Гидравлические вяжущие вещества

Размещено на http://www.allbest.ru/

Активные минеральные добавки

Активными минеральными или гидравлическими добавками называют природные и искусственные материалы, которые при смешивании их в тонкоизмельченном виде с воздушной известью придают ей свойства гидравлического вяжущего вещества, а в смеси с цементом повышают его водо- и сульфатостойкость.

В большинстве случаев взаимодействие извести и активными минеральными добавками основано на том, что содержащийся в последних активный (аморфный, мелкодисперсный) кремнезем связывает известь в присутствии воды в гидросилиткат кальция, который и обуславливает ее гидравлическое твердение, т.е. нарастание прочности под водой после предварительного затвердевания на воздухе, а также способность сопротивляться выщелачивающему действию воды. Кроме кремнезема в состав активных минеральных добавок входит глинезем, который в присутствии влаги также может взаимодействовать с известью, образуя гидроалюминат кальция, обладающий гидравлическими свойствами.

При твердении из цемента выделяется гидрат окиси кальция, понижающий его сопротивляемость по отношению к выщелачиванию и воздействию некоторых солей, содержащихся в минерализованных водах. Поэтому для повышения водостойкости цемента в пресных и сульфатных водах в него вводят активные минеральные добавки.

Активные минеральные добавки бывают природные и искусственные. К первым относятся осадочные породы: диатомиты, трепелы, опоки и глиежи, также вулканические породы - пеплы, туфы, пемзы, трассы, а ко вторым - доменные гранулированные шлаки, топливные золы и шлаки, искусственно обожженные глинистые материалы и кремнеземные отходы. Все эти добавки в порошковом состоянии при затворении водой не затвердевают.

Диатомит или диатомовая земля представляет собой рыхлую горную породу, состоящую главным образом из скоплений микроскопических панцирей диатомовых водорослей (диатомей) и содержащую кремнезем преимущественно в аморфном состоянии. Трепел - также рыхлая горная порода, состоящая главным образом из мельчайших округлых зерен аморфного кремнезема. Опока - это плотная горная порода, являющаяся продуктом уплотнения диатомитов и трепелов и состоящая также из аморфного кремнезема. Наиболее активная из перечисленных добавок осадочного происхождения - трепел, а наиболее распространенная - опока. Диатомиты и трепелы способны размокать в воде. Это можно использовать при так называемой мокрой присадке этих материалов. Она заключается в том, что разболтанный в воде диатомит или трепел при изготовлении бетонной смеси добавляют в бетономешалку.

При извержении вулканов из кратера выливаются потоки жидкой расплавленной лавы, застывающие по склонам горы в виде более или менее плотной и твердой стекловидной породы (обсидиан, вулканические лавы и шлаки). Кроме того, из кратера вместе с газами и парами выбрасываются мелкие куски и пылеобразные частицы этой лавы. Они уносятся ветром иногда на значительные расстояния, охлаждаются воздухом или вулканическими дождями, сопровождающими извержение, и падают на землю, где отлагаются в виде пористых вулканических пород с различной величиной зерен. Вулканический пепел представляет собой рыхлые, частично уплотненные отложения вулканических пород. Туф - это уплотненный и сцементированный вулканический пепел, трасс - метаморфизованная разновидность вулканического туфа, пемза - камневидная порода пористого губчатого строения.

Все вулканические породы, встречающиеся в природе в землисторыхлом состоянии, называют пуццоланами (по названию итальянского селения Поццуоли в Неаполитанском заливе, где они впервые стали разрабатываться). К пуццоланам относят все пористые вулканические материалы, состоящие из отдельных мелких зерен или небольших кусков (например, вулканические пески). Иногда пуццоланами обобщенно называют все виды активных минеральных добавок.

Для всех вулканических добавок характерно сравнительно высокое содержание кремнезема и глинозема. Активность активных минеральных добавок зависит от скорости охлаждения расплавленной вулканической магмы. Особенно быстро охлаждается лава, попавшая в воду в тех случаях, когда вулканы находятся вблизи морей или рек. Быстро охлажденные вулканические породы обладают большим запасом химической энергии. Такие добавки часто в значительной части или почти целиком состоят из стекла.

Вулканические добавки характеризуются высоким содержанием алюмосиликатов. При введении этих добавок в состав цементов свободная известь связывается нерасстеклованной алюмосиликатной составляющей этих добавок.

На активность этих добавок влияет также содержание в них химически связанной воды. Это подтверждается тем, что вулканический трасс после прокаливания теряет способность придавать извести гидравлические свойства. строительный пуццолановый портландцемент водостойкость

К искусственно обожженным глинистым материалам относятся глинит, цемянка, керамзит, аглопорит, горелые породы (самовозгорающиеся в отвалах пустые шахтные породы). Обожженная глина в виде измельченного в порошок битого кирпича (цемянки) применялась еще в древней Руси в качестве гидравлической добавки в смеси с воздушной известью.

Для получения глинита глину необходимо обжечь при температуре порядка 600-800^оС.

В некоторых местах встречается так называемый глиеж, что означает глина, естественно жженая (гли-е-ж). Глиеж осадочного происхождения, он относится к горелым породам и является продуктом природного обжига глины.

Кремнеземистые отходы (сиштоф) представляют собой богатые кремнекислотой материалы, получаемые в производстве сернокислого алюминия при извлечении глинозема из глины. Такие же отходы получаются и при производстве АIСl₃ из каолинита методом хлорирования в присутствии СО. Эти отходы являются весьма активной добавкой.

Топливные шлаки и золы - побочный продукт, образующийся при сжигании некоторых видов топлива. В составе минеральной части топливных зол и шлаков обычно преобладают кислотные окислы. Содержание кремнезема, глинозема и окиси железа в кислых шлaках и золах превышает 50%.

Активность зол зависит от температурного режима сжигания топлива, а также от размера его кусков и продолжительности пребывания в зоне высоких температур. Как и глинистые материалы, наибольшей активностью обладают золы топлива, сжигаемого при температуре 600 - 800^оС. При более высокой температуре сжигания топлива качество золы как активной минеральной добавки снижается.

При сжигании горючих сланцев и некоторых других видов топлива получаются основные золы, которые сами по себе являются медленно твердеющими вяжущими веществами.

Активность активных минеральных добавок, определяемая по поглощению извести из известкового раствора (в мг СаО на 1г добавки) составляет: у диатомитов, трепелов и опок - 150-400; вулканических пеплов, пемзы и туфа - 50-150; трассов - 60-150; глиежей - 30-100; обожженных глин, топливных шлаков и зол - 50-100. Добавки с меньшей активностью относятся к инертным.

Количество несгоревших частиц топлива в топливных шлаках не должно превышать 15%, а в топливных золах 20% SO3 в топливных шлаках и золах должно быть больше 3%.

Пуццолановый портландцемент

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 22266- 76 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.

Пуццолановый портландцемент выпускается у нас в количестве около 5 млн. т. Для производства пуццолановых портландцементов применяются различные виды активных минеральных добавок. На цементных заводах Брянском, Кричевском, Броценском, Акмянском, Гиганте и др. применяется брянский трепел с активностью около 300 мг/г; Вольская опока той же активности используется на Вольских цементных заводах, абаканская опока с активностью около 250 мг/г - новороссийскими цементными заводами. Алексеевский завод потребляет местную опоку активностью около 250 мг/г, Сенгилеевский завод - местный трепел активностью около 300 мг/г. Для производства белого портландцемента на Щуровском и Таузском цементных заводах расходуют кисатибский диатомит с активностью около 300 мг/г, среднеазиатские заводы - глиеж с низкой активностью 30 - 50 мг/г. Вулканические туфы с активностью 50 - 70 мг/г применяются на дальневосточных заводах; пемзы и туфы примерно той же активности - на Закавказской группе цементных заводов, витофиры с активностью около 70 мг/г - на Семипалатинском заводе. Зола ТЭЦ используется в качестве добавки к портландцементу на Ангарском комбинате.

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. Однако наши исследования показали, что если в трепеле есть глинистые примеси, то сушка при 873 - 973 К несколько повышает его активность; рациональная температура сушки для добавок вулканического происхождения должна устанавливаться на основе экспериментальных исследований.

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 низкоосновных гидросиликатов кальция CSH(B), с отношением С : S до 0,8, ибо, как уже отмечалось, основность гидросиликата кальция (С : S) зависит от концентрации гидроксида кальция в жидкой фазе.

При низкой концентрации извести неустойчивыми оказываются высокоосновные гидроалюминаты кальция. В результате наблюдается их переход в низкоосиовные гидроалюминаты типа хСаО-А120-г/Н20. Возможно также, преимущественно при тепловлажностной обработке, образование гидрогранатов кальция - ЗСа0-А1203- *Si02(6- 2х)Н20. 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, глины - та и некоторых видов вулканических туфов, что может привести к образованию дополнительного количества гидросульфоалюмипата 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 примерно ниже 283 К 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 портландцемента 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 и др.). 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 портландцемента 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 портландцемента 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 портландцемента придают растворам и бетонам несколько пониженную морозостойкость, в особенности, когда многократным (более 100 циклов) попеременным замораживанием и оттаиванием испытывают еще недостаточно прочный раствор или 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 сульфатостойкость из-за незначительного содержания несвязанного гидроксида кальция и повышенной водонепроницаемости. Поэтому пуццолановые портландцементы у нас отнесены к сульфатостойким, регламентируемым ГОСТ 22266-76 на «цементы сульфатостойкие» (см. гл. 6). Выпускаются эти цементы на 40 заводах страны.

В условиях необходимости экономить топливно-энергетические ресурсы, чему способствует замена клинкера соответствующими промышленными отходами, существенно повысилась значимость проблемы применения, в частности, золы-уноса тепловых электростанций в качестве активной минеральной добавки для производства пуццолановых портландцементов.

Зольные цементы. Зольные цементы являются разновидностью пуццолановых портландцементов, регламентируемых действующим ТУ 34-70-10347-81. Их получают совместным помолом либо смешением портландцементного клинкера и золы-уноса при небольшой добавке гипса. Зола-унос является попутным продуктом сжигания некоторых видов твердого топлива в пылевидном состоянии и улавливается электрофильтрами и другими устройствами. Ее частицы бывают грубо- и тонкодисперсными и могут содержать небольшие количества несгоревшего топлива, являющегося вредным компонентом.

Золы-уносы разделяются на кислые и основные. По ОСТ 21-9-74 кислые золы-уносы содержат обычно более 10- 12%СаО и характеризуются количеством Si02+ 4-Al203+Fe203 более 70%. В основных золах общее количество СаО может достигать 40- 50% и СаОСВОб - 12- 20%. По удельной поверхности золы-уноса подразделяются на классы. А - 3000 и Б - 2000 см2/г. Зола-унос по составу приближается к обожженной глине с разным содержанием глинозема и оксидов железа и отличается значительным содержанием почти шаровидных частиц стекла, а также кварца, муллита и др. В зависимости от вида сжигаемого топлива и других условий активность золы-уноса значительно колеблется, но некоторые их виды обладают хорошими гидравлическими свойствами.

ГОСТ на портландцемент с минеральными добавками допускает содержание в составе цемента до 15% золы-уноса. Количество же ее в составе зольного цемента регламентируется установленными нормами на пуццолановый портландцемент в пределах 25 - 40% золы-уноса. Часто применяют при приготовлении бетонных смесей в качестве компонента обычного, а также гидротехнического бетона, причем установлено, что введение в бетонную смесь 20 - 25% золы-уноса обусловливает почти соответствующую экономию цемента при сохранении прочности бетона [129]. Весьма эффективна тепло-влажностная обработка зольного цемента (бетона).

Пониженная водопотребность зольных цементов способствует повышению водонепроницаемости и в большинстве случаев также сульфатостойкости бетона. Выявилось, что новые гидратные фазы, образовавшиеся в результате химического взаимодействия портландцемента с золой, относительно быстро карбонизируются, что повышает прочность цементного камня. Продукты гидратации основных зол-унос образуются по обычной для портландцемента схеме и содержат эттрингит, портландит и соответствующее количество геля С - S- Н [93]. В современных условиях, когда необходимы малоэнергоемкие технологии, производство и применение зольных цементов весьма целесообразно [12]. Известно строительство многих гидротехнических сооружений у нас и за рубежом с частичной заменой портландцемента золой-уносом. В значительных объемах применяет золы ТЭС Ангарский цементный завод и в сравнительно ограниченном количестве еще девять цементных заводов.

Размещено на Allbest.ru