Эффективность добавок микрокремнезема при модификации бетона
В современном строительстве требования, предъявляемые к бетону как одному из основных строительных материалов, выросли настолько, что классический состав бетона (цемент + крупный и мелкий заполнители + вода) не в состоянии обеспечить требуемые свойства. Поэтому для направленного регулирования этих свойств в бетонную смесь вводятся модифицирующие добавки, позволяющие в широких пределах изменять технологические возможности и повышать строительно-технические характеристики бетонов, а также придавать им новые свойства.
В развитых зарубежных странах доля модифицированных бетонов, применяемых в строительстве, приближается к 100 %. В России несмотря на мощную теоретическую базу, созданную отечественной наукой в области модификации бетонов, практическое применение модифицирующих добавок для бетонов все еще является достаточно редким явлением, а общая доля бетонов с использованием модифицирующих добавок не превышает 30 % от общего объема производимого бетона.
В отличие от большинства развитых стран, где добавки для бетона стали частью строительной индустрии, в России до последнего времени такое производство отсутствовало, а специально для строительства были разработаны и выпускались лишь три добавки, из которых наиболее известным является суперпластификатор С-3. С 1998 г. ситуация стала меняться, и в России достаточно активно развивается производство комплексных добавок полифункционального действия. В этот период появились отечественные добавки МБ, «Премикс FS», КМХ, ЦМИД, которые до настоящего времени успешно конкурируют с модифицирующими добавками таких известных фирм, как «Мапей», «Зика», «Дегуса», «МАК», «Баухими». Основным компонентом для большинства комплексных добавок является микрокремнезем (МК). Благодаря уникальным свойствам и полифункциональному действию МК может обеспечить прочность при сжатии, превышающую в несколько раз прочность немодифицированных бетонов, а при использовании специальных высокопрочных заполнителей прочность модифицированного МК бетона может достигать 300 МПа.
Микрокремнезем является побочным продуктом производства кремния и ферросплавов (именно побочным продуктом, но ни в коем случае не отходом, как это трактуется в ряде источников). Согласно ГОСТ 25916-83«Ресурсы вторичные. Термины и определения», отходы производства — это остатки сырья, материалов и полуфабрикатов, образовавшиеся при производстве продукции или выполнении работ и утратившие полностью или частично исходные потребительские свойства. Термин «побочный продукт промышленности», определяющий продукт, получение которого не являлось целью производства, но который может быть использован как готовый продукт, наиболее точно характеризует микрокремнезем. В изначальном восприятии микрокремнезема как отхода кроется основное заблуждение и ошибочный подход к оценке эффективности применения МК в составах бетонов и растворов. В основном при рассмотрении экономической эффективности применения МК внимание акцентируется на снижении расхода цемента, что изначально ставит МК в невыгодные условия, так как цена МК существенно выше стоимости портландцемента, и с этой точки зрения применение МК не может быть выгодно. Область эффективного применения МК в составах бетонов и растворов находится среди модифицирующих добавок, поэтому эффективность применения МК правильнее рассматривать, сравнивая его с другими модифицирующими добавками.
Первые исследования МК в качестве добавок для бетонов и растворов были проведены в 1946 г. Тогда был получен первый патент на модификацию цементных систем путем введения в их состав МК. В 1947 г. на предприятии по производству ферросилиция норвежскими учеными были проведены эксперименты по выделению МК в системах дымоочистки. В период с1951по 1952 гг. профессор Бернхардт провел экспериментальные исследования применения МК в бетоне. К началу 60-х гг.началось его промышленное применение в технологии изготовления бетонов и растворов — в качестве модифицирующей добавки в водонепроницаемых и коррозионностойких материалах на цементной основе.
За рубежом начало массового применения бетонов и растворов с использованием МК приходится на середину 70-х гг.,что напрямую связано с принятием жестких мер по борьбе с загрязнением окружающей среды. К 2000 г. в развитых странах Европы, Северной Америки, Японии, Австралии, Бразилии, а в 2002 г. и в Китае, были разработаны и приняты нормативные документы, регламентирующие применение МК в строительстве.
На территории бывшего СССР МК в составе бетонов и растворов начал применяться в начале 80-х гг. На сегодняшний день работы по проблемам применения МК в бетонах и растворах ведутся в МГСУ, НИИЖБ, ПГУПС и ряде других научных организаций. Область применения МК настолько широка, что охватывает гидротехническое и энергетическое, высотное и подземное строительство; используется при строительстве дорог, возведении зданий и сооружений ядерных установок и других уникальных объектов. Так, собор Святого семейства (архитектор Гауди, Испания), строительство которого было начато в 1898 г., был достроен в наше время во многом благодаря применению модифицированного МК бетона.
МК представляет собой тонкодисперсный продукт, состоящий на 80–98 % из SiO2. Частицы МК имеют сферическую форму со средним диаметром 100 Нм.
Удельная поверхность, измеренная методом адсорбции N2, составляет 15–25 кв. м/г [1]. Насыпная плотность отфильтрованного материала составляет приблизительно 200 кг/куб. м, поэтому для целей промышленного применения его уплотняют до 500–800 кг/куб. м.
По данным рентгенофазового анализа, диоксид кремния в МК представлен в основном аморфной модификацией, что определяет роль МК в механизме взаимодействия с продуктами гидратации минералов цемента.
Вместе с тем на эффективность применения МК влияет совокупность таких характеристик, как гидравлическая активность, удельная поверхность, форма и размер частиц, химический состав и наличие примесей, что в основном зависит от природы производимого МК.
В России основными производителями МК являются ОАО «Кузнецкие ферросплавы» и ОАО «Челябинский металлургический завод», входящие в единую группу компаний. Благодаря применению современных технологий и оборудования производимая продукция соответствует требованиям европейских норм (EN13263), а также требованиям национальных нормативных документов Японии, Канады и других стран (табл. 1).
Табл. 1. Требования национальных стандартов к микрокремнезему в различных странах
|
Требования
|
США ASTM C1240-01
|
Европа EN 13263-1
|
Канада CAN/CSA F3.5-98
|
Норвегия NS3045: 1992
|
Япония JIS A6207: 2000
|
Австралия AS 3582.3-1994
|
Бразилия NBR 13956 97
|
Китай GB/T 18736-2002
|
Россия (заявленные данные производителей)
|
|
SiO2, %
|
>85,0
|
>85,0
|
>85,0
|
>85,0
|
>85,0
|
>85,0
|
>85,0
|
>85,0
|
90
|
|
SO3, %
|
- |
<2,0
|
<1,0
|
- |
<3,0
|
<3,0
|
- |
- |
- |
|
Cl, %
|
- |
<0,3
|
- |
<0,1
|
<0,1
|
- |
- |
<0,2
|
- |
|
CaO, %
|
- |
<1,0
|
- |
- |
<1,0
|
- |
- |
- |
0,85
|
|
MgO, %
|
- |
- |
- |
- |
<5,0
|
- |
- |
- |
1,01
|
|
Удельная поверхность, м2/г
|
>15
|
>15
|
- |
>12
|
>15
|
- |
- |
>15
|
20
|
|
Индекс пуццолановой активности, %
|
>105 в 7сут. уск. тв.
|
- |
- |
>95 в 28 сут. норм. тв.
|
>95 в 7 сут. >105 в 28 сут. норм. тв.
|
- |
- |
>85 в 28 сут норм. тв.
|
105 в 28 сут норм. тв.
|
Сравнивая заявленные производителями характеристики с требованиями национальных норм, можно отметить, что производимый отечественными предприятиями МК может быть отнесен к группе высокоэффективных добавок. И казалось бы, что МК, производимый в России, мог бы стать одной из немногих конкурентоспособных модифицирующих добавок, которая сделала бы бессмысленным импорт аналогичных добавок в Россию. Однако нестабильность качества, пренебрежение к элементарной культуре производства, отсутствие учета многих факторов, отрицательно влияющих на активность МК, вынуждают многих потребителей МК переходить на использование импортного продукта, что абсурдно для России, где потенциальное производство МК может покрыть требуемые объемы потребления.
Использование в составах бетонов и растворов МК способствует формированию плотной структуры материала, благодаря чему наряду с повышением прочностных характеристик снижается проницаемость, повышается морозостойкость, стойкость к истиранию и эрозии, а также устойчивость материала к различным видам коррозии, что в конечном итоге определяет его высокую долговечность.
Табл. 2. Составы бетонов для испытаний
|
№ состава
|
Цемент (кг)
|
МК (кг)
|
Мелкий заполнитель — кварцевый песок (кг)
|
Крупный заполнитель — гранитный щебень (кг)
|
|
1
|
350
|
0
|
650
|
1000
|
|
2
|
318
|
32
|
650
|
1000
|
|
3
|
300
|
50
|
650
|
1000
|
Сравнительные испытания эффективности применения различных дозировок МК в составах бетонов на портландцементном вяжущем (табл. 2) показали, что благодаря полифункциональному действию наряду с высокими прочностными характеристиками формируется комплекс основных, необходимых для надежной эксплуатации бетонов и растворов, свойств:
• высокая водонепроницаемость;
• высокая морозостойкость;
• стойкость к различным видам коррозии.
Такого комплексного эффекта невозможно достигнуть при использовании модифицирующих добавок, обладающих монофункциональным действием.
Полифункциональное действие МК базируется на изменении характера кристаллизации гидратных фаз при введении его в цементную систему, что способствует формированию более плотной структуры за счет увеличения количества пор геля. При этом одновременно уменьшается количество капиллярных пор и наблюдается общее снижение пористости и изменение ее характера.
Резкое уменьшение открытых пор (в 4–6 раз) на фоне более равномерного распределения пор по размерам, а также значительное улучшение микроструктуры цементного камня и формирование менее пористого контактного слоя в системе «наполнитель — вяжущее» связано с реакцией МК и портландита (Ca(OH)2) и формированием переходного слоя из плотного геля С-S-H (1) Тейлоровского типа.
По некоторым данным [2], образование гидросиликатов типа C-S-H (1) сопровождается ускорением гидратации, уменьшением содержания Ca(OH)2, увеличением количества химически связанной воды и удельной поверхности формирующегося камня, что способствует образованию более однородной и менее напряженной структуры.
Благоприятно воздействуя на формирование структуры, МК с точки зрения эффективности применения в бетонах и растворах на цементной основе является в своем роде базовой добавкой для создания высокопрочных, коррозионно-стойких строительных материалов, и применение ее совместно с другими модифицирующими добавками позволяет создавать высококачественные и долговечные материалы.
Литература
1. Hjorth. L. Microsilica in Concrete// Nor-dic Concrete Res., №1, p.9, Aalborg Portland, Denmark, 1982.
2. Крамар Л. Я., Трофимов Б. Я., Талисман Л. С., Иванов Ф. М. Влияние добавки микрокремнезема на гидратацию алита и сульфатостойкость цементного камня// Цемент, № 6, 1989, с.14–17.
| Автор: А. П. Пустовгар Дата: 28.11.2005 Журнал Стройпрофиль 8-05 Рубрика: бетоны и жби: технологии, оборудование Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |