчинових і бетонних сумішей велику пластичність і відповідно удобообрабативаемость, не відрізняються від портландцементу за показниками зчеплення з арматурою в залізобетоні. Водовідділення в цементних розчинах і бетонах помітно зменшується при м'яких добавках (трепел та ін.) При гідратації пуцоланових портландцементів спостерігається менше тепловиділення, ніж в портландцементу; заміна 30-40% клінкеру добавкою викликає зменшення екзотермії, але непропорційно кількості добавки, тому що при рівномірному розподілі її часток у цементі клінкерні зерна розсуваються, що сприяє більш глибокої їх гідратації. Тепловиділення залежить від хіміко-мінералогічного складу вихідного клінкеру, активності добавки і тонкості помелу цементу. Тому кількість тепла, що виділяється при гідратації пуцоланових портландцементів, не піддається хоча б приблизного попереднім розрахунком і повинно встановлюватися експериментальним шляхом. Пуццоланові портландцементи відрізняються підвищеною усадкою, яка, так само як і тепловиділення, залежить від ряду факторів. Помітне збільшення усадки пов'язано з підвищенням водопотребности при застосуванні м'яких пухких добавок - трепелу та ін

Пуццоланові портландцементи характеризуються більшою здатністю до пластичної деформації у вологих умовах при постійній температурі, ніж портландцемент, причому бетони на цих цементах відрізняються високою трещиностойкостью, що особливо цінно для масивних бетонних гідротехнічних споруд. Пуццоланові портландцементи надають розчинів і бетонів кілька знижену морозостійкість, особливо, коли багаторазовим (більше 100 циклів) поперемінним заморожуванням і відтаванням випробовують ще недостатньо міцний оаствоп або бетон в ранні терміни твердіння. При застосуванні пуцоланових портландцементів, в яких містяться активні мінеральні добавки з щільною структурою, що не збільшують водопотребность бетону, морозостійкість знижується менш помітно. Це відбувається тоді, коли мороз впливає на довгостроково твердевшій бетон з вже підвищеною щільністю і міцністю, наприклад шестимісячного терміну твердіння.

Пуцолановий портландцемент випускається марок 300, 400 і застосовується головним чином у спорудах, які зазнають впливу прісних вод: у підводних конструкціях при будівництві річкових гідротехнічних споруд (порти, канали, греблі, шлюзи і т. п.); у водопровідних спорудах; при строітельствве тунелів і інших підземних споруд, при проходці шахт і т. п.; при кладці фундаментів і підвалів цивільних і промислових будівель. Оскільки пуцолановий портландцемент відрізняється зниженою повітропроникністю, недоцільно застосовувати його для надземних залізобетонних споруд в умовах повітряного твердіння. Швидке висихання цементу може призупинити його тверднення і викликати сильні усадочні явища. Не можна використовувати пуцолановий портландцемент для частин споруд, що знаходяться в зоні змінного дії води і які піддаються постійному зволоженню і висиханню, заморожування і відтавання.

Одне з важливих властивостей пуцоланових портландцементів - підвищена сульфатостойкост' через незначного вмісту незв'язаного гідроксиду кальцію і підвищеної водонепроникності. Зольні цементи. Зольні цементи є різновидом пуцоланових портландцементів, що регламентуються діючим ТУ. Їх отримують спільним помелом або змішанням портлаідцементного клінкеру і золи-винесення при невеликій добавці гіпсу. Зола-винесення є попутним продуктом спалювання деяких видів твердого палива в пилоподібному стані і вловлюється електрофільтрами та іншими пристроями. Її частки бувають грубо-і тонкодисперсних і можуть містити невеликі кількості незгорілого палива, що є шкідливим компонентом. Золи-винесення розділяються на кислі і основні. Зола-винесення за складом наближається до обпаленої глини з різним вмістом глинозему і оксидів заліза і відрізняється значним вмістом майже кулястих часток скла, а також кварцу, муллита та ін У залежності від виду палива, що спалюється та інших умов активність зол-винесення значно коливається, але деякі їх види мають гарні гідравлічними властивостями.

ГОСТ на портландцемент з мінеральними добавками допускає вміст у складі цементу до 15% золи-винесення. Кількість же її у складі зольного цементу регламентується встановленими нормами на пуцолановий портландцемент в межах 25-40%. Золу-винесення часто застосовують при приготуванні бетонних сумішей як компонента звичайного, а також гідротехнічного бетону, причому встановлено, що введення в бетонну суміш 20-25% золи-винесення обумовлює майже відповідну економію цементу при збереженні міцності бетону. Дуже ефективною тепловлажпостіая обробка зольного цементу (бетону). Знижена водопотребность зольних цементів сприяє підвищенню водонепроникності і в більшості випадків також сульфатостійкості бетону. Виявилося, що нові гідратів фази, що утворилися в результаті хімічної взаємодії портландцементу з золою, відносно швидко карбонізується, що підвищує міцність цементного каменю. Продукти гідратації новних зол-винесення утворюються за звичною для портландцементу схемою і містять еттрінгіт, портлаідіт і відповідну кількість гелю С-S-Н. У сучасних умовах, коли необхідні малоенергоємних технології, виробництво і застосування зольних цементів дуже доцільно.