Минеральные вяжущие вещества

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Отличительной особенности твердения шлакопортландцемента по сравнению с обычным цементом

2. Отличительные свойства пуццоланового портландцемента

3. Как определяет активности гидравлических минеральных добавок

Используемая литература

Введение

Минеральные вяжущие вещества -- тонкомолотые порошки, которые при взаимодействии с водой образуют пластичное тесто, которое в результате физико-химических процессов переходит в искусственный камень. Представьте себе, современное строительство без составляющих, входящих в состав искусственного камня? Без цемента не было бы бетона, а это значит, что строители не строили бы бетонные здания, а их в современном мире подавляющее большинство. Кроме бетона, из минеральных вяжущих веществ получают: различные растворы, асбестоцементные изделия, красочные составы.

Готовые изделия из минеральных связующих получают по одному принципу, но, тем не менее, под различными физическими условиями, это температура, давление, условие насыщенного пара. Именно поэтому поводу, по условию эксплуатации изделий из искусственного камня, минеральные вяжущие подразделяются на воздушные и гидравлические.

К вяжущим веществам воздушного твердения относятся: известковые, низко- и высокообжиговые гипсовые и магнезиальные вещества. К минеральным веществам воздушного твердения относится и жидкое стекло.

Гидравлические минеральные вяжущие вещества образуют водостойкий искусственный камень. К гидравлическим веществам принадлежат: гидравлическая известь, романцемент, портландцемент и специальные виды цементов.

Первым природным вяжущим была глина. Глина и жирная земля после смешивания с водой и высыхания приобретали некоторую прочность. Однако в виду низких потребительских качеств данных материалов (с использованием глины возводились постройки, не требующие значительной прочности) - люди занимались поиском более совершенных вяжущих.

Первый ранний предшественник бетона был обнаружен на берегу Дуная на территории современной Югославии - в хижине древнего поселения каменного века находился пол из бетона толщиной до 25 см. Бетон для этого пола приготавливался на гравии и красноватой местной извести. Ориентировочный возраст находки - более 5000 лет до н.э. Но это скорее относится к исключению из правил, массовое применение извести при строительстве датируется гораздо более поздними сроками.

В плане массового использования при строительстве, более чем за 3 тыс. лет до н. э., в Египте, Индии и Китае начали изготавливать искусственные вяжущие - такие как гипс. Это обуславливалось тем, что при обжиге строительного гипса использовалось гораздо меньше топлива (температура обжига 140-190 С), чем для производства извести.

Известь является древнейшим искусственным минеральным вяжущим веществом после гипса, есть сведения, что египтяне использовали смешанные известково-гипсовые растворы при строительстве пирамид. Однако гипс долгое время не терял своих позиций - вследствие меньшей энергоёмкости при производстве, в том же Египте топливо было чрезвычайно дефицитным.

Впервые широко известь стала применяться в Греции для облицовочных работ и в гидротехнических сооружениях. Но лишь в римский период началось массовое применение извести для кладочных растворов.

Римляне развили строительное искусство, оставив после себя знаменитые памятники Древнего мира. Римляне так же составили первые рекомендации по изготовлению и применению известковых растворов. Впервые применив вулканический пепел в качестве добавок - был изобретён предок так называемого "пуцоланнового цемента", названного по месту залежей сырья близ города Поццуолли.

Еще в государствах Древнего Мира (Древняя Греция, Древний Египет, Древняя Индия, Древний Рим и т.д.) в широкое пользование вошли минеральные вяжущие вещества, такие как цемент, известь, гипс. В течение тысячелетий растворы из этих веществ подвергали испытаниям и находили наиболее оптимальные способы приготовления растворов. Так наши предки получили портландцемент, романцемент, известь и другие вяжущие растворы.

Сейчас строительство немыслимо без минеральных вяжущих. Эти вещества и растворы из них необходимы для возведения домов и сооружений, для их внутренней и внешней отделки. Благодаря исследованиям ученых XIX века, сейчас используется цемент высоко качества, устойчивый к агрессивным средам и обладающий высокими вяжущими свойствами.

1. Отличительной особенности твердения шлакопортландцемента по сравнению с обычным цементом

строительный шлакопортландцемент минеральный пуццолановый

Шлакопортландцементом называется гидравлическое вяжущее, получаемое путем тонкого измельчения портландцементного клинкера совместно с гранулированным доменным или электротермофосфорным шлаком, а также с двуводным гипсом. Для получения быстротвердеющего шлакопортландцемента порошок портландцемента иногда размалывают с гранулированным шлаком. Шлака в шлакопортландцементе должно быть не менее 21 % и не более 80 % по массе (ГОСТ 10178--85).

Массовая доля в цементах активных минеральных добавок должна соответствовать значениям, указанным в табл. 1. По ГОСТ 10178-85

Допускается замена части минеральных добавок во всех типах цемента добавками, ускоряющими твердение или повышающими прочность цемента и не ухудшающими его строительно-технические свойства (кренты, сульфоалюминатные и сульфоферритные продукты, обожженные алуниты и каолины). Суммарная массовая доля этих добавок не должна быть более 5 % массы цемента.

Предел прочности цемента при изгибе и сжатии должен быть не менее значений, указанных в табл. 2. По ГОСТ10178-85

Гипс вводят в шлакопортландцемент для регулирования сроков схватывания, а также в качестве активизатора твердения шлака. По своим физико-механическим свойствам шлакопортландцемент близок к обычному портландцементу, но выгодно отличается от него более низкой стоимостью. При прочих равных условиях стоимость его на 15--20 % ниже стоимости портландцемента. Клинкер на заводах шлакопортландцемента целесообразно изготовлять с применением в качестве глинистого компонента гранулированного шлака. Близость химических составов доменных шлаков и портландцемента позволяет получать сырьевую смесь надлежащего качества при небольших добавках известняка. Это уменьшает расход топлива на диссоциацию карбоната кальция и, следовательно, на обжиг цемента. Сырьевую смесь готовят тонким измельчением шлака и известняка, взятых в установленном соотношении. Для получения клинкера можно применять медленно охлажденные доменные шлаки, однако их дробление и помол требуют повышенных затрат электроэнергии, и поэтому обычно предпочитают использовать гранулированные шлаки. Гранулированный шлак предварительно сушат в сушильных барабанах или, что эффективнее, в специальных установках в условиях кипящего слоя до влажности, не превышающей 1--2%. В этих установках паро-съем достигает 230--250 кг/м3 при расходе теплоты 4190--4600 кДж/кг испаренной воды. Шлак не следует нагревать выше 600--700 °С, так как при более высокой температуре он может расстекловываться, что вызывает уменьшение его гидравлической активности.

Высушенный шлак, портландцементный клинкер и гипс дозируют и направляют на помол в шаровые мельницы. Для облегчения помола можно вводить специальные добавки в количестве до 1 % по массе цемента (ПАВ, уголь и др.), не ухудшающие его качество. Быстротвердеющий шлакопортландцемент обладает более интенсивным, чем обычные шлакопортландцементы, нарастанием прочности в начальный период твердения. Его изготовляют тонким измельчением до 4000-- 5000 см2/г высококачественных клинкеров и активных гранулированных шлаков, смешиваемых в строго установленном соотношении. Содержание основных гранулированных шлаков в обычном шлакопортландцементе достигает 50--60%, а кислых -- 30--50 % (в зависимости от качества шлака и клинкера). Иногда в шлакопортландцементах до 8--10 % шлака заменяют кислой активной кремнеземистой добавкой (трепел, опока и т. п.), что, по мнению некоторых исследователей, способствует значительному увеличению его прочности. В остальном производственные процессы и оборудование, применяемое на заводах шлакопортландцемента, подобны тем, какие используются на заводах портландцемента.

Процессы твердения шлакопортландцемента более сложны, чем обычного портландцемента, поскольку в реакции с водой участвуют оба его компонента: клинкер и гранулированный доменный или электротермофосфорный шлак.

При затворении шлакопортландцемента во взаимодействие с водой в первую очередь вступают клинкерные частички. Первоначально в основном образуются те же соединения, что и при гидратации портландцемента. При обычных температурах гидратация C3S и C2S в клинкерной составляющей приводит вначале (когда в твердеющем тесте имеется пересыщенный раствор гидроксида кальция) к образованию волокнистых гидросиликатов кальция состава (1,7--2)Ca0-SiO2- (2--4)Н20, обозначаемых общей формулой C2SH, по Р. Боггу, или С--S--Н (II), по X. Тейлору. В дальнейшем вследствие снижения концентрации гидроксида кальция в растворе, частично поглощаемого шлаковым компонентом, образуются менее основные гидросиликаты состава (0,8-- -- l,5)CaO.Si02-2,5H20 типа CSH (В), по Р. Боггу [С--S--Н (I), по X. Тейлору].

Параллельно при гидратации C3S и C2S выделяется и гидроксид кальция. Гидратация С3А и C4AF портландцемента на начальной стадии его взаимодействия с водой приводит к образованию соответственно С4АН13 и C4FHi3, Одновременно гипс взаимодействует с алюминатами кальция с образованием C3A-3CaSQ4-(30--32)Н20, регулирующего схватывание шлакопортландцемента. Но по мере вовлечения доменного шлака в реакции гидролиза и гидратации под воздействием щелочной и сульфатной активизации и взаимодействия его с гидроксидом кальция состав новообразований претерпевает значительные изменения. Преобладающими в них оказываются CSH (В) и метастабильный двухкальциевый гидроалюминат С2АН8.

Ряд исследований дает основание полагать, что в этих условиях образуется также гидрогеленит 2СаО-*Al203-Si02-8H20 или же гидрогранаты общей формулы C3Ai_*F*S2H6-22, а трехсульфатная форма гидросульфо-алюмината кальция преобразуется в односульфатную 3CaO-Al203-CaS04-12H20.

Таким образом, в затвердевшем шлакопортландцементе преобладают низкоосновные гидросиликаты кальция, образующиеся в высокодисперсном геле видном состоянии. Это отражается на его технических свойствах (повышенные по сравнению с портландцементом усадочные деформации затвердевшего камня при его увлажнении и высыхании и др.). Вместе с тем при надлежащем составе вяжущего отсутствие или незначительное содержание в цементном камне свободного гидроксида кальция и переход глинозема в низкоосновные гидроалюминаты или гидрогеленит способствуют повышению сульфатостойкости шлакопортландцементов по сравнению с портландцементами.

При твердении шлакопортландцементов при повышенных температурах (80--95°С) состав новообразований практически остается таким же, как и при твердении при обычных температурах (10--25 °С). В процессе же твердения этих вяжущих в автоклавах при 174,5-- 200 °С и давлении насыщенного водяного пара 0,8-- 1,5 МПа (изб.) возникают иные новообразования, из которых свойства цементного камня определяют гидросиликаты состава (1,8--2,4)CaO-Si02- (1 --1,25)НаО с общей формулой C2SH (A), CSH (В) и гидрогранаты. Одновременно при автоклавной обработке значительно увеличивается размер частичек новообразований, часть которых становится видимой в оптический микроскоп. Как показывают исследования, твердение шлакопортландцемента на основе доменного шлака при обычной температуре сопровождается связыванием воды, не испаряющейся при 105 °С, в количестве 15% массы вяжущего (через 28 суток твердения смесей с В/Ц -- 0,35...0,65). При этом возникают контракционные поры, суммарный объем которых равен 0,4--0,5 см3/г связанной воды, не испаряющейся при 105 °С. Пористость при твердении портландцементов достигает в среднем 0,28 см3/г не испаряющейся воды.

Истинная плотность шлакопортландцемента колеблется в пределах 2,8--3 г/см3, уменьшаясь с увеличением содержания в цементе гранулированного доменного шлака. Плотность в рыхлонасыпном состоянии 900--1200, а в уплотненном --1400--1700 кг/м3. Водопотребность шлакопортландцемента существенно не отличается от водопотребности обычных портландцементов. В ряде случаев при равной удобообрабатываемости в растворные или бетонные смеси на шлакопортландцементе нужно добавлять воды меньше, чем при использовании портландцемента. Водоотделение из теста, полученного затворением шлакопортландцемента, несколько больше, чем из теста портландцемента. С увеличением тонкости помола его водоудерживающая способность значительно возрастает.

Скорость схватывания зависит от химического состава шлака и соотношения в шлакопортландцементе шлака и портландцементного клинкера, а также от содержания гипса. Добавление 30--50 % шлака к быстросхватывающемуся измельченному клинкеру (даже без гипса) позволяет получать, как правило, нормально и медленно схватывающийся продукт. Введение гипса, замедляя схватывание портландцемеитного клинкера, значительно ускоряет схватывание шлакопортландцемента, возбуждая гидравлическую активность шлака.

Обычный шлакопортландцемент, содержащий 50-- 60 % шлака, схватывается медленнее, чем рядовой портландцемент. Однако он удовлетворяет общим для всех клинкерных цементов нормам: начало схватывания -- не ранее 45 мин и конец -- не позднее 10 ч. Шлакопортландцемент соответственно ГОСТ 10178--76 (с изм.) разделяют по показателям прочности на марки 300, 400 и 500.

Активность шлакопортландцемента при одинаковой тонкости помола определяется, главным образом, оптимальным для данного шлака химическим и минеральным составом клинкера и соотношением между шлаком и клинкером. Для производства шлакопортландцемента предпочтителен клинкер активностью 40--50 МПа с умеренно повышенным содержанием С3А (до 12 %) и преобладанием C3S в силикатной части.

Шлакопортландцемент характеризуется относительно медленным нарастанием прочности в начальные сроки твердения, что особенно ощутимо при испытании образцов из пластичного раствора. В более отдаленные сроки твердения прочность обыкновенного шлакопортландцемента возрастает и через 2--3 месяца даже превосходит прочность портландцемента той же марки.

Рядовой шлакопортландцемент по сравнению с портландцементом при схватывании и твердении более чувствителен к влиянию температуры окружающей среды. При пониженных положительных температурах (2--6°С) его схватывание и твердение значительно замедляются, а при тепловлажной обработке резко ускоряются. Термообработка бетонов на шлакопортландцемеите при 80--95°С способствует ускорению процессов твердения, причем через 28 суток прочность пропаренных бетонов в 1,5--2 раза превосходит прочность тех же бетонов, твердевших при обычной температуре (15--20 °С).

Активность обычных шлакопортландцементов и портландцементов, измельченных до удельной поверхности около 3000 см2/г, при длительном хранении изменяется примерно одинаково. Быстротвердеющий же шлакопортландцемент, при хранении вследствие значительной удельной поверхности относительно быстро теряет активность и особенно способность к интенсивному росту прочности в ранние сроки твердения (1--3 суток). Поэтому быстротвердеющие шлакопортландцементы следует применять после изготовления в первые 5--7 суток и во всяком случае не позднее двух недель. В эти сроки прочность цемента при хранении снижается относительно мало.

Шлакопортландцемент при твердении обычно отличается равномерным изменением объема. Даже при использовании клинкеров с повышенным коэффициентом насыщения, содержащих до 3,5 % СаО и поэтому непригодных для получения портландцемента, СаО в шлакопортландцементе связывается шлаком и не вызывает неравномерности изменения объема. Шлакопортландцемент менее чувствителен и к повышенным добавкам гипса.

Тепловыделение при твердении шлакопортландцемента меньше, чем у портландцемента, причем тем меньше, чем больше в нем шлака, и тем значительнее, чем выше его удельная поверхность. Тепловыделение быстротвердеющего шлакопортландцемента примерно такое же, как и портландцемента.

Усадка и набухание шлакопортландцемента при одинаковой тонкости помола характеризуются приблизительно такими же показателями, что и усадка и набухание обычного портландцемента. С увеличением содержания в клинкере C2S и повышением тонкости помола усадка и набухание шлакопортлаидцемеита, как и портландцемента, возрастают.

Быстротвердеющий шлакопортландцемент вследствие высокой удельной поверхности обладает повышенной усадкой, достигающей через 3 месяца 0,6--0,7 мм/м (у образцов из пластичного раствора 1:3). Поэтому его не следует применять в тех областях строительства, где предъявляются особые требования к значению усадочных деформаций, например при устройстве дорожных покрытий в условиях сухого и жаркого климата. По интенсивности миграции влаги бетоны на шлакопортлаидцементах и портландцементах практически равноценны.

Жаростойкость шлакопортландцемента значительно превосходит жаростойкость портландцемента. Шлакопортландцемент способен без снижения прочности выдерживать длительное воздействие высоких температур (600--800°). Это объясняется, главным образом, пониженным содержанием свободного Са(ОН)2.

Стойкость шлакопортландцементов при воздействии мягких и сульфатных вод выше, чем портландцементов. В частности, против сульфатной агрессии более стойки шлакопортландцемеиты с пониженным количеством клинкера, содержащие кислые малоалюминатные шлаки с повышенным (до 8--10 %) количеством MgO. Вместе с тем необходимо отметить, что шлакопортландцементы такого состава часто характеризуются невысокой активностью.

Повышенная стойкость шлакопортландцементов в мягких водах объясняется образованием при их твердении цементирующих новообразований пониженной основности и незначительным содержанием в цементном камне гидроксида кальция. В связи с этим для частей сооружений, постоянно находящихся в воде, в частности речной, предпочтительнее шлаковые портландцементы, а не обычный портландцемент.

Значительное снижение концентрации гидроксида кальция в жидкой фазе твердеющего шлакопортландцемента уменьшает возможность образования трехсульфатной формы гидросульфоалюмината кальция (эттрингита) при проникании сульфатных вод. Поэтому в затвердевшем цементном камне не возникают вредные объемные деформации, нарушающие его структуру. Этим объясняется более высокая стойкость шлакопортландцементных бетонов в минерализованных сульфатных водах по сравнению со стойкостью бетонов на портландцементе. В кислых и углекислых водах, где степень разрушения цементного камня мало зависит от содержания в нем Са(ОН)2, стойкость шлакопортландцемента примерно такая же, как и портландцемента. Сохранность стальной арматуры в бетонах на шлакопортландцементе вполне удовлетворительная и почти такая же, как в портландцементных бетонах.

Морозостойкость шлакопортландцемента несколько ниже морозостойкости портландцемента; она уменьшается с увеличением содержания шлака. Это объясняется несколько меньшей плотностью и повышенной водопроницаемостью бетонов на шлакопортландцементе. Бетоны на шлакопортландцементе обычно выдерживают 50-- 100 циклов замораживания и оттаивания. Поэтому шлакопортландцемент не рекомендуют для изделий и конструкций, работающих в особенно суровых условиях, например в плитах-оболочках гидротехнических сооружений, размещаемых в зоне меняющегося уровня воды и систематически замерзающих и оттаивающих в водонасыщенном состоянии. Морозостойкость быстротвердеющего шлакопортландцемента несколько выше, чем рядового цемента. Изготовитель гарантирует соответствие цемента всем требованиям настоящего стандарта при соблюдении правил его транспортирования и хранения при поставке в таре в течение 45 сут после отгрузки для быстротвердеющих и 60 сут для остальных цементов, а при поставке навалом - на момент получения цемента потребителем, но не более чем 45 сут после отгрузки для быстротвердеющих и 60 сут для остальных цементов. Распределение цементов по эффективности пропаривания.табл3 по ГОСТ10178-85

Примечание. Для портландцемента и шлакопортландцемента режим пропаривания принят одинаковым в соответствии с ГОСТ 310.4-81: общая продолжительность 12-13 ч при температуре 80 °С (в отличие от СНиП 82-02-95, где для шлакопортландцемента принят режим пропаривания общей продолжительностью 16-18 ч при температуре 90-95 °С).

Смешанные шлаковые цементы независимо от технологии получения обладают стандартными строительно-техническими характеристиками.

2. Отличительные свойства пуццоланового портландцемента

Схема производства цемента.

Пуццолановый цемент 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 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. Для производства пуццолановых портландцементов применяются различные виды активных минеральных добавок. 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. 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 низко-основных гидросиликатов кальция CSH(B), с отношением С : S до 0,8, ибо, как уже отмечалось, основность гидросиликата кальция (C:S) зависит от концентрации гидроксида кальция в жидкой фазе. При низкой концентрации извести неустойчивыми оказываются высокоосновные гидроалюминаты кальция. В результате наблюдается их переход в низкоосновные гидроалюминаты. Возможно также, преимущественно при тепловлажной обработке, образование гидрогранатов кальция. При повышенном содержании реакционноспособного (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, глинита и некоторых видов вулканических туфов, что может привести к образованию дополнительного количества гидросульфоалюмината кальция и изменению сульфатостойкости 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 рыхлые 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 пуццолановых 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 глиежа 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 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 влажных 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 портландцементы обладают повышенной связующей способностью, придают растворным и бетонным смесям большую пластичность и соответственно удобообрабатываемость, не отличаются от портландцемента по показателям сцепления с арматурой в железобетоне. Водоотделение в цементных растворах и бетонах заметно уменьшается при мягких добавках (трепеле). 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-минералогического 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 портландцементы отличаются повышенной усадкой, которая, так же как и тепловыделение, зависит от ряда факторов. Заметное увеличение усадки связано с повышением водопотребности при применении мягких рыхлых добавок -- трепела и др.

Пуццолановые портландцементы 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 портландцементы придают растворам и бетонам несколько пониженную морозостойкость, в особенности, когда многократным (более 100 циклов) попеременным замораживанием и оттаиванием испытывают еще недостаточно прочный бетон в ранние сроки твердения. При применении пуццолановых портландцементов, в которых содержатся активные минеральные 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 сульфатостойкостъ из-за незначительного содержания несвязанного гидроксида кальция и повышенной водонепроницаемости.

3. Как определяется активность гидравлических минеральных добавок

К добавкам этого рода относят активные кремнеземистые отходы, обожженные глины (глинит, цемянки, пылевидные отходы, образующиеся при обжиге керамзита и аглопорита, горелые породы), топливные золы и шлаки. Кремнеземистым отходам присущи значительные колебания по химическому составу. Они, в частности, нередко содержат повышенное количество серного ангидрида. Цемянка, глинит, керамзит, аглопорит, горелые породы представляют собой обожженную глину. Их плотность 2,3--2,6 г/см3. Цемянка -- порошок, получаемый тонким измельчением боя кирпича, черепицы и т. п. Глинит-- тонкий порошок измельченный специально обожженной при 600--800 °С глины с повышенным содержанием каолинита. Обжиг ведут до возможно полного превращения химически малоактивного каолинита в метакаолинит Al203-2Si02, обладающий значительной активностью при взаимодействии с гид-роксидом кальция и водой. Для каждой глины имеется своя оптимальная температура обжига, выше и ниже которой химическая активность обожженного продукта заметно снижается. Керамзит и аглопорит -- легкие заполнители бетонов, получаемые в виде вспученных пористых гранул или кусков путем обжига глинистых материалов при 1000-- 1200 °С. Пылевидные частицы, образующиеся при обжиге керамзита и аглопорита или иногда получаемые специально их измельчением, часто подобно цемянкам обладают свойствами активных минеральных добавок»

Горелые породы получаются в результате обжига глин, содержащихся в так называемых пустых породах, сопровождающих угольные месторождения и выбрасываемых в отвалы (терриконы) при добыче угля. В пустых породах содержится обычно некоторое количество угля, который часто в отвалах начинает гореть (самовозгорание), при этом развиваются достаточно высокие температуры, обусловливающие обжиг сопутствующих пород. Горелые породы характеризуются обычно значительной неоднородностью по степени обжига, что отрицательно отражается на их свойствах как активной гидравлической добавки. Топливные шлаки и золы представляют собой минеральные отходы сжигания различных видов каменного угля, сланцев и торфа. Шлаками обычно считают топливные отходы в виде спекшихся плотных и ноздреватых кусков и зерен размерами более 0,3--0,5 мм. Рыхлые дисперсные материалы с частицами менее 0,3 мм называют золами. Если при пылевидном сжигании топлива минеральная часть в расплавленном состоянии резко охлаждается, то получается топливный гранулированный шлак стекловидной структуры в виде зерен размером до 7--10 мм.

Химический и фазовый составы топливных шлаков и зол очень разнообразны и зависят от вида сжигаемых углей, сланца или торфа, характера угленосной породы и условий сжигания топлива. В золах и шлаках содержится обычно несгоревшее топливо, часто отрицательно влияющее на свойства этих материалов как активных добавок. Шлаки и золы с повышенным содержанием оксида кальция (до 10--20 % и выше) в ряде случаев представляют собой медленнотвердеющие вяжущие вещества. Плотность топливных шлаков и зол 2,2--2,8 г/см3. Насыпная плотность шлаков 700--1000 и зол 500-- 1000 кг/м3.

Активность минеральных добавок, т.е. способность связывать гидроксид кальция в присутствии воды при обычных температурах, обусловлена содержанием в них веществ, находящихся в химически активной форме. Естественно, что характер и интенсивность их взаимодействия с известью различны в зависимости от того, каких химически активных веществ больше в той или иной минеральной добавке. Поэтому кислые активные минеральные добавки условно по виду вещества, определяющего их химическую активность и механизм связывания СаО, можно разделить на три группы: состоящие в основном из аморфного кремнезема (трепелы, диатомиты, опоки и т.п.); богатые продуктами обжига глинистых веществ (глйииты, глиежи, цемянки, горелые породы, топливные шлаки и золы); и представляющие собой быстроохлажденную магму, в той или иной мере измененную вторичными процессами, со значительным содержанием силикатов и алюмосиликатов в стекловидном состоянии (вулканические пеплы, туфы, пемзы, трассы и т. п.). Активность добавок первой группы обусловлена высоким содержанием в них водного кремнезема, частицы которого характеризуются большой дисперсностью. Существовавшее ранее мнение о том, что при комнатной температуре гидроксид кальция связывается с кремнеземом в основном адсорбционно и что при этом образуются вещества переменного состава, не представляющие собой истинно химические соединения, не подтверждается данными рентгеноструктурного и термографического анализа.

Активность добавок этой группы значительно возрастает с повышением тонкости их помола и зависит также от размера исходных частиц аморфного кремнезема; с их увеличением она уменьшается. Одновременно активный глинозем, если он содержится в материале, взаимодействует с гидроксидом кальция с образованием вначале метастабильных гексагональных двухкальциевого или четырехкальциевого гидроалюминатов или их смеси (в зависимости от концентрации оксида кальция в растворе), которые с течением времени медленно переходят в устойчивый СаО- А1203-6Н20. У трепелов, диатомитов и опок, особенно характеризующихся значительным содержанием глинистых и песчаных примесей и пониженной активностью, после обжига при 600--800°С увеличивается активность при взаимодействии с гидроксидом кальция и водой. Это объясняется тем, что при 600--800 °С глинистые вещества обезвоживаются до метакаолинита, который, как показано дальше, характеризуется повышенной реакционной способностью.

Образование перечисленных гидросиликатов и гидроалюминатов кальция и обусловливает твердение смесей извести с трепелами, диатомитами и опоками. Реакционная способность по отношению к извести обожженных глинистых материалов объясняется прежде всего тем, что при 600--800 °С основной компонент глин -- инертный каолинит Al203-2Si02-2H20-- обезвоживается и переходит в активный каолинитовый ангидрид-- метакаолинит Al203-2Si02, аморфизоваиный в результате удаления гидратной воды. При взаимодействии глин, обожженных при 600--800 °С, с гидроксидом кальция при обычных температурах образуются гидрат геле-нита 2CaO-Al203-Si02*8H20 и гидросиликат кальция типа CSH(B) с отношением C/S в зависимости от концентрации СаО в водном растворе равным 0,8--1,5. При обжиге глин при более высоких температурах (900--1000 °С) химическая активность получаемого продукта заметно снижается вследствие перестройки решетки метакаолинита с частичным отщеплением у-А1203. При 1000--1200 °С образуются малоактивные муллит и кри-стобалит, а при еще более высоких температурах -- соответствующие стекла.

Поэтому материалы, получаемые обжигом глин различного состава при 900--1200 °С и выше (кирпичные и черепичные отходы, горелые породы, золы и др.), характеризуются пониженной активностью. Фазовый состав зол от пылевидного сжигания твердых видов топлива в большой степени зависит от химического и минерального составов неорганической части топлива, температуры и условий его сжигания и, наконец, от условий охлаждения золы. Обычно золы содержат до 60--80 % округлых частичек из кремнеземисто-алюминатного или железистого стекла, аморфизоваииых частичек глинистого вещества, муллита, частичек р-кварца и несгоревшего метаморфизованного топлива. Как уже отмечалось, кислые золы характеризуются пониженной гидравлической активностью. Лишь в условиях автоклавной обработки паром при 130--200 °С смеси извести и зол энергично взаимодействуют друг с другом с образованием гидрогранатов среднего состава ЗСаО-А12О3-(0,5--0,7)SiO2-(5--4,6)H20, а также гидросиликатов кальция, обусловливающих твердение смесей. Качество зол, топливных шлаков, горелых пород как активных добавок ухудшается при наличии в них примесей несгоревшего угля и серного ангидрида S03. Несго-ревшие частицы топлива неравномерно изменяются в объеме, что вредно отражается на долговечности бетонов и растворов. Содержание несгоревших частиц топлива (п. п. п.) в золах и шлаках, по ОСТ 21-9-81, не должно превышать 5%. Серный ангидрид вызывает сульфатную коррозию цементного камня, поэтому его содержание по стандарту ограничивается 3%.

Содержание кремнезема должно быть не менее 40 %, а щелочей (R20) --не более 3 % по массе. Вулканические породы состоят из частично аморфизованной стекловидной (50--80 %) и кристаллической (50--20%) части. Исследования свидетельствуют о том, что активность их обусловливается преимущественно химическим составом и строением стекловидной части. Стекло под длительным влиянием воды, углекислоты и других факторов у различных вулканических пород оказывается гидратированным в разной степени. При этом вода в вулканической породе связана по-разному. Часть воды входит в состав кристаллических соединений в виде кристаллизационной, другая часть связана адсорбци-оино и удаляется при 200--300 °С, а иногда и при 400 °С. Однако ни кристаллизационная, ни адсорбционно-связанная вода заметно не обусловливает активность вулканических пород, и лишь вода, входящая в виде групп ОН~ в кристаллиты, слагающие стекловидную часть и состоящие, из кремнеалюмокислородных тетраэдров, определяет гидравлическую активность вулканических, пород.

Предполагают, что группы ОН, находящиеся в структуры ре кристаллитов, расшатывают их и делают болт податливыми к воздействию щелочей или кислот. В соответствии с этими представлениями при смешении тонкоизмельченной вулканической породы с гидроксидом кальция при обычных температурах водород должен замещаться ионами кальция с образованием гидросиликатов типа С--S--Н(1), по X. Тейлору, по Р. Боггу, типа CSH(B) подобно тому, как это происходит при взаимодействии оксида кальция с водным кремнеземом в трепелах и диатомитах. Но наряду с гидратированным стеклом в вулканических породах может содержаться то или иное количество негидратированного стекла, способного вначале взаимодействовать с водой, обмениваться ионами-модификаторами щелочных металлов на ион водорода из воды, образовывать группы -- Si--О....Н, способные к реакции с Са(ОН)2, и стабильные гидросиликаты кальция при концентрации СаО в растворе выше 0,08--0,1 г/л. Активный глинозем, содержащийся в вулканических породах, как и в других гидравлических добавках, при взаимодействии с гидроксидом кальция и водой дает или гидроалюминаты кальция или, что вероятнее, гидрат геленита при одновременном присутствии активного кремнезема. При повышенной же концентрации оксида кальция в растворе образуются гидрогранаты (общая формула

3CaO-Al203-ftSi02/(6--2/г)Н20

с коэффициентом п, значения которого находятся в пределах 0,5--1). Таким образом, активность вулканических пород определяется их стекловидной частью, находящейся в не-гидратированном и гидратированном состоянии. Кристаллическая составляющая, в том числе в виде гидратных соединений, заметного влияния на активность вулканических пород не оказывает. Следовательно, общее содержание воды, удаляемой при нагревании материалов до 700--800 °С, не является критерием их гидравлической активности, как полагали до недавнего времени. Лишь вода, связанная в стекловидной части вулканических пород в виде групп ОН-, характеризует в определенной степени активность этих пород. Несостоятельной является и гипотеза, связывающая активность этих пород с содержанием в них щелочных соединений, способных к цеолитному обмену щелочей на кальций.

По ГOCT 21-9-81, минеральная добавка считается активной, если она обеспечивает конец схватывания теста, приготовленного на основе добавки и извести-пушонки, не позднее 7 суток после затворения и водостойкость образца из того же теста в течение дальнейших 3 суток не менее. Кроме того, добавка должна обеспечивать в жидкой фазе, находящейся в контакте с цементом, приготовленным на основе добавки, клинкера и гипса, содержание гидроксида кальция ниже состояния насыщения на величину не меньше, чем 0,5 ммоль (для природных добавок, кроме глиежей и порфироидов). Чем ниже концентрация гидроксида кальция в жидкой фазе по сравнению с концентрацией насыщения, тем активнее добавка. При приготовлении пуццолановых портландцементов с повышенными требованиями к ним по сульфатостойкости активность добавок определяется факультативно по специальной методике с применением колец Ле Шателье. Наконец, предусмотрено факультативное определение активности добавок по прочности образцов на изгиб и сжатие. В этом случае готовится смесь добавки (80%), гашеной извести (20% по массе), двуводного гипса (3% сверх 100%))- Далее из теста нормальной густоты (ГОСТ 310.1--76 с изм. и ГОСТ 25094--82) формуются балочки размером 4X4X16 см, подвергаемые тепловлажностной обработке при 80 °С в течение 6 ч. При испытании образцы должны иметь прочность при изгибе не менее 1 и при сжатии не менее 8 МПа. Иногда для определения активности добавок испытывают образцы по расширенной программе с изготовлением их из смесей состава 20 : 80, 30 : 70 и. 40 : 60 -- известь: добавка (по массе). Эти смеси используют в качестве вяжущего в растворах с песком (1:3 по массе).

Из растворов пластичной консистенции формуют стандартные образцы, которые испытывают на прочность через 7 и 28 суток твердения в нормальных условиях.

Используемая литература

1. ГОСТ 10178--85

2. ГОСТ 22266 - 94

3. ГОСТ 25328--82

4. ГОСТ 25094--82

5. ГОСТ 310.1--76

6. OCT 21-9-81

7. Байков А. А. Труды в области вяжущих веществ и огнеупорных материалов. Москва : изд. АН СССР, 1948.

8. Болдырев А. С, Добужинский В. И., Рекитар Я. А. Технический прогресс в промышленности строительных материалов. Москва : Стройиздат, 1980.

9. Буров Ю. С, Колокольников В. С. Лабораторный практикум по курсу «Минеральные вяжущие вещества». Москва : Стройиздат, 1974.

10. Кравченко И. В., Власова М. Т., Юдович Б. Э. Высокопрочные и особо быстротвердеющие портландцемеиты. Москва : Стройиздат, 1971.

11. Рыбьев И. А. Строительные материалы на основе вяжущих веществ. Москва : Высшая школа, 1978.

Размещено на Allbest.ru