Розглядаються основні ефекти від мінеральних добавок звичайної дисперсності в бетоні: мікронаполняющій і пуццолановий. Проаналізовано складові мікронаполняющего ефекту і їх залежність від витрати цементу в бетоні. Наведено коефіцієнти ефективності інертних добавок і зол ТЕС.
• мікронаповнювачів або інертні добавки (пилоподібні відходи при дробленні гірських порід і т.д.);
• активні МД з невеликою Пуцоланічні активністю (кислі золи ТЕС);
• високоактивні добавки (мікрокремнезем, природні пуцолани).
Це поділ не є абсолютним. Добавки, інертні при звичайній дисперсності (200 - 500 м 2 / кг) стають високоактивними при надтонкий подрібненні (більше 1500 м 2 / кг).
Ефекти високодисперсних добавок, поряд з іншими аспектами отримання високоякісних бетонів, розглянуті в монографії Ю.М Баженова, В.С. Дем'яновому і В.І Калашникова. Але для звичайних бетонів додаткове подрібнення МД або будь-які способи виділення з них тонкодисперсних частинок небажані, тому що призводять до помітного їх подорожчання. Тим більше, що при звичайній дисперсності вони можуть покращувати комплекс властивостей бетону при одночасному економічному ефекті за рахунок зниження не тільки витрати цементу, а й наповнювачів.
Основні ефекти МД в бетоні - це мікронаполняющій і Пуцоланічні (хімічна активність по відношенню КСА (ОН) 2).
Крім того, МД можуть змінювати водо-потреба бетонних сумішей.
Ефективність Пуцоланічні активних добавок збільшується при тепловій обробці бетону, але сьогодні для практики більш цікаві їхні ефекти при нормальному твердінні, що і розглядається нижче. Велика частина наведених даних отримана на рухомих сумішах при витратах МД близько 100 кг / м 3.
Частка кожного з ефектів в підвищенні міцності залежить від хімічної активності добавки. Реакція зол з Са (ОН) 2 протікає уповільнено, в результаті в стандартному 28-добовому, а тим більше, в меншому віці основний ефект в бетоні - мікронаполняющій, що є найбільш складним. Тому при розгляді «поведінки» МД в бетоні основна увага приділяється цьому ефекту, при цьому використані дані, отримані як для нізкокальціевих зол ТЕС, так і для інертних добавок.
Мікронаполняющім ефектом називають підвищення міцності бетону з постійною витратою цементу при введенні інертних дисперсних добавок, іноді він спостерігається навіть при деякому зростанні водопотребности суміші. Як добавки, використовуваної для вивчення цього ефекту в «чистому» вигляді, зазвичай застосовується мелений пісок.
Слід зазначити, що наповнення різних матеріалів (званих в цьому випадку матрицями) дисперсними порошками або іншими компонентами широко використовують для отримання композиційних матеріалів. Наповнення цементного каменю дисперсними частинками має свої особливості. Якщо полімери та металеві матриці є щільними і при наповненні їх щільність не змінюється, то цементні матриці - пористі і при наповненні їх пористість знижується. Але це відбувається лише тоді, коли підвищується концентрація твердих частинок в цементній тесті - камені, тобто коли МД вводиться або замість піску, або цементу і піску одночасно.
Мікронаполняющій ефект є наслідком цілого ряду впливів МД на бетонну суміш, що твердне і затверділий бетон.
У бетонної суміші при введенні МД:
• збільшується кількість дисперсних частинок і їх концентрація в тесті, що знижує розшарування суміші, причому найістотніше - при низьких витратах цементу. Роль наповнювачів в зниженні розшарування зростає при застосуванні високорухливих і литих сумішей, а також самоуплотняющіхся бетонів. В останніх необхідну кількість дисперсних частинок досягає 500-600 кг / м 3;
• поліпшується зерновий склад цементно-піщаної складової, що може знижувати водопотребность бетонної суміші.
В твердіє бетоні відбуваються такі процеси:
• збільшується ступінь гідратації цементу в ранньому віці. При введенні МД виникає велика додаткова поверхня розділу «добавка - вода». На поверхні МД відкладаються продукти гідратації цементу, а дрібні її частинки можуть служити центрами кристалізації. Все це і призводить до більшою мірою гідратації в ранньому віці, частина ефекту зберігається і в більш пізні терміни;
• в ряді випадків підвищується тріщиностійкість бетону. Мікротріщини можуть виникати в бетоні раннього віку внаслідок тепловиділення цементу. Введення МД дозволяє знижувати витрату цементу і тепловиділення бетону, що зменшує ймовірність утворення термічних мікротріщин. Цей ефект найбільш важливий для масивних конструкцій.
У затверділому бетоні ефектами МД є:
• фізичне наповнення цементного каменю. Як зазначалося вище, при введенні МД повністю або частково замість піску в цементному тесті - камені збільшується концентрація твердих частинок (цемент + наповнювач), кількість води в одиниці об'єму зменшується, в результаті знижується пористість каменю. Цей ефект проявляється в усьому діапазоні витрат цементу;
• підвищення однорідності має місце для бетонів з низькими витратами цементу в зв'язку зі зменшенням розшарування бетонної суміші при введенні МД. Воно доповнює ефект зниження пористості, що робить загальний мікронаполняющій ефект в цьому випадку найбільшим. З ростом витрати цементу цей ефект зменшується і зникає, а підвищення міцності при середніх витратах цементу визначається в першу чергу зниженням пористості цементного каменю;
• погіршення якості цементного каменю. При його наповненні виникає поверхню розділу «продукти гідратації цементу - МД», яка послаблює цементний камінь.
Вплив пористості і якості ненаполненного і наповненого цементного каменю на міцність бетону, розраховане за даними, представлено в таблиці 1, звідки видно, що при витратах цементу до 400 кг / м 3 позитивна роль зниження пористості превалює і міцність бетону зростає як при введенні золи, так і меленого піску. Але це зростання виявляється менше, ніж при зниженні пористості за рахунок збільшення витрати цементу. Ступінь «послабляє» дії МД залежить від хімічної її активності. При рівній пористості цементного каменю міцність бетону знижується в послідовності: цементний камінь - цементний камінь з золою - цементний камінь з меленим піском.
Ефект погіршення якості цементного каменю стає основним при високих витратах цементу (таблиця 1).
Деяка «дефектність» поверхонь розділу МД з продуктами гідратації цементу неодноразово висвітлювалася в літературі, в більшій мірі для золи, але також і для інертних добавок. Електрон-номікроскопіческое вивчення поверхонь руйнування бетону показує, що більша кількість продуктів гідратації залишається на поверхні зерен золи, далі йде вапняк, найбільш бідна ними поверхню піску, що говорить про погіршення зчеплення.
Вплив характеристик МД на прочностной ефект в бетоні пов'язують в першу чергу з їх дисперсністю. На жаль, у багатьох дослідженнях МД вивчаються в бетоні із середніми витратами цементу. У той же час витрата МД, їх ефекти, а також роль дисперсності істотно залежать від витрати цементу.
При низьких витратах цементу роль дисперсності, як і інших властивостей добавок, незначна. Зерновий склад цементно-піщаної складової незадовільний, а суміші розшаровуються. Введення в такі суміші практично будь-яких по дисперсності наповнювачів навіть при їх підвищеної водопотребности призводить до зростання міцності бетонів і розчинів. Як відомо, навіть глина підвищує міцність худих розчинів. Зола ТЕС з водопотребностью 80%, введена в кількості 100-150 кг / м 3 в бетон з низькою витратою цементу, що не знижувала його міцності і навіть кілька підвищила її. Водопотребность бетонної суміші при цьому зросла на 20 л / м 3. проте мікронаполняющій ефект, що включає і підвищення однорідності цементного каменю, превалював. Зрозуміло, цей випадок є граничним. Але при водопотребности менше 60% золи можуть давати вже помітний прочностной ефект в бетонах з низькою витратою цементу, зрозуміло, тим більший, чим вона нижча.
При підвищенні витрати цементу зерновий склад цементно-піщаної складової поліпшується, а розшарування суміші зменшується. Це призводить до зниження прочностного ефекту МД, який для бетонів із середніми витратами цементу визначається, головним чином, фізичним наповненням цементного каменю. Роль дисперсності добавок при цьому зростає. Їх дрібні зерна можуть заповнювати порожнечі між зернами цементу, покращуючи вже мікрогранулометрію в'яжучого. У той же час роль цього ефекту, принаймні в розглянутому діапазоні дисперсних 200-500 м 2 / кг і навіть до 1000 м 2 / кг, виявляється невеликий. Яких-небудь «сплесків» міцності, що свідчать про масове попаданні зерен добавки в порожнечі між зернами цементу, не виявляється. За даними ряду досліджень, збільшення дисперсності меленого піску з 200-300 м 2 / кг до 800-1000 м 2 / кг призводило до зростання міцності бетону на 5-10%. Кілька більше зростання міцності (5-8%) при збільшенні питомої поверхні піску з 300 до 500 м 2 / кг спостерігалося в роботі. Але і він не може бути визнаний значним.
Для зол при зростанні дисперсності знижується водопотребность і зростає Пуцоланічні активність. І тим не менше, прочностной ефект підвищення дисперсності зол в розглянутому діапазоні виявляється також не дуже великим. Узагальнення даних б публікацій показує, що при зростанні питомої поверхні зол з 200-300 м 2 / кг до 400-500 м 2 / кг міцність бетону збільшувалася на 5-20%.
При високих, близько 400-500 кг / м 3. витратах цементу прочностной ефект МД зникає. Як відомо, навіть цемент при витратах понад 500 кг / м 3 дає менший приріст міцності (зростає водопотребность суміші і різкіше - обсяг цементного каменю в бетоні). При введенні в такі бетони МД також збільшується водопотребность суміші, а в затверділому бетоні зростає роль погіршення якості цементного каменю при його наповненні. Зниження міцності бетону з меленим піском починалося при витраті цементу 400 кг / м 3 бетону, а з золою - 500 кг / м 3. незважаючи на те, що відбувається при їх введенні зменшення пористості цементного каменю (таблиця 1) і його причиною можна вважати велику роль погіршення якості цементного каменю з низьким В / Ц при його наповненні.
Таким чином, з ростом витрати цементу не тільки знижується оптимальну кількість МД, але також зменшується і зникає їх мікронаполняющій ефект.
У той же час, поряд з великою кількістю даних про неефективність МД звичайної дисперсності в бетонах з високою витратою цементу, є і результати, згідно з якими ефективність деяких досить дисперсних зол при високих витратах цементу навіть підвищується. Пояснень цьому факту не знайдено, можна лише припускати, що воно пов'язане з диспергації флоккуламі цементу зернами золи. Можливо, таку роль відіграють лише дрібні з зерен золи. Їх число в деяких золах може бути досить велике, незважаючи на невелику масову частку, так як при зменшенні розміру зерен в 10 разів їх кількість при тій же масі зростає в 1000 разів.
Пуцоланічні активність МД визначається в першу чергу присутністю в їх складі аморфного кремнезему, який взаємодіє з Са (ОН) 2 з утворенням високодисперсних гідросилікатів кальцію з підвищеними в'яжучими властивостями. Це сприяє як збільшення міцності, так і зменшення розмірів пор, останнім знижує проникність бетону. Із запропонованих груп МД такою активністю володіють кислі золи ТЕС, що представляють собою переважно алюмосилікатні скло з переважанням силікатної складової.
Золи відрізняються пізнім початком пуццоланової реакції (в середньому в 7-добовому віці) і повільним її протіканням протягом першого місяця твердіння. Основна її частина припадає на вік 30-90 днів, велика інтенсивність твердіння бетону з золою зберігається при його достатньої вологості і в більш пізні терміни. Найбільш повно цей ефект використовується при можливості призначати стандартний вік бетону більше 28 діб. Але і в звичайній ситуації він є корисним, тому що зумовить і додатковий запас міцності, і знижену проникність, а отже підвищену довговічність такого бетону. Але при цьому не повинно відбуватися повного зв'язування Са (ОН) 2. що порушило б його фізична хімія дію на сталеву арматуру. Тому кількість золи, що вводиться в бетон, обмежується (ГОСТ 25818-91).
Пуцоланічні ефект проявляється у всьому діапазоні витрат цементу. Будучи для зол до 28-денного віку невеликим, він не змінює негативної залежності їх мікронаполняющего ефекту від витрати цементу, але підсумовуючись з ним, забезпечує золам більший прочностной ефект в порівнянні з інертними добавками.
Водопотребность бетонних сумішей при введенні МД з щільних порід змінюється незначно, але золи можуть чинити на неї досить великий вплив. Грубодисперсні золи, як правило, мають підвищену водопотребность внаслідок неправильної форми великих частинок і більшого змісту незгорілого палива (приклад наведено вище), тоді як високодисперсні золи (сферичні частинки, низькі ППП) пластифікують бетонну суміш. У наведених вище міцності ефекти підвищення дисперсності зол мінімальні значення отримані в роботах німецьких учених, де золи випробовувалися при постійному водосодержания сумішей (наприклад, 5%). При обліку водопотребности зол ефект дисперсності зростає. У дослідженні бетону з 26 партіями англійських зол різних електростанцій, де водопотребность сумішей знижувалася до 15%, прочностной ефект збільшення дисперсності склав 20%.
Ефективність МД в бетоні оцінюють різними показниками: підвищенням міцності (при введенні замість піску), економією цементу, коефіцієнтом ефективності (Ке). Останній видається найбільш зручним для практики. Він чисельно дорівнює економії цементу при введенні в бетон одиниці маси МД. Так, Ке = 0,5 означає, що на кожен кілограм введеної добавки при збереженні міцності витрата цементу можна скоротити на 0,5 кг.
На жаль, величина Ке залежить не тільки від характеристик МД, але і її кількості, витрати цементу, а для активних добавок - ще й віку бетону. Але ці ж недоліки мають і інші показники ефективності МД, тому що всі вони засновані на міцності ефекті, а саме він залежить від перерахованих факторів. Найзначнішим з них, як уже було показано вище, є витрата цементу.
Для інертних добавок звичайної дисперсності при обліку витрати цементу спостерігаються досить стійкі значення Ке. Дані для меленого піску наведені в таблиці 2.
Близькі до наведених значення спостерігаються для меленого вапняку. Певне, ці дані можуть служити орієнтиром для оцінки ефективності в бетоні інертних пилоподібних матеріалів. Слід зазначити, що є окремі дані про підвищену ефективності ряду подрібнених гірських порід в цементних композиціях, що пояснюється, можливо, Пуцоланічні активністю їх найдрібніших зерен.
Для зол Ке мають більш високі значення, при цьому змінюються в широких межах, що відображає значні коливання властивостей зол, що впливають на їх прочностной ефект в бетоні. Обробка літературних даних по 12 вітчизняним і зарубіжним золам показала, що 3/4 їх мали Ке (в бетоні 28-добового віку) від 0,2 до 0,6, при цьому спостерігалася тенденція його зниження з ростом витрати цементу. Істотно великі значення Ке деяких зол в порівнянні з інертними добавками пояснюється не тільки Пуцоланічні активністю, а й зниженням водо-потреби бетону при їх підвищеної дисперсності. Але для 3-х інших зол з ростом витрати цементу спостерігалося різке підвищення Ке до аномальних величин порядку 1, яке не знайшло достатніх пояснень. Наведені дані свідчать про доцільність експериментального випробування конкретних зол в бетонах з різним витратою цементу з подальшим розрахунком Ке. або прямим призначенням складів бетону з золою за отриманими характеристиками міцності результатами. Такий же підхід може бути застосований і для інших мінеральних добавок.
Обговорення і уточнення уявлень про механізми дії МД і їх ефекти в залежності від витрати цементу можуть сприяти ефективному застосуванню різних мінеральних добавок в бетоні.
А.Г. ЗОТКІН, канд. техн. наук, Іркутський державний технічний університет
C поточною ситуацією і прогнозом розвитку російського ринку цементу і газобетону можна познайомитися в звітах Академії кон'юнктури Промислових Ринків «Ринок цементу в Росії» і «Ринок газобетону автоклавного і неавтоклавного способів твердіння в Росії».