На главную Обратная связь Карта сайта
Главная




(351) 247-87-17
232-33-51
polbeton@mail.ru
www.pol-beton.ru
ICQ: 493-705-348

ПРАЙС ЛИСТ



Прайс/Типовое предложение


Галерея покрытий



Эффекты от минеральных добавок в бетоне.

 

Эффекты от минеральных добавок в бетоне

А.Г. ЗОТКИН, канд. техн. наук,  Иркутский государственный технический университет

 

   Рассматриваются основные эффекты от минеральных добавок обычной дис­персности в бетоне: микронаполняющий и пуццолановый. Проанализированы со­ставляющие микронаполняющего эф­фекта и их зависимость от расхода це­мента в бетоне. Приведены коэффициен­ты эффективности инертных добавок и зол ТЭС.

   Минеральные добавки (МД) становят­ся в последнее время почти обязательным компонентом бетона, обеспечивающим улучшение его технических свойств. Они вводятся в больших количествах (50-150 кг/м3 и более) и в сравнении с другими видами добавок оказывают наиболее мно­гоаспектное воздействие на структуру и свойства бетона. Картина осложняется и тем, что к МД относятся несколько групп дисперсных материалов:

  • микронаполнители или инертные до­бавки (пылевидные отходы при дроб­лении горных пород и т.д.);
  • активные МД с небольшой пуццоланической активностью (кислые золы ТЭС);
  • высокоактивные добавки (микрокрем­незем, природные пуццоланы).

   Это разделение не является абсолют­ным. Добавки, инертные при обычной дис­персности (200 - 500 м2/кг) становятся вы­сокоактивными при сверхтонком измельче­нии (более 1500 м2/кг).

   Эффекты высокодисперсных добавок, наряду с другими аспектами получения вы­сококачественных бетонов, рассмотрены в монографии Ю.М Баженова, В.С. Демьяно­вой и В.И Калашникова. Но для обычных бетонов дополнительное измельчение МД или какие-либо способы выделения из них тонкодисперсных частиц нежелательны, т.к. приводят к заметному их удорожанию. Тем более, что при обычной дисперсности они могут улучшать комплекс свойств бетона при одновременном экономическом эф­фекте за счет снижения не только расхода цемента, но и заполнителей.

   Основные эффекты МД в бетоне - это микронаполняющий и пуццоланический (химическая активность по отношению кСа(ОН)2).

   Кроме того, МД могут изменять водо-потребность бетонных смесей.

   Эффективность пуццоланически актив­ных добавок увеличивается при тепловой обработке бетона, но сегодня для практики более интересны их эффекты при нор­мальном твердении, что и рассматривает­ся ниже. Большая часть приводимых дан­ных получена на подвижных смесях при расходах МД порядка 100 кг/м3.

   Доля каждого из эффектов в повыше­нии прочности зависит от химической ак­тивности добавки. Реакция зол с Са(ОН)протекает замедленно, в итоге в стандарт­ном 28-суточном, а тем более, в меньшем возрасте основной эффект в бетоне - мик­ронаполняющий, являющийся наибо­лее сложным. Поэтому при рассмотрении «поведения» МД в бетоне основное внима­ние уделяется этому эффекту, при этом ис­пользованы данные, полученные как для низкокальциевых зол ТЭС, так и для инерт­ных добавок.

   Микронаполняющим эффектом называют повышение прочности бетона с по­стоянным расходом цемента при введении инертных дисперсных добавок, иногда он наблюдается даже при некотором росте водопотребности смеси. В качестве добав­ки, используемой для изучения этого эф­фекта в «чистом» виде, обычно применя­ется молотый песок.

   Следует отметить, что наполнение раз­личных материалов (называемых в этом случае матрицами) дисперсными порошка­ми или другими компонентами широко ис­пользуют для получения композиционных материалов. Наполнение цементного кам­ня дисперсными частицами имеет свои осо­бенности. Если полимеры и металлические матрицы являются плотными и при напол­нении их плотность не меняется, то цемен­тные матрицы - пористые и при наполне­нии их пористость снижается. Но это про­исходит лишь тогда, когда повышается кон­центрация твердых частиц в цементном те­сте - камне, т.е. когда МД вводится либо взамен песка, либо цемента и песка одно­временно.

   В первом приближении целесообраз­ность введения МД в бетон можно объяс­нить, исходя из практики получения бетонов различной прочности на цементе одной мар­ки. Это приводит к расходу цемента от 200 до 500 кг/м3. При низких расходах цемента в бетоне имеет место дефицит дисперсных частиц, который и может быть компенсиро­ван введением МД. При определении их количества можно исходить из того факта, что наилучшее использование цемента (оце­ниваемое расходом на единицу прочности бетона) достигается при его содержании 400-500 кг/м3 бетона. Учитывая нежела­тельные последствия высокого расхода це­мента (рост тепловыделения, усадки), за оптимум можно принять 400 кг/м3. Для бе­тонов с МД суммарное содержание диспер­сных частиц, обеспечивающее наилучшее использование цемента независимо от его расхода, также составило 400-480 кг/м3, что позволяет уже говорить об оптимальном содержании дисперсных частиц в бетоне. Соответствующее положение было установ­лено еще в начале прошлого века учеными Фере, Н.А. Поповым и другими. Базируясь на нем и на приведенных выше цифрах для бетона на заполнителях средней крупности можно ориентировочно принять, что коли­чество МД должно дополнять расход цемен­та в бетоне до суммарного содержания дис­персных частиц - 400 кг/м3. Полученную величину МД = 400-Ц (кг/м3) следует уточ­нить экспериментально.

   Микронаполняющий эффект является следствием целого ряда воздействий МД на бетонную смесь, твердеющий и затвердев­ший бетон.

   В бетонной смеси при введении МД:

  • увеличивается количество дисперсных частиц и их концентрация в тесте, что снижает расслоение смеси, причем наи­более существенно - при низких расхо­дах цемента. Роль наполнителей в сни­жении расслоения возрастает при при­менении высокоподвижных и литых смесей, а также самоуплотняющихся
    бетонов. В последних требуемое коли­чество дисперсных частиц достигает 500-600 кг/м3;
  • улучшается зерновой состав цементно-песчаной составляющей, что может сни­жать водопотребность бетонной смеси.

   В твердеющем бетоне происходят сле­дующие процессы:

 

  • увеличивается степень гидратации це­мента в раннем возрасте. При введении МД возникает большая дополнительная поверхность раздела «добавка - вода». На поверхности МД отлагаются продук­ты гидратации цемента, а мельчайшие ее частички могут служить центрами кристаллизации. Все это и приводит к большей степени гидратации в раннем возрасте, часть эффекта сохраняется и в более поздние сроки;
  • в ряде случаев повышается трещиностойкость бетона. Микротрещины могут возникать в бетоне раннего возраста вследствие тепловыделения цемента. Введение МД позволяет снижать расход цемента и тепловыделение бетона, что уменьшает вероятность образования термических микротрещин. Этот эффект наиболее важен для массивных конст­рукций.

   В затвердевшем бетоне эффектами МД являются:

  • физическое наполнение цементного камня. Как отмечалось выше, при вве­дении МД полностью или частично вза­мен песка в цементном тесте - камне увеличивается концентрация твердых частиц (цемент + наполнитель), коли­чество воды в единице объема умень­шается, в итоге снижается пористость камня. Этот эффект проявляется во всем диапазоне расходов цемента;
  • повышение однородности имеет место для бетонов с низкими расходами це­мента в связи с уменьшением расслое­ния бетонной смеси при введении МД. Оно дополняет эффект снижения пори­стости, что делает общий микронаполняющий эффект в этом случае наиболь­шим. С ростом расхода цемента этот эффект уменьшается и исчезает, а по­вышение прочности при средних расхо­дах цемента определяется в первую оче­редь снижением пористости цементно­го камня;
  • ухудшение качества цементного камня. При его наполнении возникает повер­хность раздела «продукты гидратации цемента - МД», ослабляющая цемент­ный камень.фото 1

   Влияние пористости и качества ненаполненного и наполненного цементного камня на прочность бетона, рассчитанное по дан­ным, представлено в таблице 1, откуда видно, что при расходах цемента до 400 кг/м3 положительная роль снижения пористости превалирует и прочность бето­на растет как при введении золы, так и мо­лотого песка. Но этот рост оказывается мень­ше, чем при снижении пористости за счет увеличения расхода цемента. Степень «ос­лабляющего» действия МД зависит от хими­ческой её активности. При равной пористо­сти цементного камня прочность бетона сни­жается в последовательности: цементный камень - цементный камень с золой - цемен­тный камень с молотым песком.

   Эффект ухудшения качества цементно­го камня становится основным при высоких расходах цемента (таблица 1).

   Некоторая «дефектность» поверхностей раздела МД с продуктами гидратации це­мента неоднократно освещалась в литера­туре, в большей степени для золы, но также и для инертных добавок. Электрон-номикроскопическое изучение поверхнос­тей разрушения бетона показывает, что большее количество продуктов гидратации остается на поверхности зерен золы, далее следует известняк, наиболее бедна ими по­верхность песка, что говорит об ухудшении сцепления.

   Влияние характеристик МД на прочно­стной эффект в бетоне связывают в первую очередь с их дисперсностью. К сожалению, во многих исследованиях МД изучаются в бетоне со средними расходами цемента. В то же время расход МД, их эффекты, а так­же роль дисперсности существенно зависят от расхода цемента.

   При низких расходах цемента роль дис­персности, как и других свойств добавок, незначительна. Зерновой состав цементно-песчаной составляющей неудовлетворите­лен, а смеси расслаиваются. Введение в та­кие смеси практически любых по дисперс­ности наполнителей даже при их повышен­ной водопотребности приводит к росту прочности бетонов и растворов. Как извест­но, даже глина повышает прочность тощих растворов. Зола ТЭС с водопотребностью 80%, введенная в количестве 100-150 кг/м3 в бетон с низким расходом цемента, не сни­жала его прочности и даже несколько повы­сила ее. Водопотребность бетонной сме­си при этом возросла на 20 л/м3, тем не ме­нее микронаполняющий эффект, включаю­щий и повышение однородности цементно­го камня, превалировал. Разумеется, этот случай является предельным. Но при водо­потребности менее 60% золы могут давать уже заметный прочностной эффект в бето­нах с низким расходом цемента, разумеет­ся, тем больший, чем она ниже.

   При повышении расхода цемента зер­новой состав цементно-песчаной составля­ющей улучшается, а расслоение смеси уменьшается. Это приводит к снижению прочностного эффекта МД, который для бетонов со средними расходами цемента определяется, главным образом, физичес­ким наполнением цементного камня. Роль дисперсности добавок при этом возраста­ет. Их мельчайшие зерна могут заполнять пустоты между зернами цемента, улучшая уже микрогранулометрию вяжущего. В то же время роль этого эффекта, по крайней  мере в рассматриваемом диапазоне дисперсностей 200-500 м2/кг и даже до 1000 м2/кг, оказывается небольшой. Каких-либо «всплесков» прочности, свидетель­ствующих о массовом попадании зерен до­бавки в пустоты между зернами цемента, не обнаруживается. По данным ряда иссле­дований, увеличение дисперсности моло­того песка с 200-300 м2/кг до 800-1000 м2/кг приводило к росту прочности бетона на 5-10%. Несколько больший рост прочности (5-8%) при увеличении удель­ной поверхности песка с 300 до 500 м2/кг наблюдался в работе. Но и он не может быть признан значительным.

   Для зол при росте дисперсности снижа­ется водопотребность и возрастает пуццоланическая активность. И тем не менее, прочностной эффект повышения дисперс­ности зол в рассматриваемом диапазоне оказывается также не очень большим. Обобщение данных б публикаций показы­вает, что при росте удельной поверхности зол с 200-300 м2/кг до 400-500 м2/кг проч­ность бетона увеличивалась на 5-20%.

   При высоких, порядка 400-500 кг/м3, расходах цемента прочностной эффект МД исчезает. Как известно, даже цемент при расходах более 500 кг/м3 дает меньший прирост прочности (растет водопотребность смеси и более резко - объем цементного камня в бетоне). При введении в такие бе­тоны МД также увеличивается водопотреб­ность смеси, а в затвердевшем бетоне воз­растает роль ухудшения качества цементно­го камня при его наполнении. Снижение прочности бетона с молотым песком начи­налось при расходе цемента 400 кг/м3 бе­тона, а с золой - 500 кг/м3, несмотря на про­исходящее при их введении уменьшение пористости цементного камня (таблица 1) и его причиной можно считать большую роль ухудшения качества цементного камня с низ­ким В/Ц при его наполнении.

   Таким образом, с ростом расхода це­мента не только снижается оптимальное количество МД, но также уменьшается и исчезает их микронаполняющий эффект.

   В то же время, наряду с большим коли­чеством данных о неэффективности МД обычной дисперсности в бетонах с высоким расходом цемента, имеются и результаты, согласно которым эффективность некото­рых достаточно дисперсных зол при высо­ких расходах цемента даже повышается. Объяснений этому факту не найдено, мож­но лишь предполагать, что оно связано с диспергацией флоккул цемента зернами золы. Возможно, такую роль играют только мельчайшие из зерен золы. Их число в не­которых золах может быть достаточно ве­лико, несмотря на небольшую массовую долю, так как при уменьшении размера зе­рен в 10 раз их количество при той же мас­се возрастает в 1000 раз.

   Пуццоланическая активность МД оп­ределяется в первую очередь присутствием в их составе аморфного кремнезема, кото­рый взаимодействует с Са(ОН)2 с образо­ванием высокодисперсных гидросиликатов кальция с повышенными вяжущими свой­ствами. Это способствует как увеличению прочности, так и уменьшению размеров пор, последнее снижает проницаемость бетона. Из рассматриваемых групп МД та­кой активностью обладают кислые золы ТЭС, представляющие собой преимуще­ственно алюмосиликатное стекло с преоб­ладанием силикатной составляющей.

   Золы отличаются поздним началом пуццолановой реакции (в среднем в 7-суточном возрасте) и медленным ее протекани­ем в течение первого месяца твердения. Основная ее часть приходится на возраст 30-90 дней, большая интенсивность твер­дения бетона с золой сохраняется при его достаточной влажности и в более поздние сроки. Наиболее полно этот эффект используется при возможности назначать стандартный возраст бетона более 28 суток. Но и в обычной ситуации он является по­лезным, т.к. обусловит и дополнительный запас прочности, и пониженную проницае­мость, а следовательно повышенную дол­говечность такого бетона. Но при этом не должно происходить полного связывания Са(ОН)2, что нарушило бы его пассивиру­ющее действие на стальную арматуру. По­этому количество золы, вводимой в бетон, ограничивается (ГОСТ 25818-91).

   Пуццоланический эффект проявляется во всем диапазоне расходов цемента. Яв­ляясь для зол до 28-дневного возраста не­большим, он не меняет отрицательной за­висимости их микронаполняющего эффек­та от расхода цемента, но суммируясь с ним, обеспечивает золам больший прочно­стной эффект по сравнению с инертными добавками.

   Водопотребность бетонных смесей при введении МД из плотных пород меня­ется незначительно, но золы могут оказы­вать на нее достаточно большое влияние. Грубодисперсные золы, как правило, име­ют повышенную водопотребность вслед­ствие неправильной формы крупных частиц и большего содержания несгоревшего топ­лива (пример приведен выше), тогда как высокодисперсные золы (сферические ча­стицы, низкие ППП) пластифицируют бе­тонную смесь. В приведенных выше проч­ностных эффектах повышения дисперсно­сти зол минимальные значения получены в работах немецких ученых, где золы испытывались при постоянном водосодержании смесей (например, 5%). При учете водопотребности зол эффект дисперсности возрастает. В исследовании бетона с 26 партиями английских зол разных электро­станций, где водопотребность смесей сни­жалась до 15%, прочностной эффект уве­личения дисперсности составил 20%.

   Эффективность МД в бетоне оценива­ют различными показателями: повышением прочности (при введении взамен песка), экономией цемента, коэффициентом эф­фективности (Кэ). Последний представляет­ся наиболее удобным для практики. Он чис­ленно равен экономии цемента при введе­нии в бетон единицы массы МД. Так, Кэ = 0,5 означает, что на каждый килограмм вводи­мой добавки при сохранении прочности рас­ход цемента можно сократить на 0,5 кг.

   К сожалению, величина Кэ зависит не только от характеристик МД, но и ее коли­чества, расхода цемента, а для активных добавок - еще и возраста бетона. Но эти же недостатки имеют и другие показатели эф­фективности МД, т.к. все они основаны на прочностном эффекте, а именно он зависит от перечисленных факторов. Самым значи­тельным из них, как уже было показано выше, является расход цемента.

   Для инертных добавок обычной диспер­сности при учете расхода цемента наблю­даются достаточно устойчивые значения Кэ. Данные для молотого песка приведены в таблице 2.

   Близкие к приведенным значения на­блюдаются для молотого известняка. По видимому, эти данные могут служить ори­ентиром для оценки эффективности в бе­тоне инертных пылевидных материалов. Следует отметить, что имеются отдельные данные о повышенной эффективности ряда измельченных горных пород в цементных композициях, что объясняется, возможно, пуццоланической активностью их мельчай­ших зерен.фото 2

   Для зол Кэ имеют более высокие значе­ния, при этом изменяются в широких пре­делах, что отражает значительные колеба­ния свойств зол, влияющих на их прочнос­тной эффект в бетоне. Обработка литера­турных данных по 12 отечественным и за­рубежным золам показала, что 3/4 их имели Кэ (в бетоне 28-суточного возраста) от 0,2 до 0,6, при этом наблюдалась тенден­ция его снижения с ростом расхода цемен­та. Существенно большие значения Кэ не­которых зол по сравнению с инертными до­бавками объясняется не только пуццолани­ческой активностью, но и снижением водо-потребности бетона при их повышенной дисперсности. Но для 3-х других зол с рос­том расхода цемента наблюдалось резкое повышение Кэ до аномальных величин по­рядка 1, не нашедшее достаточных объяс­нений. Приведенные данные свидетель­ствуют о целесообразности эксперимен­тального испытания конкретных зол в бе­тонах с разным расходом цемента с даль­нейшим расчетом Кэ, либо прямым назна­чением составов бетона с золой по получен­ным прочностным результатам. Такой же подход может быть применен и для других минеральных добавок.

   Обсуждение и уточнение представлений о механизмах действия МД и их эффектах в зависимости от расхода цемента могут спо­собствовать эффективному применению различных минеральных добавок в бетоне.

Технологии бетонов 2007