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 портландцемент получают 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, ш лакопортландцемент (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.