1.8. Цементы на основе портландцементного клинкера и активных минеральных добавок

1.8.1. Активные минеральные (гидравлические) добавки– это тонкодисперсные минеральные вещества, которые при затворении водой самостоятельно не твердеют, но, будучи добавлены к воздушной извести придают ей гидравлические свойства, т.е. способность твердеть под водой. Эта способность основана на том, что содержащиеся в активных минеральных добавках кремнезем (SiO₂) и глинозем (Al₂O₃), связывают известь в присутствии воды в нерастворимые гидросиликаты и гидроалюминаты кальция, обладающие гидравлическими свойствами. Активные минеральные добавки бывают природные и искусственные. К природным относятся некоторые горные породы как вулканического происхождения (вулканические пеплы, туфы, трассы), так и осадочного (диатомит, трепел, опока, глиежи). К искусственным относятся доменные и электротермофосфорные гранулированные шлаки, нефелиновый шлам, искусственно обожженые глинистые материалы, зола-унос. Среди этих веществ наибольшее значение имеютпуццоланы– вещества вулканического происхождения, содержащие SiO₂ и Al₂O₃в аморфной форме (быстро охлажденные вулканические породы, почти целиком состоящие из стекла и имеющие высокую активность) идоменный гранулированный шлак, получаемый в качестве побочного продукта при выплавке чугуна. Основными составляющими шлака являются СаО, SiO_2,Al₂O₃и MgO. Расплавленный шлак, выливаемый из домны, разбивают на гранулы (гранулируют), в результате чего облегчается их дальнейшая переработка. Грануляция имеет и другую цель – за счет быстрого охлаждения получить стекловидную структуру шлака и, тем самым, значительно повысить его гидравлическую активность.

1.8.2. Пуццолановый портландцемент (ППЦ)относится к сульфатостойким видам цемента. Его получают путем совместного помола портландцементного клинкера нормированного состава (C₃A≤8 %,Al₂O₃≤5 %, MgO≤5 %) и 20…40 % пуццоланы. При помоле добавляют гипс для регулирования сроков схватывания. При твердении ППЦ вначале образуются те же продукты, что и при гидратации портландцемента. Вслед за этим аморфный кремнезем пуццоланы, реагируя с образовавшимися Са(ОН)₂и 3CaO·Al₂O₃·6Н₂О (С₃АН₆), переводит их в малорастворимые низкоосновные гидросиликаты и гидроалюминаты кальция (реакции пуццоланизации):

Са(ОН)₂+SiO₂+Н₂О=CaO·SiO₂·Н₂О,

3CaO·Al₂O₃·6Н₂О+SiO₂=nCaO·Al₂O₃·xН₂О+mCaO·SiO₂·yН₂О.

Поскольку в составе продуктов гидратации ППЦ отсутствуют растворимый Са(ОН)₂ и высокоактивный С₃АН₆, он является более стойким, чем ПЦ, к выщелачиванию и сульфатной коррозии. По сравнению с портландцементом ППЦ твердеет медленнее, выделяет меньше тепла и имеет меньшую прочность, характеризуемую марками – 300 и 400, что объясняется замещением части клинкера менее активной пуццоланой. Водопотребность ППЦ, составляет 30…40 %, вместо 24…28 % у ПЦ. Морозостойкость и воздухостойкость бетонов на ППЦ низка, однако водонепроницаемость их выше, чем бетонов на ПЦ, т.к. гидравлическая добавка под влиянием известковой воды сильно набухает. ППЦ дешевле портландцемента и его выгодно применять в подводных и подземных частях конструкций; во внутренних зонах бетона гидротехнических сооружений. Вследствие пониженной морозостойкости и воздухостойкости его не следует использовать в атмосферных условиях и в зоне переменного уровня воды.

1.8.3. Шлакопортландцемент (ШПЦ) получают путем совместного помола портландцемент­ного клинкера и гранулированного доменного шлака (от 20 до 80 %) с добавлением гипса до 5 % от массы сухой смеси. Допускается замена части шлака (до 10 % от массы цемента) пуццоланой. При гидратации клинкерной части ШПЦ образуются те же кристаллогидраты, что и при твердении ПЦ. Под воздействием насыщенного раствора извести стекловидная фаза доменного шлака активизируется и вступает в процессы гидратации и гидролиза с образованием гидроалюминатов и гидросиликатов кальция. В шлакопортландцементе гипс не только замедляет схватывание, но и выступает в начальный период наряду с Ca(OH)₂ в роли активизатора твердения шлака. В дальнейшем и гипс и известь непосредст­венно реагируют со шлаковыми составляющими, образуя типичные для ШПЦ продукты: гидрогеленит и гидрогранаты. При твердении шлакопортландцемента образуются гидросиликаты мень­шей основности, чем при твердении портландцемента.

Преимущества ШПЦ перед ПЦ заключаются, во-первых, в более высокой водостойкости в пресных и сульфатных водах, что обусловлено низким содержа­нием в цементном камне Ca(OH)₂ и меньшей основностью силикатов, во-вторых, в более низкой (на 30…40 %) стоимости. Тепловыделение ШПЦ меньше тепловыделения ПЦ, что для массивных конструкций является крайне желательным. Высокая адгезия к стальной арматуре и способность при пропаривании набирать прочность быстрее ПЦ позволяют применять шлакопортландцемент на заводах железобетонных изделий. К недостаткам ШПЦ можно отнести пониженную по сравнению с ПЦ активность, в результате чего бетоны на этом цементе твердеют медленнее и имеют более низкие характеристики прочности, морозостойкости, водонепроницаемости. Марки ШПЦ по прочности: 300, 400, 500. По прочности и морозостойкости ШПЦ превосходит ППЦ, но уступает ему по водонепроницаемости. Водопотребность ШПЦ (20…25 %) несколько меньше, чем у портландцемента.

ШПЦ используют в массивных наземных, подземных и подводных сооружениях, в частности, при воздействии агрессив­ной среды; для изготовления бетонных и железобетон­ных изделий; в составе кладочных и штукатурных растворов. Не рекомендуется применять ШПЦ в конструкциях, подвергающихся по­переменному замораживанию и оттаиванию, увлажнению и вы­сыханию.

1.8.4. Сульфатостойкий шлакопортландцемент (ССШПЦ) в отличие от ШПЦ готовят из клинкера нормированного состава (C₃A≤8 %, Al₂O₃≤5 %, MgO≤5 %) и с содержанием доменного шлака от 40 до 60 %. Замена части шлака пуццоланой допускается в количестве не более 10 %. Сульфатостойкий шлакопортландцемент имеет две марки: 300 и 400. Он применяется в основном для под­земных и подводных частей бетонных и железобетонных конструкций, подвергающихся воздействию сульфат­ных и пресных вод.