Портландцемент с активными минеральными добавками, состав, свойства. Процессы гидратации с участием пуццолановых добавок.

Активная минеральная добавка химически связывает растворимый в воде гидрат окиси кальция, выделяющийся при твердении портландцемента, при этом повышается плотность цементного камня, возрастает его сопротивление коррозии. Поэтому активные минеральные добавки применяют для повышения плотности, водостойкости и солестойкости бетонов и растворов. Некоторые из них используются для приготовления жароупорных бетонов и растворов на портландцементе.

Портландцемент с минеральной добавкой содержит активную минеральную добавку в количестве 10 — 20% (от массы цемента), имеет те же марки, что и портландцемент и близок к нему по другим свойствам. К основным свойствам портландцемента относятся:

Средняя плотность портландцемента в рыхлом состоянии равна 1000...1100 кг/м3, в уплотненном — 1400...1700 кг/м3. Истинная плотность составляет 3050...3150 кг/м. Тонкость помола определяется остатком на сите № 008 (размер ячейки в свету — 0,08 мм) не более 15% от общей навески или удельной поверхностью — площадью поверхности зерен (в квадратных сантиметрах) в 3 г цемента. Удельная поверхность портландцемента должна быть 2500...3000 см /г. С увеличением тонкости помола цемента до 4000...4500 см2/г возрастает скорость твердения и повышается прочность цементного камня. Водопотребность определяется количеством воды (в процентах), которое необходимо для получения цементного теста нормальной густоты, т.е. заданной стандартной пластичности. Нормальной густотой цементного теста считается его консистенция, при которой пестик стандартного прибора не доходит до пластинки на 5...7 мм, что составляет 22...28% воды от массы цемента. Портландцементы разделяют на марки 400, 500, 550 и 600.

Минеральные добавки - основные компоненты цемента

1 В качестве минеральных добавок - основных компонентов цемента применяют гранулированный шлак по ГОСТ 3476, активные минеральные добавки - пуццоланы (природные или искусственные пуццоланы, топливные золы, в том числе кислые или основные золы-уноса, микрокремнезем, глиеж и обожженные сланцы) и добавку-наполнитель - известняк по соответствующей нормативной документации.

Содержание карбоната кальция СаСО3 в известняке, рассчитанное по содержанию оксида кальция CaО, должно быть не менее 75 % массы известняка, содержание илистых и глинистых примесей не должно быть более 1 %.

Потеря массы при прокаливании (п.п.п.) золы-уноса в течение, одного часа не должна быть более 5 %. Золы-уноса, характеризуемые п.п.п. свыше 5 % до 7 %, применяют при условии, если выполняются требования к долговечности, особенно морозостойкости цемента, и сочетаемости с добавками, с помощью которых обеспечиваются требования к бетонам и растворам, установленные нормативами, учитывающими климатические факторы района использования. Для цементов, содержащих золы-уноса с п.п.п. свыше 5 % до 7 %, предельное значение 7 % указывают на упаковке и в товаросопроводительной документации.

2 Активные минеральные добавки при испытаниях по ГОСТ 25094 должны удовлетворять требованиям таблицы 1.

Таблица 1

Наименование показателя Значение показателя

Значимость различия между прочностью на сжатие цемента с активной минеральной добавкой и с песком (значение t-критерия), более 2,07

Конец схватывания, сут, не позднее 7

Водостойкость, сут, не менее 3

Вспомогательные компоненты

В качестве вспомогательных компонентов цемента могут применяться любые минеральные добавки. Вспомогательные компоненты не должны существенно повышать водопотребность цемента, а также снижать долговечность бетона или защиту арматуры от коррозии.

Специальные и технологические добавки

В качестве специальных и технологических добавок применяют органические или неорганические материалы по соответствующей нормативной документации.

Суммарное количество этих добавок не должно превышать 1,0 % массы цемента. Количество органических добавок в сухом состоянии не должно превышать 0,5 % массы цемента.

Пуццоланы (P, Q)

Пуццоланы являются естественными или термически обработанными минералами вулканического происхождения – вулканические туфы, трассы, пемзы или осадочными породами с кремнистыми или алюмосиликатными композициями или их комбинациями. Пуццолановые добавки (названные в честь используемых с древних времен туфов г. Поццуоли близ Неаполя) являются латентно гидравлическими. Они затвердевают после смешивания с известью и водой. Затвердевание не является независимым, а происходит только в тонкоизмельченном состоянии при нормальной температуре окружающей среды при взаимодействии пуццолановой добавки с водой и гидроксидом кальция с образованием прочности за счет образующего гидросиликата кальция и кальциевого гидроалюмината. Эти соединения аналогичны тем, которые образуются в результате твердения гидравлических вяжущих веществ. Пуццолановые добавки состоят в основном из химически активного диоксида кремния (SiO2) и глинозема (А12О3). Остаток содержит оксид железа (ΙΙΙ) (Fe2O3) и другие оксиды. Доля химически активного оксида кальция (СаО) незначительна для упрочнения. Массовая доля реактивного кремнезема (SiO2) должна быть не менее 25%.

Природные пуццолановые добавки, как правило, материалы вулканического происхождения или осадочные породы подходящего химического и минералогического состава. Они должны соответствовать общему определению пуццоланы. Германия располагает двумя видами естественных пуццолан. Это вулканический рейнский туф и вызванные метеоритами баварский трасс (Suevit) в Нёрдлингенском стоке.

56.Шлакопортландцементы ,требования к качеству и характеристики применяемых шлаков.

ШПЦ – гидравлическое вяжущее получаемое при совместном помоле ПЦ клинкера, гипсового камня и доменного гранулированного шлака.

ρo=3100-3300

ρн=1150

т.е ШПЦ имеет плотность больше, чем бездобавочный ПЦ, если в составе бетона ПЦ заменили на ШПЦ, то его кол-во должно быть больше.

НГ ШПЦ в интервале 24-28%

Начало схв не ранее 25 минут

Конец не позднее 10 часов

Марки 300, 400- основная масса.

М500- быстротвердеющие.

ШПЦ будет иметь меньшую величину прочности в начальные сроки твердения ниже на 10%.

2 CaO*SiO2

5 CaO*3Al2O3

Al2O3*Fe2O3

2 CaO* Fe2O3

C3S+H2O→Ca(OH)2

Повышенная стойкость по отношению к действию мягких и сульфатных вод, пониженное тепловыделение шлакопортландцемента позволяют эффективно использовать его и в гидротехническом морском и речном строительстве (с учетом при этом норм агрессивности воды-среды). Однако в отличие от портландцемента он неэффективен в частях сооружений, подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию или увлажнению и высыханию.

Шлакопортландцемент, как и портландцемент, широко применяют в производстве сборных бетонных и железобетонных конструкций и изделий, в частности изготовляемых с использованием тепловлажностной обработки. Быстротвердеющий шлакопортландцемент рекомендуется при изготовлении сборных и монолитных бетонных и железобетонных конструкций, когда требуется высокая прочность в начальные сроки, а также при изготовлении сборных конструкций с применением тепловой обработки.

Если бетоны на шлакопортландцементе. используют при пониженных положительных температурах (ниже 10 °С), то необходим искусственный обогрев (за исключением массивных сооружений).

Во всех областях применения шлакопортландцемент оказывается экономичнее портландцемента той же активности.

Шлакопортландцемент – гидравлическое вяжущее, получаемое при совместном помоле портландцементного клинкера, доменного гранулированного шлака в дозировках от 36 до 65%, гипсового камня. Доля ШПЦ в общем объеме выпуска цементов приблизительно составляет 20%, в зарубежной практике ШПЦ выпускает Франция, Германия, США, Великобритания. Шлакопортландцемент в ранние сроки твердения отличается более низкой прочностью, но при длительных сроках твердения достигает прочности ПЦ.

Доменные шлаки (ДГШ) являются отходом черной металлургии, при плавке 1т чугуна получают 0.5 -0.7т шлака. Гранулированный доменный шлак получают путем быстрого охлаждения шлакового расплава соответствующего состава, который образуется в доменной печи при плавке чугуна. Он содержит по меньшей мере две трети по массе остеклованного шлака и при определенных условиях проявляет гидравлические свойства.

Применяемый гранулированный доменный шлак по меньшей мере на две трети по массе состоит из оксида кальция СаО, оксида магния MgO и диоксида кремния SiO2. Остаток содержит оксид алюминия Аl2О3 и небольшое количество других соединений. Массовое отношение (СаО + MgO) / SiO2 составляет более 1,0.

Определенное влияние на свойства камня оказывает качество шлака. Химический состав шлаков зависит от вида и свойств железных руд и кокса, технологических особенностей плавки. Химический состав, %: CaO 30-50; SiO2 28-30; Al2O3 - 8-24; MnO – 1-3; MqO 1-18.

В зависимости от химического состава шлак классифицируют:

Кислые шлаки Al2O3 до 10%

Основный шлак Al2O3 до 20%

Под активностью шлака понимается его способность связывать Са(ОН)2 с образованием гидросиликатов, гидроалюминатов и гидроферритов кальция, а также способность к собственному гидратационному твердению (процесс протекает при наличие в гидратируемой системе Са(ОН)2. Активность шлака возрастает с увеличением содержания Al2O3, в присутствии щелочных и сульфатных возбудителей глинозем шлака связывает Са(ОН)2 и сульфат кальция в гидроалюминаты и гидросульфоалюминаты, что способствует быстрому нарастанию прочности. Если содержание Al2O3 более 18%, то активность шлаков может быть понижена, это обусловлено тем, что некоторая часть ионов Al+3 входит в каркас шлакового стекла в виде комплекса

Закись Mn снижает активность шлаков, т.к. неблагоприятно влияет на структуру шлакового стекла, способствует образованию коллоидальной пленки кремнекислоты на зернах шлака, которая затрудняет диффузию и замедляет процесс гидратации.

Закись железа не влияет на гидравлическую активность шлаков.

Сульфид кальция CaS, процесс гидролиза протекает по схеме:

CaS + 2 Н2О →Са(НS)2 + Са(ОН)2

Са(ОН)2 активизирует стекловидную часть шлака

ВаО– более активный компонент шлака, растворимость СаО 1.3 г/л, а

ВаО– 3.5 г/л, процессы гидратации в присутствии бария ускоряются, ВаО взаимодействует с гипсом с образованием ВаSО4, что приводит к уплотнению камня и повышению коррозионной стойкости. Протекают реакции с образованием силиката бария- α ВаО SiO2

Формула для характеристики активности шлака:

К= (CaO +MqO+ Al2O3 ) : (SiO2 +MnO) ≥ 1.5

По стандартам США

К= (CaO +MqO+ 1/3Al2O3) : (SiO2 +2/3 Al2O3) > 1

Минералогический состав основных шлаков (твердые растворы мелилита, геленита, окерманита):

β- 2 CaO ∙SiO2

2CaO∙Al2O3∙SiO2 геленит;

3CaO∙2SiO2 ранкинит;

CaO∙SiO2 псевдоволлостанит;

2CaO∙MqO∙2SiO2 окерманит;

CaO∙MqO∙2SiO2 монтичеллит.

Минералогический состав кислых шлаков:

CaO∙Al2O3∙2SiO2 - анортит; αCaO∙SiO2 CaO∙MqO∙2SiO2 – монтичеллит;

3CaO∙MqO∙2SiO2 мервинит; MqO∙Al2O3 шпинель

Доменные шлаки гранулируют чтобы предотвратить образование инертных соединений и зафиксировать активное состояние минералов, находящихся в расплавленном состоянии. Гидравлическая активность гранулированных шлаков зависит не только от запаса внутренней энергии стекловидной фазы шлака, но и от характера кристаллической фазы, т.е. от способности к гидратации и твердению входящих в ее состав минералов. Сульфатостойкие портландцементы. Особенности состава и свойств.