12. Многокомпонентные цементы с природными минеральными добавками
В ряде случаев требуется придать изделиям и конструкциям на основе портландцементного клинкера некоторые специальные свойства (получить более плотный бетонный камень с целью повышения его водонепроницаемости, морозостойкости, коррозионной устойчивости и т. д.); при этом не всегда требуется применять портландцемент повышенной марочной прочности и гидратационной активности. В этих случаях при помоле портландцементного клинкера и гипса в смесь вводят повышенное по сравнению с требованиями ГОСТ 10178—85 количество активной или инертной минеральной добавки — больше 20 %.
При изготовлении вяжущих материалов не на основе портландцементного клинкера, а на основе извести, гипса и т. д. или при добавлении в вяжущее небольшого количества клинкера в названии вяжущего указывают его состав, например известково-зольное, известково-пуццолановое и т. д.
Введение активных или инертных минеральных добавок позволяет резко снизить себестоимость выпускаемого цемента при незначительном снижении его марочной прочности, некотором замедлении нарастания его прочности во времени, что не всегда является определяющим, но эти меры позволяют резко снизить стоимость возводимого объекта, придать бетону на его основе требуемые свойства, снизить тепловыделение в монолитной конструкции и т. д.
12.1. Активные минеральные добавки
При производстве многокомпонентных цементов в качестве добавок вводят активные или инертные минеральные вещества. К активным (гидравлическим) минеральным добавкам относят природные или искусственные вещества, которые в тонкоизмельченном виде обладают гидравлическими или пуццоланическими свойствами. Инертными добавками-наполнителями называют неорганические дисперсные материалы, практически не участвующие в процессе гидратации цемента, но улучшающие его гранулометрический состав и (или) структуру цементного камня.
Способность смеси гидравлической добавки и воздушной извести после конца схватывания твердеть под водой основана на свойстве содержащегося в добавке активного водного кремнезема, находящегося в аморфном, мелкодисперсном состоянии, активно взаимодействовать с гидроксидом кальция с образованием низкоосновных гидросиликатов. В результате тесто в процессе твердения в воде приобретает значительную прочность. Наряду с активным кремнеземом в гидравлических добавках обычно содержится гидроксид алюминия, который при взаимодействии с Са(ОН)2в растворе образует низкоосновный гидроалюминат, также обладающий гидравлическими свойствами.
В цементной промышленности принято все активные минеральные добавки природного происхождения называть пуццоланами, а вяжущие, содержащие более 20 % таких добавок,— пуццолановыми. Сами по себе эти добавки вяжущими свойствами не обладают.
Пуццолановые добавки содержат кремнезем – диоксид кремния в аморфном, а следовательно, в химически активном состоянии и способны поэтому взаимодействовать в нормальных условиях с растворимым гидроксидом кальция, образуя практически нерастворимые гидросиликаты кальция (ГСК), что значительно повышает стойкость цементного камня в отношении выщелачивания Са(ОН)2:
.
Природные активные минеральные добавки разделяют по происхождению на осадочные и вулканические. К осадочным относят: диатомиты — рыхлые горные породы, состоящие в основном из скоплений микроскопических панцирей диатомовых водорослей и содержащие 70—98 % кремнезема в аморфном состоянии; их плотность менее 1 г/см3; трепелы — рыхлые горные породы, состоящие из микроскопических, преимущественно округлых зерен размером 0,001—0,012 мм и содержащие 70—95 % кремнезема в аморфном состоянии; плотность — 1,9—2 г/см3; опоки — пористые породы, состоящие в основном из аморфного кремнезема тонкозернистого строения; их плотность составляет 1,2—2 г/см3; глиежи— обожженные глинистые породы, образовавшиеся в результате подземных пожаров в угольных пластах; их плотность колеблется в значительных пределах.
К добавкам вулканического происхождения относят: пеплы — породы, содержащие преимущественно алюмосиликаты; в природе встречаются в виде рыхлых (пуццоланы), частично уплотненных (трассы) отложений; туфы — уплотненные и сцементированные вулканические пеплы; пемзы (вулканические шлаки) — породы, характеризующиеся пористым строением (вспученное вулканическое стекло); витрофиры — породы порфировой структуры, состоящие в основном из вулканического стекла; трассы — метаморфизированные разновидности вулканических туфов; порфироиды — породы, измененные процессами метаморфизма (окварцевания) фельзито-порфировой структуры.
В качестве искусственных минеральных добавок используют побочные продукты и отходы промышленности: быстроохлажденные (гранулированные) доменные и электротермофосфорные шлаки, топливные золы (уноса) — побочный продукт, образующийся при сжигании твердого топлива в пылевидном состоянии, уловленный электрофильтрами или другими пылеулавливающими устройствами. Весьма перспективной техногенной добавкой является отход производства ферросилиция – аморфныймикрокремнезем(МК), обладающий очень высокой пуццоланической активностью. Кроме того, эффективность действия МК связана с его чрезвычайно высокой дисперсностью. При заполнении пространства между цементными частицами ультрадисперсными частицами МК образуются многочисленные коагуляционные контакты, являющиеся дополнительными центрами образования гидросиликатов кальция. Кроме того, более прочные и устойчивые низкоосновные ГСК кольматируют поры, повышают однородность структуры цементного камня и улучшают его качественные показатели, достигающие высокого уровня, в том числе при использовании рядовых цементов средних марок и обычной технологии их применения.
Наиболее известными и широко применяемыми среди многокомпонентных цементов с минеральными добавками и шлаковых цементов являются пуццолановый портландцемент и шлакопортландцемент.