Вопросы и ответы
Портландцемент с пуццоланой
Классическими пуццолановыми добавками являются опока, трепел и диатомит, содержащие в своем составе большое количество аморфного SiO2. Отметим, что под определение «с низким содержанием пуццоланы (до 15 %)» подпадают цементы типа ЦЕМ I и ЦЕМ II по ГОСТ 31108–2016, Д5 или Д20 по ГОСТ 10178–85, а также сульфатостойкий цемент ЦЕМ II/А-П СС по ГОСТ 22266–2013, содержащие в качестве минеральной добавки или вспомогательного компонента только природную пуццолану.
Основные сведения об использовании пуццолановых цементов в составе бетонов сводятся к следующему:
1) пуццолановые цементы могут немного повышать водопотребность бетонных смесей вследствие того, что природная пуццолана обладает высокой пористостью и адсорбционной способностью по отношению к воде. Однако при низком содержании добавки в составе цемента это повышение практически незаметно;
2) бетонные смеси на основе пуццолановых цементов для обеспечения одинаковой пластичности (подвижности) иногда требуют использования несколько большего количества пластификаторов типа ЛСТМ или С‑3 вследствие их значительной адсорбции на частицах пуццоланы;
3) бетонные смеси на основе пуццолановых цементов обладают высокой стойкостью к водоотделению и расслоению из-за высокой водоудерживающей способности мельчайших частиц пуццоланы;
4) использование пуццолановых цементов практически не влияет на продолжительность нахождения бетонных растворов в пластичном состоянии или незначительно ее сокращает;
5) скорость твердения бетонов на основе пуццолановых цементов в ранние (до 2—3 сут) сроки твердения может быть несколько ниже, чем у бетонов на основе бездобавочных цементов, однако их марочная прочность в возрасте 28 сут не ниже, а иногда и выше (при прочих равных условиях), чем у бетонов с бездобавочными цементами;
6) бетоны на основе цементов с небольшим содержанием пуццоланы хорошо твердеют в условиях тепловлажностной обработки, что позволяет снизить расход цемента в составе бетонной смеси;
7) имеются сведения о положительном влиянии пуццолановых цементов на повышение коррозионной стойкости бетонов вследствие реакций между щелочами цемента и активным кремнеземом заполнителей;
8) при хорошем уплотнении бетонных смесей бетон на основе цемента с невысоким содержанием пуццоланы имеет плотную, малопроницаемую для воды структуру. Такие бетоны обладают высокими сульфато- и морозостойкостью, даже при содержании в составе цемента до 5—7 % масс. минерала С3А. Однако есть сведения о заметном снижении морозостойкости бетонов на основе пуццолановых цементов при недостаточном уплотнении бетонных смесей.
Суммируя вышесказанное, отметим, что пуццолановые цементы с невысоким содержанием пуццоланы в большинстве случаев могут с успехом заменить бездобавочные цементы, особенно при производстве товарного бетона, твердеющего в условиях тепловлажностной обработки. Не рекомендуется использовать пуццолановые цементы в производстве бетонов, для которых невозможно обеспечить хорошее уплотнение, а также для получения самоуплотняющихся бетонных смесей.
Пуццоланы (реакционноспособные алюмосиликаты) успешно применяют в производстве цемента и бетона более 2000 лет (пример — римский цемент, opus caementitium). Современные стандарты на цемент и бетон предусматривают использование как природных и прокаленных природных пуццолан (например, кальцинированных глин), так и золы-уноса с угольных электростанций как промышленной пуццоланы. В последнее время большое внимание уделяется замене портландцементного клинкера пуццолановыми материалами, поскольку она напрямую снижает «углеродный след» цементов и бетонов.
Как правило, стеклообразные составляющие пуццоланы реагируют с гидроксидом кальция, который образуется при реакции фаз клинкера с водой. Поскольку пуццоланы обладают меньшей реакционной способностью, чем клинкер, у последнего в цементах с пуццолановыми материалами выше эффективное водовяжущее соотношение (В/В) в начале гидратации, что ее ускоряет. Кроме того, тонкодисперсные пуццоланы действуют как зародыши кристаллизации продуктов гидратации, что также может повышать ее скорость. На рис. 1 [1] показано, как влияют различные количества некоторых прокаленных глин в пуццолановом цементе на прочность при сжатии. При расчете прочности цемента, в котором клинкер частично заменен инертным материалом вместо глины (результаты показаны пунктиром) принято, что снижение содержания клинкера на 1 % приводит к уменьшению прочности на 1 %. Видно, что при содержании до 15 % масс. добавки не оказывают на прочность существенного влияния. Возможное снижение ранней прочности из-за отсроченного начала пуццолановой реакции может быть частично компенсировано путем увеличения тонины помола цемента. О повышении прочности, обусловленном присутствием глин в цементе, правомерно говорить лишь для поздних сроков твердения (более 28 сут).
Рис. 1. Влияние содержания прокаленных глин на прочность при сжатии цемента в возрасте 2 (а), 7 (б) и 28 сут (в), определявшуюся по стандарту EN196–1 [1]. В обозначениях образцов T7 — иллитовая, T10 — каолинитовая, T11 — хлоритовая глина; число после дефиса — температура прокаливания, °C. Пунктир соответствует расчетным значениям прочности цемента при частичной замене клинкера инертным материалом вместо глины
Опыт показывает, что использование цементов, содержащих кроме портландцементного клинкера до 15 % масс. пуццоланы, не влияет на свойства свежеприготовленной бетонной смеси. Зола-унос может снизить водопотребление, что в сочетании со сферической формой ее частиц обычно приводит к улучшению удобоукладываемости свежеприготовленной бетонной смеси. Пуццолановая реакция приводит к образованию более плотных микроструктур в затвердевшем цементном тесте. Это повышает долговечность бетонов. Таким образом, коэффициент миграции хлоридов, устойчивость к карбонизации, а также стойкость к воздействию отрицательных температур и замораживанию—оттаиванию бетона с содержанием пуццолан до 15 % масс. не подвержены значительному влиянию и находятся в том же диапазоне значений, что и для обычных бетонов, не содержащих пуццолановых цементов (рис. 2) [2].
Рис. 2. Стойкость к карбонизации, воздействию отрицательных температур (по результатам испытаний образцов кубической формы) и замораживанию—оттаиванию в присутствии антиобледенителя для бетонов на основе цементов с 20 и 40 % масс. прокаленной глины (Q) [2]. Предельные значения приведены в соответствии с немецкими нормативными документами
В связи с уменьшением доступности подходящей золы-уноса и доменного шлака важность природной и прокаленной природной пуццолан и известняка в качестве основных компонентов цемента в ближайшие годы значительно возрастет. В настоящее время поставлена цель внести в Европейские стандарты композитные цементы CEM II/C—M и CEM VI с максимальным содержанием клинкера 64 и 49 % масс. соответственно, чтобы обеспечить их широкое применение.
В обозримом будущем портландцементный клинкер останется основным компонентом цемента. Альтернативных клинкеров с подходящими техническими характеристиками, которые могли бы удовлетворить постоянно растущий мировой спрос на цемент, сегодня не существует. Следовательно, дальнейшее повышение эффективности клинкера путем снижения его содержания в цементе и бетоне за счет использования доступных сырьевых материалов и совершенствования технологии бетона остается важным фактором дальнейшего снижения выбросов CO2. Значительного сокращения этих выбросов можно достичь, разрабатывая рецептуры бетонов в соответствии с фактическими требованиями к характеристикам строительной конструкции. Например, бетоны для ее внутренних элементов можно изготавливать на основе цемента с относительно низким содержанием клинкера. Здесь использование цементов с содержанием пуццоланы более 15 % масс. вместо портландцемента не приведет к изменению тех типичных характеристик соответствующих бетонов, которые важны для их эксплуатации. Возможны и более высокие показатели замещения клинкера, но в некоторых случаях они могут ограничивать использование бетона. В этих обстоятельствах следует обратить внимание на тип пуццоланы, ее реакционную способность и реакционную способность других компонентов цемента (в первую очередь, разумеется, клинкера). Разработка рецептуры и укладка бетонной смеси также имеют критически важное значение, когда стоит задача максимально повысить содержание пуццоланы в цементе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Schulze S.E., Rickert J. Performance of cements with calcined clays as main constituent // Proc. 19th Internationale Baustofftagung Tagungsbericht (Weimar 16.—18.09.2015). Weimar: Bauhaus-Universität Weimar, 2015.
2. Pierkes R., Schulze S. E., Rickert J. Durability of concretes made with calcined clay composite cements // Proc. 2nd Intern. Conf. on Calcined Clays for Sustainable Concrete (Havana City 05.—07.12.2017). Martirena F., Scrivener K., Favier A. (Eds.). Heidelberg: Springer, 2018 (RILEM Bookseries 16). P. 366—371.