Известково-пуццолановым цементом называется гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного помола высушенных активных минеральных добавок с известью (негашеной, гашеной — пушонкой или гидравлической) или тщательным смешением в сухом виде тех же раздельно измельченных материалов.
Обычно весовое содержание извести в известково-пуццолановом цементе колеблется от 10 до 30%. Наилучшую (оптимальную) дозировку извести и добавки устанавливают опытным путем в зависимости от прочности изготовленных растворов. Для повышения воздухостойкости содержание извести в известково-пуццолановом цементе увеличивают до 50% и более. При изготовлении известково-пуццолановых цементов для регулирования их свойств добавляют гипс (не более 5% от веса всей смеси). В данном случае гипс ускоряет схватывание и твердение. Для улучшения свойств известково-пуццолановых цементов к ним добавляют портландцемент и некоторые другие вещества.
К известково-пуццолановым обычно относят цементы, изготовленные из смеси извести с активными минеральными добавками вулканического происхождения (трасс, пепел, пемза и др.), или с гидравлическими добавками осадочного происхождения (трепел, опока, диатомит), или с активными кремнеземистыми отходами.
Производство всех видов известково-пуццолановых цементов и других вяжущих, получаемых из смеси извести и активных минеральных добавок (известково-шлаковый, известково-зольный цемент и др.) в основном одинаково и сводится к следующим операциям: дроблению и сушке добавки, дроблению гипса, дроблению или гашению в пушонку извести и совместному помолу всех трех компонентов в шаровой мельнице. Совместный помол дает лучшие результаты, чем раздельный помол всех материалов с последующим их смешением, так как обеспечивает более тесное смешивание и получение однородной смеси.
Гашеную известь-пушонку необходимо применять в сухом виде, поскольку влажные материалы налипают на мелющие шары и стенки мельницы. Это сильно уменьшает производительность установки, а при известном предельном содержании влаги делает невозможным совместный помол извести и добавки. Приготовление же сухой пушонки несколько усложняет производство. Если же применять в качестве исходного материала известь-кипелку, то все эти явления устраняются, так как кипелка реагирует с влагой, которая может оставаться в недостаточно высушенных добавках.
Твердение известково-пуццолановых цементов при затворении водой основано на взаимодействии извести с аморфным кремнеземом добавки, в результате чего образуется гидроосиликат кальция: xCaO+Si02+nH20=xCaO*Si02*nН2О. Возникающий в гелеобразном состоянии гидросиликат с течением времени уплотняется, затвердевает и связывает отдельные зерна мелких и крупных заполнителей в растворе и бетоне. В начале известь адсорбируется на поверхности активного кремнезема добавки, а затем она вступает с ним в химическое взаимодействие.
В системе СаО — Si02 — Н2О в зависимости от температуры среды, дозировки извести, вида исходных материалов и длительности взаимодействия могут образовываться различные гидросиликаты кальция, отличающиеся по составу (по основности, т. е. по соотношению СаО*Si02, и по гидратности, т. е. по количеству молекул связанной воды, приходящихся на одну молекулу Si02), по структуре (гелеобразное или кристаллическое вещество), а следовательно, и по вяжущим свойствам.
В процессе твердения известково-пуццолановых цементов в условиях обычных температур образуется однокальциевый гидросиликат типа CSH (В). При большом содержании извести возможно образование и двухкальциевого гидросиликата C2SH2. Этот гидросиликат, как уже указывалось, устойчив лишь при наличии в окружающей среде насыщенного раствора извести. Если же концентрация извести в окружающем растворе уменьшается (это происходит при твердении известковых цементов по мере связывания извести), то двухкальциевый гидросиликат разлагается с образованием однокальциевого гидросиликата и извести. Выделившаяся известь вступает в реакцию с новыми порциями кремнезема, образуя гидросиликат кальция.
В твердеющем известково-пуццолановом цементе гидросиликаты представляют собой гелеобразное вещество, в котором под электронным микроскопом при очень большом увеличении удается различить микрокристаллическую спутанно-волокнистую массу. С течением времени возникшие новообразования уплотняются и частично кристаллизуются.
В некоторых активных минеральных добавках наряду с активным кремнеземом содержится и активный глинозем, который, соединяясь с гидратом окиси кальция, дает гидроалюмнат: хСаО+Аl2O3+nH2O=хСаО+* Аl2O3* nН2О. Вначале, по-видимому, образуются гексагональные гидроалюминаты кальция переменного состава, переходящие с течением времени в кубический трехкальциевый гидроалюминат.
При твердении в водной среде прочность известково-пуццолановых цементов увеличивается в течение длительного времени. В воздушно-сухой среде повышение прочности известково-пуццолановых цементов через определенный период прекращается, а достигнутые величины предела прочности при сжатии и растяжении даже снижаются.
В. Н. Юнг указывает, что аморфная масса уже успевших образоваться гидросиликатов, высыхая, сморщивается и дает усадку, вследствие чего нарушается сцепление между ней и песком и появляется много мельчайших трещин, причем углекислота воздуха разлагает аморфные образования гидросиликатов кальция и превращает их в порошкообразную, не обладающую вяжущими свойствами смесь углекислого кальция и кремнезема: хСаО*Si02*nН2О+СО2-х СаСО3+Si02+nН2О. У цементов на основе вулканических гидравлических добавок воздухостойкость несколько выше. Следует отметить, что воздухостойкость вяжущих веществ, твердение которых основано на образовании гидросиликатов кальция, зависит от их состава и структуры.
Для нормального хода процесса твердения известково-пуццолановых цементов в наземных сооружениях необходимо, чтобы твердеющие цементы длительное время находились во влажной среде, для чего их периодически поливают водой. Чтобы повысить воздухостойкость известково-пуццолановых цементов, к ним добавляют 10-20% цемента или увеличивают содержание в них извести до 50% и более для вяжущих на основе трепела, диатомита или опоки и не менее чем до 40% для вяжущих на основе активных минеральных добавок вулканического происхождения и обожженных глинистых пород. Воздухостойкость повышается также при добавке гипса, хлористого кальция, хлористого натрия и некоторых других солей (в количестве 1-5 %) или замене воздушной извести гидравлической. Затвердевшие на известково-пуццолановых цементах растворы или бетоны относительно стойки в пресных и сульфатных водах, так как при правильно выбранных дозировках извести и добавки и при достаточно длительном предварительном твердении в затвердевших paствopax не будет содержаться Са (ОН)2, а в ряде случаев отсутствует или будет содержаться в малом количестве и гидроалюминат кальция.
Известково-пуццолановые цементы в обычных условиях твердеют весьма медленно. Прочность их нарастает в течение длительного времени. Процесс твердения изделий из известково-пуццолановых цементов можно ускорить при помощи автооклавной обработки. Образующиеся при запаривании под давлением в автоклавах кристаллические гидросиликаты значительно более стойки в воздушной среде. Таким образом, запаривание под давлением наряду с повышением механической прочности увеличивает также воздухостойкость известковых цементов. Обработка путем атмосферного давления в пропарочных камерах также ускоряет твердение известково-пуццолановых цементов, но в меньшей степени, чем автоклавная обработка.
Ускоряет схватывание и твердение известково-пуццолановых цементов и добавка двуводного гипса или полугидрата, а так же цемента. Аналогичным образом влияет добавка хлористого кальция и некоторых других солей.
Известково-пуццолановые цементы требуют возможно более тонкого помола, так как при этом увеличивается поверхность взаимодействия извести с добавкой. По СНиП остаток на сите № 008 должен быть не более 15% просеиваемой пробы. Объемный вес известково-пуццолановых цементов невысок: он колеблется в пределах 500-800 кг/м3 в рыхлом состоянии и 800-1100 кг/м3 в уплотненном. Удельный вес также мал; в зависимости от использованной добавки он составляет 2,1-2,7.
Известково-пуццолановый цемент представляет собой рыхлый, очень подвижный порошок, поэтому, в него легко проникают влага и углекислота воздуха, превращающие известь в углекислый кальций, что понижает прочность вяжущего. Поэтому лучше использовать его возможно быстрее, во всяком случае, не позже чем через месяц после изготовления. Из-за подвижности известково-пуццоланового цемента его нельзя транспортировать навалом, а необходимо перевозить в таре.
Известково-пуццолановые цементы медленно схватываются: начало схватывания обычно наступает не ранее 5-8 ч., а конец примерно через 20-30 ч. При использовании негашеной извести схватывание наступает быстрее. Эти цементы должны равномерно изменяться в объеме при испытании кипячением и в парах воды. Если они изготовлены на кипелке, то нужно особенно тщательно наблюдать за изменением объема. При твердении, известково-пуццолановых цементов на основе пушонки на воздухе наблюдаются значительные усадочные деформации; применение негашеной извести уменьшает величину усадки.
Количество связываемой извести и прочность растворов из известково-пуццолановых цементов зависят от активности и физической структуры добавки. Более активные добавки вводят в известково-пуццолановые цементы, в меньшем количестве. Вместо общего названия «известково-пуццолановый цемент» целесообразно применять наименования, характеризующие состав цемента, например известково-трепельный, известковый цемент и т. п., или называть их так: известковый цемент на основе добавок осадочного происхождения и известково-пуццолановый цемент на основе добавок вулканического происхождения.
В зависимости от механической прочности известково-пуццолановый цемент делится на три марки: 50, 100 и 150. Обозначения марок соответствуют пределу прочности при сжатии через 28 суток, причем образцы хранятся 7 суток во влажной среде и 21 сутки в воде. По ГОСТ 2544-44 предел прочности при сжатии образцов стандартного изготовления из раствора жесткой консистенции состава 1 : 3 по весу через 7 суток после изготовления, при хранении их во влажной среде, должен быть не ниже 20; 40 и 70 кг/м2, а при растяжении 4; 6 и 8 кг/м2 соответственно для марок 50; 100 и 150. Испытание прочности известково-пуццоланового цемента на заводах через 28 суток обязательно лишь для контроля производства и изучения роста прочности цементов во времени.
Приведенные данные по прочности известково-пуццолановых цементов относятся к трамбованным образцам, изготовленным из растворов жесткой консистенции; на практике же в большинстве случаев применяют растворы пластичной консистенции с более высоким водоцементным отношением. Соотношение между величинами прочности образцов из растворов жесткой и пластичной консистенции для разных цементов различно, поэтому желательно кроме предусмотренного стандартом испытания трамбованных образцов из раствора жесткой консистенции испытывать и образцы из раствора пластичной консистенции. В последнем случае приведенные марки известково-пуццоланового цемента будут примерно равны соответственно маркам 25; 50 и 75. Вяжущие на негашеной извести более прочны.
Особенностью известково-пуццолановых цементов является их высокая водопотребность (по сравнению с цементом и некоторыми другими вяжущими веществами). Наибольшая водопотребность характерна для цемента с добавками осадочного происхождения. Водоцементное отношение в тесте нормальной густоты для известково-пуццолановых цементов с диатомитом и трепелом колеблется в пределах 0,50-0,70, а для цементов с добавками вулканического происхождения 0,30-0,40, тогда как для цемента эта величина составляет 0,25-0,30. Такая водопотребность известково-пуццоланового цемента объясняется большими гигроскопичностью и водоудерживаюющей способностью этих добавок. Связующая способность известково-пуццолановых цементов больше, чем у цемента, но меньше, чем у извести. Они допускают введение значительного количества заполнителей.
Растворы и бетоны на известково-трепельном цементе характеризуются низкой морозостойкостью. Несколько выше морозостойкость известково-пуццолановых цементов на основе вулканических добавок.
Известково-пуццолановые цементы целесообразно применять преимущественно для растворов и бетонов низких марок в подземных или подводных сооружениях и для изготовления изделий с применением тепловлажностной обработки. Использовать эти цементы в надземных сооружениях можно только при систематическом увлажнении впервые сроки твердения.
Не рекомендуется применять известково-пуццолановые цементы при пониженных температурах (ниже + 10°С без искусственного обогрева), так как при этом сильно замедляется и без того медленно идущий процесс твердения. Не рекомендуется также использовать известково-пуццолановые цементы для возведения конструкций, подвергающихся систематическому попеременному замораживанию и оттаиванию или увлажнению и высыханию.