Смешанные вяжущие вещества на основе портландцемента
Портландцемент довольно широко используют не только в качестве индивидуального вяжущего вещества, но и в составе целого ряда смешанных вяжущих материалов. При создании таких материалов, как правило, преследуется одна из следующих трех целей: улучшение эксплуатационных свойств портландцементного камня, удешевление цемента одновременно с утилизацией промышленных отходов, улучшение свойств нецементных вяжущих веществ путем добавления к ним портландцемента.
Пуццолановый портландцементполучают путем совместного тонкого помола цементного клинкера, небольшого количества гипса и 20-40 % пуц-цолановой, или активной минеральной, добавки. При этом содержание более активных добавок осадочного происхождения (диатомит, трепел, опока) обычно составляет 20·30 %, других, менее активных добавок (туф, пемза, глиеж, зола-унос) - 25-40 %. Добавки первого типа можно вводить также непосредственно в бетонную смесь в процессе ее изготовления.
При взаимодействии пуццоланового цемента с водой происходят два последовательных процесса:
1. гидратация минералов цементного клинкера
2. взаимодействие добавки, прежде всего входящего в ее состав аморфного кремнезема, с выделяющимся при гидратации алита Са(ОН)2, а также с образующимися гидросиликатами и гидроалюминатами кальция. В результате в фазовом составе пуццоланового цементного камня отсутствуют портландит и высокоосновные гидросиликаты и гидроалюминаты.
Сроки схватывания пуццоланового портландцемента такие же, как и у обыкновенного портландцемента, но он характеризуется замедленным нарастанием прочности в начальный период твердения по сравнению с портландцементом, изготовленным из того же клинкера. Однако после 3-6 мес. твердения во влажной среде прочности в обеих системах сравниваются.
Так как реакция между активным кремнеземом и гидроксидом кальция протекает только в присутствии воды, пуццолановый цемент более чувствителен к высыханию. Он хорошо твердеет в воде и во влажных условиях, но при твердении на воздухе прочность его нарастает медленно и ее рост вскоре прекращается. При повышенных температурах пуццолановый портландцемент твердеет более интенсивно, чем портландцемент. Поэтому изделия из бетона на этом цементе целесообразно подвергать тепловлажност-ной обработке в пропарочных камерах или автоклавах.
Пуццолановый цементный камень имеет более низкую морозостойкость (из-за повышенной водопотребности пуццоланового цемента), но значительно более высокую водостойкость, чем обычный портландцементный. Вследствие отсутствия в его составе портландита и высокоосновных гидроалюминатов он стоек как к физической, так и к главным типам химической коррозии.
Другой смешанный цемент, шлакопортландцемент (ШПЦ), содержит в своем составе наряду с портландцементным клинкером и гипсом гранулированный доменный шлак (20-80 %). Последний получается на металлургических заводах при выливании расплавленных доменных шлаков в холодную воду, в результате чего масса в ходе охлаждения быстро «проскакивает» температурный интервал от 1400 до 800 °С, в котором при медленном охлаждении возможно образование кристаллических силикатов и алюмосиликатов кальция. При быстром же охлаждении образуется стеклообразная алюмосиликатная фаза, способная в тонкомолотом состоянии медленно взаимодействовать с водой с образованием продуктов гидратации, особенно при повышенном содержании СаО.
Скрытые вяжущие свойства гранулированных шлаков проявляются только под действием активаторов - сульфатов или щелочей. В ШПЦ такими активаторами служат входящий в его состав гипс и Са(ОН)2, образующийся при гидролизе алита. Поэтому процесс твердения ШПЦ может быть разделен на два этапа. Сначала с водой реагируют минералы клинкера, а затем начинается гидратация шлаковых минералов и их взаимодействие с гидроксидом кальция. Под влиянием последнего повышается активность стекловидных частиц шлака, они разрушаются с поверхности с образованием гелеобразных масс, склонных к постепенной кристаллизации.
Так же как и у пуццоланового цемента, у ШПЦ по сравнению с портландцементом несколько замедлено нарастание прочности в начальные сроки твердения. В более отдаленные сроки твердения прочность возраст-ает и через 2·3 мес. приближается к прочности портландцементного камня или даже превосходит ее. обенно эффективно ШПЦ твердеет при пропаривании. По сравнению с портландцементным камнем затвердевший ШПЦ обладает повышенными жаростойкостью и коррозионной стойкостью. Последнее обстоятельство вызвано прежде всего связыванием гидроксида кальция шлаковыми минералами.
Вследствие замены части клинкера на необжигаемый материал - грану-«ЛЮрованный шлак - ШПЦ существенно дешевле портландцемента, чем объясняется его широкое применение, особенно в зонах, прилегающих к металлургическим центрам. Кроме того, использование шлаков способствует ре-гнию важной социально-экологической задачи, поскольку сокращаются Полезные площади, занятые отвалами металлургических шлаков.
Наконец, третье рассматриваемое здесь смешанное вяжущее, гипсоце-ментно-пуццолановое вяжущее (ГЦПВ), отличается от рассмотренных ранее тем, что оно более чем на половину (50-65 %) состоит из воздушного вяжущего - строительного гипса CaSO4·0,5H2O. Другими компонентами ГЦПВ являются портландцемент (20-25 %) и активная минеральная добавка (15-25 %). Целью производства такого вяжущего является придание гипсовому камню повышенной водостойкости с сохранением высокой скорости твердения, характерной для строительного гипса.
Ключевую роль в поведении ГЦПВ при твердении играет активная Минеральная добавка. В ее отсутствие смесь гипса и портландцемента давала бы в результате твердения неустойчивый материал, склонный к сильной деформации и даже разрушению в течение нескольких месяцев вследствие образования эттрингита, сопровождаемого локальным вспучиванием. Важно, что процесс образования эттрингита происходит только в насыщенном растворе Са(ОН)2.
В присутствии пуццолановой добавки гидроксид кальция практически полностью связывается ею, и реакция между гипсом и гидроалюминатами кальция идет по новому механизму, с образованием других гидросульфо-алюминатов кальция.
Получающиеся продукты содержат сравнительно немного кристаллизационной воды и поэтому образуются практически без заметного повышен и я объема.
ГЦПВ быстро схватывается и твердеет, всего лишь в несколько раз медленнее строительного гипса, но в десятки раз быстрее портландцемента (конец схватывания - 20 мин. после затворения, через 3 часа прочность возрастает до 40 % от марочной). В то же время благодаря значительному содержанию в продукте его твердения гидросиликатов кальция камень ГЦПВ обладает достаточной водостойкостью, а само ГЦПВ относится к гидравлическим вяжущим.