Пуццоланы

Пуццоланы представляют собой кремнистые или кремнистоглиноземистые природные или искусственные, обработанные или необработанные материалы, которые сами хотя и не обладают вяжущими свойствами, но содержат компоненты, которые при обычных температурах в присутствии воды реагируют с известью с образованием соединений, имеющих низкую растворимость и обладающих связующими свойствами. Использование пуццоланов для частичной замены портланд-цемента в бетоне в последние годы стало обычным и продолжает увеличиваться. Было установлено, что некоторые пуццоланы дают химические и физико-химические реакции со щелочами, выделяющимися во время гидратации портланд-цемента. Вследствие этого вредные реакции с участием щелочей, например реакции щелочей с наполнителями, замедляются или прекращаются (фиг. 8-1);

Миленц, Уайтт, Глантц и Миленц, Грин и Шилтц подразделили пуццоланы в зависимости от веществ, вызывающих пуццолановые свойства, на пять «активных типов»:

1. Вулканическое стекло.

2. Опал.

3. Глинистые минералы:

а) каолинитовая группа;

б) монтмориллонитовая группа;

в) иллитовая группа;

г) смещаннослойные глины вермикулит-хлоритового состава;

д) палыгорскит.

4. Целолиты.

5. Водные окислы алюминия.

В природном состоянии глинистые минералы не совсем обладают или обладают только слабыми пуццолановыми свойствами. Однако при обжиге, особенно в интервале температур 1200—1800° F, большинство глин в результате частичной дегидратации и структурных изменений приобретает способность реагировать с известью и щелочами. Хотя некоторые обожженные глины заметно уменьшают расширение вяжущих растворов в результате реакций щелочей с наполнителями, количество необходимой воды для придания рабочих свойств раствору может оказаться очень высоким, а прочность раствора — низкой, особенно для пуццоланов типа 3,6 (фиг. 8-2).

При обжиге пуццолановые свойства каолинитовых глин претерпевают заметные физические и химические изменения. Для испытанных материалов, обожженных при 2000° F, количество необходимой воды уменьшается с 72,8 до 46,0%. Если каолинит был обожжен при температуре ниже 800° F, твердение известково-каолинитовой массы не наблюдается в течение 14 дней. Если каолинит обжигается до температуры выше 1800° F, начавшееся образование новых высокотемпературых кристаллических фаз в общем снижает пуццолановые свойства обожженного материала и снова увеличивает время, необходимое для схватывания известково-каолинитовой массы.

Данные испытаний показывают, что каолинит является относительно мало эффективным материалом при регулировании реакций щелочей с наполнителями. Однако каолинит, обожженный в температурном интервале 1000—1600° F, высокоэффективен для этих целей, причем оптимальные результаты дает обжиг при температуре 1400—1600° F. С началом образования новых кристаллических фаз при более высоких температурах эффективность каолинита для регулирования расширения вяжущих растворов и для ослабления реакции щелочей с наполнителями понижается.

Ясно, что пуццолановые свойства каолинита возникают при обжиге минерала до температуры, превышающей температуру дегидратации. После потери гидроксилов структура каолинита изменяется и, вероятно, частично разрушается, и нетрудно заметить, что именно в это время возникает его максимальная способность реагировать с известью. При более высоких температурах с образованием зародышей определенной кристаллической фазы (муллита), начинающимся в интервале температур 1600—1800° F, реактивная способность каолинита, видимо, начнет снижаться, что и наблюдается в действительности.

Пуццолановые свойства монтмориллонитовых глин сильно изменяются при обжиге в температурном интервале 800—2000° F. С повышением температуры обжига количество воды, необходимой для получения рабочей консистенции раствора, снижается. Для материала этого типа количество воды, необходимое для получения известково-пуццолановой массы нормальной консистенции, колеблется в пределах 32—165%. Время схватывания также заметно уменьшается с увеличением температуры обжига и обычно доходит до минимума после обжига в интервале 1000—1400° F. После обжига при более высоких температурах время схватывания возрастает. Прочность на сжатие портланд-цемент-пуццолановых растворов увеличивается с увеличением температуры обжига пуццолана. Максимальная прочность достигается после обжига в интервале между 1000 и 1800° F (500—1000°С) в зависимости от состава-пуццолана.

Влияние обжига монтмориллонитового пуццолана на способность реагировать со щелочами зависит от химического состава глинистого минерала и состава обменных катионов. Так, было установлено, что натровый монтмориллонит является относительно неэффективным (фиг. 8-1) из-за присутствия обменного натрия, который мешает глине понижать концентрацию щелочей в растворах, пропитывающих портланд-цементный раствор. Если натрий заменить кальцием, то эта глина, вероятно, после обжига сможет стать эффективным пуццоланом.

Подобно каолиниту, пуццолановые свойства монтмориллонитовых глин появляются в интервале температур, лежащем непосредственно за температурой дегидратации до температуры образования новых высокотемпературных кристаллических фаз. У диоктаэдрических монтмориллонитов потеря гидроксилов сопровождается относительно небольшими структурными изменениями, и поэтому можно ожидать, что пуццолановые свойства таких глин будут хуже, чем у каолинита. Триоктаэдрические монтмориллониты претерпевают большие структурные изменения и разрушаются после дегидратации, а следовательно, они, видимо, будут лучшими пуццоланами. Можно ожидать, что триоктаэдрическим монтмориллонитам для появления пуццолановых свойств необходим несколько более высокий обжиг, чем каолинитам.

При обжиге иллитовых глин в интервале температур 800—1800° F у них появляются хорошие пуццолановые свойства. Количество воды, которое потребуется для придания раствору необходимой консистенции, уменьшается умеренно, особенно после обжига до 1800° F. Время схватывания сокращается до минимума при обжиге при 1400° F. Прочность на сжатие известково-пуццоланового раствора медленно увеличивается при возрастании температуры обжига иллитового пуццолана, причем максимальная прочность наблюдается после обжига до температуры около 1800° F. Иллитовые пуццоланы — относительно малоэффективное средство для уничтожения вредного влияния щелочей в бетоне. Способность их реагировать со щелочами претерпевает небольшие изменения при смене температур обжига в интервале 800—1800°F.

Иллитовые глины реагируют на обжиг примерно так же, как и монтмориллонитовые глины, за исключением того, что калий, содержащийся в них, действует как флюс, вызывая быстрое образование стекловатой фазы вслед за разрушением кристаллической структуры иллита. Это, вероятно, неблагоприятно для проявления пуццолановых свойств. Присутствие в иллите калия будет препятствовать, кроме того, снижению содержания щелочей в растворе, а следовательно, эти глины не будут эффективно контролировать реакции щелочей с наполнителями.

Можно ожидать, что вермикулитовые и хлоритовые глины будут давать после обжига пуццоланы, свойства которых аналогичны свойствам монтмориллонитовых пуццоланов. Миленц и Кинг пишут, что такие глины в качестве пуццоланов много хуже. Из нескольких образцов, испытанных этими авторами, ни один не обладал способностью связывать известь в необожженном состоянии, а многие образцы не обнаружили никакого взаимодействия с известью после обжига при 1000° F. Прочность на сжатие вяжущих растворов из этих глин колеблется от плохой до хорошей, причем максимальные значения прочности дают глины, обожженные при 1800° F.

В отношении пуццолановых свойств аттапульгит-сепиолитовых глинистых минералов имеются только разрозненные данные. Аттапульгитовая глина, обожженная при 1400° F, дает хорошие результаты при испытании расширения вяжущих растворов, в состав которых она вводилась, поскольку она обладает способностью влиять на реакции щелочей с наполнителями (фиг. 8-1). В этом отношении аттапульгитовые глины превосходят монтмориллонит и только слегка уступают каолиниту.

Кремнистые сланцы формации Монтерей, пуццолановые свойства которых объясняются присутствием опалового материала и монтмориллонитовым составом глинистой части породы, используются для промышленного производства пуццоланов. В Калифорнии импрегнированные нефтью сланцы той же формации Монтерей также используются в качестве сырья для получения пуццоланов. Миленц и Кинг сообщают о других случаях использования монтмориллонитовых сланцев и измененных пемз для получения пуццоланов в США. В других странах, особенно в Италии, для производства пуццоланов исключительно широко используются именно измененные пемзовые породы.