Многокомпонентные цементы с минеральными добавками и шлаковые цементы

Активными минеральными (гидравлическими) добавками называют природные или искусственные вещества, которые при смешивании втонкоизмельченном состоянии с воздушной известью и водой образуют медленнотвердеющие гидравлические вяжущие. Активные минеральные добавки могут быть природными и искусственными. К природным (пуццолановым) относят некоторые осадочные горные породы (диатомит, трепел, опока), а также породы вулканического происхождения (пепел, туф, пемза). Пуццолановые добавки содержат кремнезем 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: (0,8...1,5)Ca(OH)₂+SiО₂+nH₂О = (0,8...1,5)CaO∙SiО₂∙nН₂О. В качестве искусственных минеральных добавок используют побочные продукты и отходы промышленности: быстроохлажденные (гранулированные) доменные и электротермофосфорные шлаки, топливные золы (уноса). Весьма перспективной техногенной добавкой является отход производства ферросилиция — аморфный микрокремнезем (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. 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. Пуццолановый портландцемент (ППЦ) изготавливают путем совместного помола клинкера, содержащего не более 8 % С₃А, и пуццолановой добавки в количестве 20-40 % с необходимым количеством гипса. ППЦ относится к группе сульфатостойких цементов и выпускается марок М300 и М400. Этот цемент следует применять для бетонов, постоянно находящихся во влажных условиях (подводные и подземные части сооружений). На воздухе ППЦ дает большую усадку и теряет прочность. Бетон на ППЦ твердеет медленно и имеет низкую морозостойкость. Вследствие малого тепловыделения ППЦ часто применяется для внутренних частей массивных конструкций. Шлакопортландцемент (ШПЦ) изготовляют так же как и ППЦ, но в качестве активной добавки используют доменные гранулированные (или электротермофосфорные) шлаки, содержание которых должно быть не менее 21 % и не более 80 % от массы цемента. Доменные шлаки — продукт сплавления веществ, находящихся в пустой породе руды и флюса (известняка). По химическому составу шлаки состоят из CaO, SiO₂, A1₂O₃ и отчасти MgO. Суммарное содержание этих оксидов составляет 90-95 %. Грануляция шлаков заключается в быстром охлаждении шлакового расплава водой или паром. При этом расплав распадается на отдельные гранулы, приобретающие стекловидное и тонкозернистое химически активное состояние. Гранулированный шлак к самостоятельному твердению не способен; он взаимодействует с гидроксидом кальция, выделяющимся при гидратации клинкерных минералов, и с добавкой гипса с образованием гидросиликатов, гидроалюминатов и гидросульфоалюминатов кальция. Этот цемент выпускают марок 300, 400 и 500. Он отличается замедленным твердением, особенно в ранние сроки. Процесс твердения ШПЦ значительно ускоряется при тепловлажностной обработке, поэтому его эффективно применять для сборных бетонных и железобетонных изделий. Тонкомолотые цементы (ТМЦ) получают совместным тонким помолом портландцементного клинкера или готового портландцемента, активной минеральной добавки (зола-унос, пуццоланы, шлак и т.д.), гипсового камня. От ВНВ или ЦНВ тонкомолотые цементы отличаются отсутствием суперпластификатора. Механохимическая обработка (тонкий помол) при получении ТМЦ позволяет усилить полезные свойства компонентов комплексного вяжущего: активность клинкерной части увеличивается в 1,5-2 раза, а частицы наполнителя выполняют роль упрочняющего компонента на микроуровне и являются структурообразующими центрами для новообразований цементного камня. Использование этих принципов позволяет ТМЦ при содержании до 70 % минеральных добавок (ТМЦ-80, ТМЦ-50, ТМЦ-30) по качеству не уступать портландцементам марок 400-500, а иногда и превосходить их. При замене гипса в ТМЦ на химические регуляторы схватывания и твердения, а также с применением специальных добавок, понижающих точку замерзания воды в бетоне, получена широкая гамма вяжущих для ведения бетонных работ при отрицательных температурах. Цементы на основе клинкеров специального состава Наиболее радикального изменения свойств цементов в нужную сторону добиваются путем получения клинкеров на основе другой, нежели у портландцемента, системы оксидов. К таким цементам в частности относятся такие важные вяжущие, как алюминатные (глиноземистый), расширяющиеся и напрягающий цементы. Глиноземистый цемент (ГЦ) — быстротвердеющее и высокопрочное гидравлическое вяжущее, получаемое обжигом до спекания или плавления сырьевой смеси известняка или извести и бокситов, содержащих глинозем A1₂O₃, с последующим тонким помолом продукта обжига. В клинкере ГЦ преимущественно содержится однокальциевый алюминат СаО·A1₂O₃. Этот минерал очень быстро гидратируется, что определяет быстрое твердение цемента. ГЦ за сутки набирает 60-70 % марочной прочности, причем марки этого цемента, определяемые в возрасте 3-х суток, — М500 и М600. ГЦ отличается высокой химической стойкостью и жаростойкостью. Его недостатком является высокая чувствительность к повышенным температурам (свыше 25 °С) при твердении, в результате чего может произойти разрушение изделий. С учетом специфических свойств и высокой стоимости ГЦ применяется при аварийно-спасательных работах, особенно в холодных условиях (на Севере), а также для получения огнеупорных и химически стойких бетонов. Кроме того, глиноземистый цемент используется для получения расширяющихся цементов. Расширяющиеся и напрягающие цементы обладают рядом ценных свойств: большой скоростью твердения, способностью расширяться при твердении, что позволяет избежать усадочных деформаций, растрескивания цементного камня и получить водонепроницаемые бетоны. Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) является быстросхватывающимся и быстротвердеющим гидравлическим вяжущим. Он получается путем тщательного смешивания глиноземистого цемента (70 %), гипса (20 %) и молотого специально изготовленного гидроалюмината кальция (10 %). Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент (ГГРЦ) — быстротвердеющее гидравлическое вяжущее, получаемое совместным тонким помолом глиноземистого клинкера или шлака (70 %) и природного двуводного гипса (30 %). ГГРЦ обладает свойством расширения при твердении в воде; при твердении на воздухе он проявляет безусадочные свойства. Расширяющийся портландцемент (РПЦ) — гидравлическое вяжущее, получаемое совместным тонким помолом портландцементного клинкера (58-63 %), глиноземистого клинкера или шлака (5-7 %), гипса (7-10 %) и доменного гранулированного шлака или другой активной минеральной добавки (23-28 %). РПЦ отличается быстрым твердением, высокой плотностью и водонепроницаемостью цементного камня при условии регулярного увлажнения в течение первых трех суток. Напрягающий цемент (НЦ) отличается от РЦ большей химической энергией расширения, достаточной для самонапряжения арматуры. Этот цемент состоит из 65-75 % портландцемента, 13-20 % глиноземистого цемента и 6-10 % гипса. Затворенный водой НЦ сначала твердеет, затем после набора прочности около 15 МПа расширяется как твердое тело и напрягает стальную арматуру. Эти цементы имеют марки НЦ-20, НЦ-40 и НЦ-60 (цифра в обозначении марки указывает энергию расширения в десятых долях МПа). Цемент марки НЦ-20 проявляет безусадочные свойства и применяется для изготовления бетонов с компенсированной усадкой. Цементы НЦ-40 и НЦ-60 обеспечивают получение водонепроницаемых бетонов и самонапряженных железобетонных изделий и конструкций: напорных труб, монолитных и сборных резервуаров для воды, плавательных бассейнов, подземных сооружений.