Вопросы и ответы
Влияние минеральных добавок на свойства цемента
Вопрос: 1. При использовании минеральных добавок в цемент повышается нормальная густота цементного теста. Отразится ли это на активности цемента?
2. Повлияет ли на долговечность цементного камня наличие щелочей в вулканических породах?
К факторам, «работающим» на снижение показателей активности цемента при введении таких минеральных добавок, которые увеличивают водопотребность, относится не только рост водопотребности в целом, но и сокращение доли воды, активно участвующей в гидратации клинкерных фаз, а также снижение доли клинкера в цементе с добавками.
В ходе твердения негативный эффект может быть в большей или меньшей степени скомпенсирован участием добавки в формировании структуры цементного камня. На ранних этапах гидратации участие высокодисперсных добавок заключается в уплотнении структуры цементного камня (или раствора) мелкими частицами, а также тем, что на поверхности частиц добавок размещаются продукты гидратации клинкерных фаз (вследствие этого алит и белит гидратируются более активно). Подобным образом действуют и пуццолановые добавки, и добавки, не обладающие выраженной пуццолановой активностью, например, условно инертный известняк. Позднее (начиная с 3—7 сут) положительное влияние на прочность обеспечивается пуццолановым вкладом добавок, обладающих соответствующей активностью, т. е. способных совместно с Са(ОН)2 принимать участие в образовании геля С—S—H и других фаз. Отметим только, что в фазообразовании участвуют даже высокодисперсные известняки; образующиеся при этом фазы — гидрокарбоалюминаты кальция — тоже вносят определенный вклад в характеристики цементного камня. Также отметим, что для прочности растворов и бетонов крайне важно участие минеральных добавок в уплотнении так называемой «переходной зоны» между цементным гелем и заполнителями, вследствие которого повышается адгезия геля к частицам заполнителя и возрастает прочность.
В конечном счете суммарный эффект от присутствия минеральной добавки в составе цемента выражается в результатах стандартизованных испытаний, позволяющих присвоить конкретному цементу соответствующий класс или марку прочности.
2. Автор вопроса, очевидно, имеет в виду возможность развития щелоче-кремнеземных реакций (ЩКР), инициируемых щелочами минеральных добавок из вулканических пород и минералов. Действительно, природные добавки вулканического происхождения (вулканические стекла, туфы, трассы) наряду с SiO2, Al2O3, CaO могут иметь в своем составе до 10 % щелочных компонентов (Na2O и K2O). Соответственно, высвобождение такого количества щелочей могло бы обеспечить весьма значительный вклад в щелочной баланс поровой жидкости цементного раствора или бетона. Нельзя, однако, забывать, что такие материалы, используемые практически в своем естественном состоянии, обладают пуццолановыми свойствами, т. е. они способны взаимодействовать с Са(ОН)2 с образованием кальциево-силикатного гидрогеля (геля C—S—H или C—A—S—H). Единственная подготовительная мера для их использования — измельчение до тонкодисперсного состояния. Отметим, что в состав геля C— S—H в ходе его формирования вовлекаются также щелочные катионы, вследствие чего их концентрация в поровой жидкости может уменьшиться за сравнительно короткий период.
Применение пуццолановых добавок в составе растворов и бетонов, как правило, способствует их долговечности. В целом это обусловлено повышением плотности, снижением пористости и проницаемости структуры. Более того, применение пуццолановых материалов в составе растворов и бетонов является наилучшим способом профилактики щелоче-кремнеземных реакций (ЩКР). Дело в том, что в образовании деструктивного щелоче-силикатного геля (не путать с гелем C—S—H!) важную роль играют не только щелочные катионы, но также (в подчиненном количестве) катионы Са2+, источником которых служит Са(ОН)2. Соответственно, при сокращении их концентрации в поровой жидкости в результате пуццолановой реакции развитие ЩКР замедляется. В качестве ингибиторов ЩКР можно применять и природные, и искусственные пуццоланы (к последним относятся термически активированные глины, в том числе метакаолин), а также некоторые техногенные материалы (микрокремнезем, золу-унос). Практический опыт, вполне согласующийся с известными представлениями о ЩКР, свидетельствует, что эффективность минеральной добавки в качестве ингибитора ЩКР тем выше, чем ниже в ней содержание Na2O (K2O) и CaO. Таким образом, природные пуццоланы вулканического происхождения, с достаточно высоким содержанием щелочей, являются не самыми эффективными ингибиторами ЩКР (из техногенных материалов то же самое можно сказать про высококальциевые виды золы-уноса). Особенность таких минеральных добавок, содержащих щелочи и кальций, заключается в том, что они эффективно подавляют деструктивные проявления лишь при достаточно высокой степени замещения ими портландцемента (до 50—60 %). Но они же оказываются неэффективными, или даже наоборот, усиливают деструктивные последствия ЩКР при малых или умеренных дозировках. Таким образом, при определенном содержании добавки в составе цемента (обычно 5—10 % — так называемой концентрации «пессимума») результат может быть хуже, чем при полном ее отсутствии или, наоборот, при высоком содержании. В этом случае негативный эффект, привносимый щелочами добавки, превалирует над ее «пуццолановыми» возможностями.