Пуццолановым цементом называется гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и во влажных условиях, получаемое путем совместного помола цементного клинкера с активной минеральной добавкой или тщательным смешением в сухом виде тех же раздельно измельченных материалов.
Весовое содержание добавок зависит от их состава и свойств. Содержание добавок осадочного происхождения составляет 20-35%, добавок вулканического происхождения обожженной глины, глиежа и топливной золы 25-40%. Устанавливая оптимальное соотношение между цементным клинкером и активной минеральной добавкой, приходится также учитывать и минералогический состав клинкера. При помоле пуццоланового цемента добавляют гипс в количестве, необходимом для регулирования сроков схватывания, с тем, однако, чтобы содержание SO3 в пуццолановом цементе не превышало 3,5%.
Производство пуццоланового цемента по наиболее распространенному способу — совместному помолу — отличается от производства цемента тем, что клинкер, выходящий из печи, размалывается в многокамерной мельнице вместе с активной минеральной добавкой и гипсом. До помола добавку дробят и сушат в сушильном барабане, гипс же только дробят. Поскольку расходы по получению клинкера выше, чем расходы по дроблению и сушке добавки, себестоимость пуццоланового цемента ниже себестоимости цемента. С увеличением количества вводимой добавки себестоимость уменьшается.
Требуемое количество добавки зависит от активности: чем она выше, тем меньше ее вводится в пуццолановый цемент. Хотя мaлоактивныe дешевые добавки вводимые в большем количестве (чем активные), понижают стоимость цемента, все же нет оснований считать эти добавки более выгодными. Даже при оптимальных дозировках они дают пуццолановый цемент меньшей прочности, чем более активные добавки, так как содержат сравнительно больше инертных составляющих.
Пуццолановый цемент можно изготовлять не только на заводах, но и непосредственно на стройках, в специальных сушильно-помольных установках, где активная минеральная добавка высушивается, размалывается и смешивается с цементом или осуществляется совместный помол клинкера с предварительно высушенной добавкой. При этом транспортируется только клинкер, так как перевозить его удобнее, чем измолотый цемент; кроме того, уменьшается загрузка транспорта, так как добавка является местным материалом. Наряду с этим, на стройках получают свежеизготовленныЙ пуццолановый цемент, состав которого можно изменять, вводя в него наполнители. Однако строительство помольных установок может оказываться рентабельным только на очень крупных стройках.
В других случаях можно применять предложенную С. В. Шестоперовым мокрую пуццоланизацию цемента, при которой активная минеральная добавка в смеси с водой вводится в виде водной суспензии в бетономешалку в процессе изготовления бетонной смеси. Это возможно лишь при легко распускающихся в воде добавках, какими являются многие виды трепелов и диатомитов. Мокрая присадка гидравлических добавок была впервые применена на строительстве канала имени Москвы. Наряду с мокрой возможна и сухая присадка в бетономешалку тонкоизмолотой добавки. Однако в этом случае она хуже смешивается с цементом.
Требования стандарта к тонкости помола такие же, что и для цемента, остаток на сите №008 не должен превышать 15%. Однако целесообразно размалывать пуццолановый цемент возможно более тонко, так как при этом увеличивается поверхность взаимодействия между реагирующими компонентами, что ведет к ускорению твердения. Весьма эффективен, особенно при использовании мягких добавок, двухступенчатый помол, при которого вначале измельчают цементный клинкер с гипсом до обычной или несколько меньшей удельной поверхности, а затем в мельницу подают активную минеральную добавку, и всю смесь измельчают до заданной тонкости помола. При совместном помоле, когда в мельницу одновременно загружают клинкер, добавку и гипс, добавка размалывается в первую очередь, и она оказывается измельченной более тонко, чем цементным клинкер, что понижает свойства пуццоланового цемента.
При твердении пуццоланового цемента вначале взаимодействуют с водой цементные частицы, образуя гидрат окиси кальция, двухкальциевый гидросиликат С2SН2 и высокоосновные гидроалюминаты и гидроферриты кальция. Наличие активной минеральной добавки ускоряет гидратацию и гидролиз цементной части пуццоланового цемента. Вслед за этим активная составляющая добавок вступает во взаимодействие с продуктами гидратации цемента, в первую очередь с гидратом окиси кальция. Это вызывает постепенное уменьшение концентрации извести в жидкой фазе твердеющей системы, в результате чего двухкальциевый гидросиликат переходит в однокальциевый — CSH (В), а высокоосновные гидроалюминаты — в менее основные. При взаимодействии гидроалюминатов и активного Si02 возможно образование сульфатостойких гидрогранатов типа 3СаО*Аl2О3* xSi02(6-2х) Н2О, которые значительно быстрее возникают при автоклавном твердении.
Пуццолановые цементы, при твердении которых связывается гидрат окиси кальция и образуются менее основные гидросиликаты и гидроалюминаты кальция, чем при твердении цемента, значительно более стойки по отношению к выщелачиванию пресной водой и к воздействию минерализованых вод.
Некоторые активные минеральные добавки, например обожженная глина, содержат довольно много активного глинозема, который при взаимодействии с гидратом окиси кальция образует в процессе твердения значительное количество гидроалюмината кальция, способствующего образованию дополнительного количества гидросульфоалюмината кальция при сульфатной коррозии. Поэтому пуццолановый цемент на основе обожженной глины в течение длительного времени рекомендовали лишь для сооружений, подверженных воздействию пресных вод.
Однако работы И. С. Канцепольского показали, что если каолинитовые и полиминеральные глины обжигать при температуре перехода аморфного глинозема в кристаллическое состояние (900-1000 °C), то при таком обжиге глинозем теряет свою химическую активность, а кремнезем в определенной степени сохраняет ее. Таким образом, обожженные глины повышают сульфатостойкость цемента. Сульфатостойкий цемент получается в этом случае при повышенных дозировках высокообожженных глин (30% и выше). На этой основе в Средней Азии выпускается глиеж-цемент, стойкий как в пресных, так и в минерализованных водах. Растворимого глинозема в глиеже должно быть не более 3%.
При взаимодействии с водой и гидратом окиси кальция, образующегося при твердении цемента, отдельные зерна измельченной добавки увеличиваются в объеме (набухают). Это вызывает уплотнение раствора или бетона. Уплотнение увеличивает также водо- и солестойкость пуццоланового цемента, так как затрудняет проникновение агрессивных вод внутрь бетонного массива и препятствует разрушению бетона. Поэтому при определении активности минеральной добавки необходимо устанавливать степень ее набухания в известковой воде.
Объемный вес пуццоланового (трепельного) цемента в рыхлом состоянии 800-1000 кг/м3, а в уплотненном 1200-1600 кг/м3. Удельный вес его — 2,7-2,9. Следовательно, как объемный, так и удельный вес пуццоланового цемента ниже, чем у цемента. Поэтому выход теста из пуццоланового цемента больше, чем из цемента. При одном и том же весовом количестве вяжущего вещества из пуццоланового цемента получается более плотный и водонепроницаемый бетон, так как объем этого количества пуццоланового цемента больше объема цемента.
Пуццолановый цемент твердеет медленнее, чем цемент. При стандартных испытаниях в трамбованных образцах из раствора жесткой консистенции впервые сроки он обладает меньшей прочностью, чем цемент, из которого он изготовлен. Однако в дальнейшем пуццолановый цемент догоняет и даже перегоняет его порочности, причем чем активнее добавка, тем в более короткий срок это происходит.
Более высокая конечная прочность пуццоланового цемента объясняется тем, что общее количество гидросиликата кальция, образующегося в пуццолановом цементе, больше, чем в цементе. Медленное нарастание прочности пуццоланового цемента впервые сроки вызывается тем, что вводимая добавка как бы разбавляет цементный раствор, уменьшает количество чистого цемента. Однако, как только значительное количество активного кремнезема добавки вступит во взаимодействие с выделяющимся гидратом окиси кальция, твердение значительно ускоряется и прочность растворов из пуццоланового цемента становится такой же, как и у растворов из цемента. Поэтому растворы и бетоны на пуццолановом цементе должны находиться во влажной среде более продолжительное время, чем изделия из цемента.
Замедление твердения вызывается также большей водопотребностью пуццолановых цементов, особенно изготовляемых на основе трепелов и диатомитов. Введение активных минеральных добавок увеличивает количество воды, необходимое для получения цементного теста нормальной густоты примерно с 25 до 30-40% и выше. Соответственно повышается и нормальная густота раствора с песком 1:3. При использовании в качестве добавок трасса или туфа водопотребность пуццоланового цемента несколько меньше, но все же превышает водопотре6ность цемента.
Повышенный расход воды и ряд других причин вызывают необходимость увеличивать расход пуццоланового цемента на 1м3 бетона на 15-20% по сравнению с цементом той же марки. Вид используемой добавки влияет на свойства пуццоланового цемента. Поэтому, чтобы иметь более точное представление о свойствах данного вяжущего, вместо обобщенного названия «пуццолановый цемент» целесообразнее применять частные названия: трепельный цемент, трассовый и т. д.
Не повышает водопотребности бетонной смеси добавка золы уноса, которую можно вводить в состав, как цемента, так и бетонной смеси. Замена золой части цемента позволяет уменьшить его расход, практически не ухудшая качества бетона.
При испытании стандартных трамбованных образцов из растворов жесткой консистенции отставание пуццоланового цемента по прочности наблюдается лишь в течение очень краткого времени, так как сказывается высокая уплотняющая способность гидравлических добавок и больший выход цементного теста.
При испытании в образцах из растворов пластичной консистенции, т. е. в условиях, более близких к практическим, скорость нарастания прочности пуццоланового цемента замедляется больше и в большинстве случаев даже в отдаленные сроки она не достигает прочности цемента.
Твердение пуццоланового цемента можно ускорить, применяя ряд мероприятий, в частности используя более активные добавки, клинкер с повышенным содержанием трехкальцииевого силиката и трехкальциевого алюмината, которые весьма быстро гидратируются. Ускоряют твердение также более тонкий помол пуццоланового цемента, увеличение в известных пределах дозировки гипса, а также добавка хлористого кальция.
Марки пуццоланового цемента по ГОСТ 970-61: 300, 400, 500 и 600. Они соответствуют пределу прочности при сжатии через 28 суток образцов из раствора жесткой консистенции в кг/см2. Намечаемый к введению ГОСТ 10178-62 предусматривает марки 200, 250, 300, 400 и 450 при испытании в образцах из раствора пластичной консистенции. Предел прочности при изгибе должен быть соответственно не менее: 35, 40, 50, 60 и 65 кг/см2.
При твердении пуцоланового цемента вследствие более медленного течения этого процесса выделяется меньше тепла, чем при твердении цемента. Однако снижение тепловыделения не пропорционально содержанию добавки (оно меньше), что объясняется ускорением гидратации цементных зерен.
Стандарт предусматривает такие же сроки схватывания для пуццоланового цемента, как и для цемента: начало схватывания должно наступать не ранее 45 мин, а конец не позднее 12 ч. Пуццолановый цемент должен обнаруживать равномерность изменения объема при испытании кипячением и в парах воды.
Водоотделение пуццолановых цементов меньше, чем у цемента, при твердых добавках (трасс, туф и др.) оно мало отличается от водоотделения цемента. Усадка и набухание пуццоланового цемента, при твердении на воздухе и в воде, более высокие, чем у цемента, причем наибольшую усадку и набухание дают пуццолановые цементы на основе добавок осадочного происхождения.
Пуццолановый цемент уступает цементу по воздухостойкости. При достаточно длительном твердении во влажных условиях в первые сроки он не обнаруживает обычно при дальнейшем твердении на воздухе снижения прочности. Однако прирост прочности в этом случае значительно меньше, чем при хранении в воде.
Применять пуццолановый цемент при пониженных температурах нецелесообразно, так как при этом сильно замедляется и без того медленное твердение этого цемента. Наоборот повышенная температура в сочетании с влажной средой дает благоприятные результаты. Поэтому ускорение твердения пуццоланового цемента путем водотепловой обработки дает относительно больший эффект, чем для цемента. Пуццолановый цемент обнаруживает меньшую морозостойкость чем цемент.
Прочность пуццоланового цемента при длительном хранении (на складах) понижается быстрее, чем прочность цемента вследствие большей гигроскопичности активных минеральных добавок. Они поглощают влагу из воздуха, а это вызывает гидратацию некоторой части пуццоланового цемента.
Для повышения сульфатостойкости пуццолановый цемент изготовляют из клинкера с пониженным содержанием трехкальциевого алюмината (не более 8%.). Такой продукт носит название сульфатостойкого пуццоланового цемента. Содержание С3S в нем не должно превышать 50%.
Пуццолановый цемент применяют для подводных и подземных бетонных и железобетонных конструкций, подвергающихся действию пресных и сульфатных вод. Его можно использовать и для конструкций, а также строительных растворов, находящихся в условиях повышенной влажности. Его применяют также для внутримассивного бетона гидротехнических сооружений. Вследствие пониженной морозо- и воздухостойкости этот цемент не рекомендуется использовать в наземных бетонных и железобетонных конструкциях в условиях воздушного твердения. Наблюдающееся при этом быстрое высыхание может приостановить твердение и вызвать значительную усадку цемента. Не рекомендуется также применять пуццолановый цемент для тех частей сооружений, которые находятся на переменном уровне воды в условиях попеременного увлажнения и высыхания, замораживания и оттаивания.