Минеральные добавки в цементе представляют собой тонкоизмельченные неорганические материалы, которые вводятся в состав вяжущего для регулирования его технологических и эксплуатационных свойств. Согласно ГОСТ 31108-2020, в качестве основных компонентов применяют гранулированный доменный шлак, золу-уноса, пуццоланы, микрокремнезем и известняк. Содержание минеральных добавок может достигать 35% от массы цемента, что существенно влияет на прочность, морозостойкость, водонепроницаемость и сульфатостойкость готовых конструкций.
Классификация минеральных добавок для цемента
Минеральные добавки разделяются на три основные категории в зависимости от их физико-химических свойств и способности участвовать в процессах твердения цементного камня. Каждая группа оказывает специфическое влияние на характеристики конечного продукта.
Активные минеральные добавки с пуццоланической активностью
К активным добавкам относятся материалы, способные взаимодействовать с гидроксидом кальция в присутствии воды. Пуццоланическая реакция приводит к образованию низкоосновных гидросиликатов кальция, которые уплотняют и упрочняют структуру цементного камня. При гидратации портландцементного клинкера выделяется до 25% гидроксида кальция, который связывается активными добавками.
- Микрокремнезем – ультрадисперсный материал с содержанием аморфного диоксида кремния более 85%, побочный продукт производства ферросилиция
- Кислая зола-уноса – получается при сжигании угля, содержит не менее 25% реакционноспособного диоксида кремния
- Природные пуццоланы – вулканические породы с высоким содержанием алюмосиликатов в стекловидной фазе
- Обожженные сланцы – продукт термообработки глинистых сланцев при температуре около 800 градусов
Добавки со скрытыми гидравлическими свойствами
Доменный гранулированный шлак обладает потенциальными вяжущими свойствами, которые активируются в щелочной среде. Шлак получают быстрым охлаждением расплава, образующегося при выплавке чугуна. Согласно ГОСТ 3476-2019, шлаки подразделяются на три сорта в зависимости от коэффициента качества, который характеризует их гидравлическую активность.
Основная зола-уноса с содержанием оксида кальция более 10% проявляет как пуццоланические, так и гидравлические свойства. Электротермофосфорный шлак, получаемый при производстве фосфора, также относится к этой группе и должен содержать не менее 38% диоксида кремния.
Инертные добавки-наполнители
Известняк применяется в качестве добавки-наполнителя при условии, что содержание карбоната кальция составляет не менее 75%. Инертные добавки не вступают в химическое взаимодействие с продуктами гидратации, но влияют на физические характеристики цемента – водопотребность, плотность упаковки зерен, раннюю прочность.
Требования к минеральным добавкам по ГОСТ 31108-2020
Действующий стандарт устанавливает жесткие требования к качеству минеральных добавок, используемых в производстве общестроительных цементов. Активность добавок определяется значением t-критерия по ГОСТ 25094, который должен составлять не менее 15.
| Тип добавки | Основные требования | Нормативный документ |
|---|---|---|
| Доменный шлак | Коэффициент качества зависит от сорта, стекловидность не менее 66% | ГОСТ 3476-2019 |
| Микрокремнезем | Потери при прокаливании не более 4%, t-критерий не менее 15 | ГОСТ 31108-2020 |
| Зола-уноса кислая | Реакционноспособный SiO2 не менее 25%, CaO менее 10% | ГОСТ 31108-2020 |
| Известняк | CaCO3 не менее 75%, глинистые примеси не более 1% | ГОСТ 31108-2020 |
Дозировка минеральных добавок в цементе
Содержание минеральных добавок регламентируется типом и подтипом цемента. Портландцемент типа ЦЕМ II подразделяется на подтипы А и В, различающиеся количеством добавок.
Подтип А: содержание минеральных добавок составляет от 6 до 20% от массы цемента. Такие цементы сохраняют характеристики, близкие к чистому портландцементу, с незначительными изменениями свойств.
Подтип В: допускается введение от 21 до 35% добавок. При таком содержании существенно изменяются сроки схватывания, тепловыделение, долговечность в агрессивных средах.
Шлакопортландцемент типа ЦЕМ III может содержать от 36 до 65% доменного гранулированного шлака в подтипе А, от 66 до 80% в подтипе В, и от 81 до 95% в подтипе С. Пуццолановый цемент ЦЕМ IV включает от 11 до 35% активных минеральных добавок в подтипе А и от 36 до 55% в подтипе В.
Влияние минеральных добавок на прочность цемента
Введение активных минеральных добавок влияет на кинетику набора прочности цементного камня. В ранние сроки твердения прочность цементов с добавками может быть ниже на 10-20% по сравнению с бездобавочным портландцементом класса 42,5. Это связано с замедлением процессов гидратации клинкерных минералов.
Механизм упрочнения при пуццоланической реакции
Пуццоланическая реакция протекает медленнее первичной гидратации, но продукты реакции – низкоосновные гидросиликаты кальция – формируют более плотную структуру. В возрасте 90-180 суток прочность бетона на цементах с активными добавками может превышать показатели обычного портландцемента на 10-15%.
Доменный шлак при совместном помоле с клинкером активируется щелочными компонентами цемента. Гидравлические свойства шлака обеспечивают стабильный набор прочности в долгосрочной перспективе. Цементы с содержанием шлака 25-35% показывают прочность на сжатие в возрасте 28 суток на уровне 32,5-42,5 МПа.
Влияние добавок на морозостойкость и водонепроницаемость
Морозостойкость бетона определяется структурой порового пространства цементного камня. Активные минеральные добавки осадочного происхождения при высоком содержании могут отрицательно влиять на морозостойкость из-за повышенной пористости. Однако доменный шлак и микрокремнезем способствуют уплотнению структуры.
Регулирование водонепроницаемости
Пуццолановые добавки связывают свободный гидроксид кальция, который легко выщелачивается водой. Это повышает водостойкость цемента в пресной и минерализованной воде. Бетоны на пуццолановом цементе демонстрируют марки по водонепроницаемости W8-W12, что на 2-3 ступени выше обычного портландцемента при равном водоцементном отношении.
Микрокремнезем благодаря ультрадисперсным частицам размером менее 1 мкм заполняет микропоры между зернами цемента. При содержании 5-10% микрокремнезема проницаемость бетона снижается в 3-5 раз.
Сульфатостойкость цементов с минеральными добавками
Сульфатная коррозия развивается при взаимодействии трехкальциевого алюмината клинкера с сульфат-ионами, присутствующими в грунтовых и морских водах. Образующийся эттрингит имеет больший объем, что приводит к внутренним напряжениям и разрушению бетона.
Механизм повышения сульфатостойкости:
- Пуццолановые добавки связывают гидроксид кальция, снижая содержание высокоосновных фаз
- Образуются низкоосновные гидросиликаты, менее подверженные сульфатной агрессии
- Уплотняется структура цементного камня, затрудняется проникновение сульфатных растворов
- Снижается содержание трехкальциевого алюмината в пересчете на единицу объема цемента
Для производства сульфатостойких цементов содержание трехкальциевого алюмината в клинкере ограничивается 5%. Введение 20-35% активных минеральных добавок дополнительно повышает сульфатостойкость. Пуццолановые цементы эффективно работают в конструкциях гидротехнических сооружений, фундаментах в агрессивных грунтах.
Тепловыделение при твердении цементов с добавками
Экзотермический эффект при гидратации цемента может создавать температурные напряжения при возведении массивных конструкций. Перепад температур между ядром и поверхностью вызывает образование трещин.
Минеральные добавки снижают тепловыделение на 20-40%. Доменный шлак гидратируется медленнее клинкера, что распределяет выделение тепла во времени. Шлакопортландцемент с содержанием шлака 40-50% характеризуется пониженным тепловыделением, что особенно важно для массивных бетонных сооружений.
Применение цементов с минеральными добавками
Монолитное строительство
Портландцемент с минеральными добавками типа ЦЕМ II широко применяется в монолитном домостроении. Содержание добавок 15-20% обеспечивает баланс между ранней прочностью и долговечностью конструкций. Сроки распалубки увеличиваются на 1-2 суток по сравнению с бездобавочным цементом.
Гидротехническое строительство
Пуццолановые цементы незаменимы при возведении объектов, постоянно контактирующих с водой. Плотины, шлюзы, портовые сооружения, подземные части зданий требуют повышенной водонепроницаемости и стойкости к выщелачиванию. Содержание активных минеральных добавок достигает 30-35%.
Производство сборных железобетонных изделий
При тепловлажностной обработке изделий активность минеральных добавок повышается. Температура 80-95 градусов ускоряет пуццоланическую реакцию. Применение шлакопортландцемента позволяет получить распалубочную прочность 70% от проектной за 8-12 часов пропаривания.
Часто задаваемые вопросы
Заключение
Минеральные добавки являются неотъемлемым компонентом современных цементов, позволяющим управлять комплексом физико-механических и эксплуатационных характеристик. Правильный подбор типа и дозировки добавок в соответствии с требованиями ГОСТ 31108-2020 обеспечивает требуемую прочность, долговечность и специальные свойства бетонных конструкций. Активные минеральные добавки – доменный шлак, зола-уноса, пуццоланы, микрокремнезем – улучшают сульфатостойкость, водонепроницаемость, снижают тепловыделение при твердении. Применение цементов с добавками экономически целесообразно и технически оправдано в большинстве областей строительства.
