16.11.2008 17:08:16
Рассматривается проблема применения тонкодисперсных минеральныхдобавок в технологии бетонов.
В современном строительномпроизводстве бетон и железобетон являются основными конструкционнымиматериалами, уровень производства которых постоянно растёт.
В последнее десятилетие вРоссии, благодаря широкому внедрению новых технологий и эффективныхмодификаторов серии МБ, «Полипласт», «Реламикс», «Релаксол» и др. насуществующей базе стройиндустрии с использованием рядовых цементов изаполнителей, стало возможным массовое производство высокопрочных имногофункциональных бетонов с высоким уровнем долговечности.
Наиболее широко в технологиибетона применяются модификаторы пластифицирующего, стабилизирующего иструктурирующего действия, регуляторы твердения, добавки, придающие бетонамособые свойства, а также комплексные модификаторы полифункционального действия.
Широкое распространение получиликомплексные добавки на основе суперпластификатора (СП) С-3. Разработаныполифункциональные модификаторы многоцелевого назначения с использованиеммикрокремнезёма и других минеральных мультикомпонентов. Начато производстводобавки «Эмбелит» пластифицирующе-безусадочного действия с регулируемымипоказателями деформативности, новых разновидностей органоминеральногомодификатора серии МБ-С, в котором 90 % микрокремнезёма заменено золой-уносом.Разработаны суперпластификаторы многоцелевого назначения(пластифицирующе-стабилизирущего действия и др.) на основе поликарбоксилатов.
Применение в технологии бетонов,модифицированных суперпластификатором (СП) в сочетании с ультрадисперснымимикронаполнителями, новых технологий многокомпонентных бетонов и высокоактивныхцементов позволяет в несколько раз повышать среднюю прочность бетонов иполучать цементные материалы прочностью более 150 МПа. Бетоны нового поколения,полученные при высокой подвижности бетонных смесей (П14–15) с использованиемвысокоэффективных модификаторов, характеризуется высокими прочностью (В80–100),водонепроницаемостью (W16и выше) и коррозионной стойкостью.
В технологии бетона, особенно вусловиях средней полосы России, имеет большое значение разработка добавок,регулирующих процессы твердения в нормальных и зимних условиях. Тенденцияразвития технологии подобных модификаторов основана на применении бесхлоридныхускорителей на основе роданидов и тиосульфатов, щелочных и щёлочно-земельныхметаллов.
Одним из основных преимуществ СП,выпускаемых промышленным способом и имеющих стабильный химический состав,является высокая разжижающая способность и незначительное (в отличие от многихдругих пластификаторов) замедление кинетики гидратации и твердения цементныхрастворов и бетонов в начальные сроки.
Анализ основных направленийразвития теории и практики многокомпонентных бетонов нового поколениясвидетельствует о том, что для получения высокопрочных материалов в качествеодного из основных компонентов полифункциональных модификаторов используетсямикрокремнезём или другие ультрадисперсные минеральные компоненты, позволяющиесвязать гидратную известь в гидросиликатную матрицу композита, обеспечивая приэтом дополнительный прирост прочности. Применение подобных микрокомпонентовявляется весьма перспективным по следующим причинам. Во-первых, они при высокомуровне дисперсности позволяют не только связывать выделяющуюся при гидратацииизвесть, но и одновременно снижать негативное влияние микрокристаллов свободнойCa(OH)2 на структуру высокопрочногоцементного камня. Во-вторых, минеральные добавки, инертные по отношению к водеи не вступающие в реакции гидратации, в отличие от цемента, способствуютформированию устойчивой реологической матрицы цементных систем и улучшениютехнологических свойств растворных и бетонных смесей. Вследствие большейэффективности СП по отношению к минеральным дисперсным порошкам СП позволяют взначительно большей степени снижать количество воды в наполненных системах, чемв чистых цементных, и получать при этом высокую плотность и больший приростпрочности. В-третьих, микронаполнители могут выполнять в структуревысокопрочной цементной матрицы роль демпфирующих элементов, снижающих иперераспределяющих внутренние напряжения, возникающие в процессе интенсивноготвердения.
микронаполнителимогут выполнять в структуре высокопрочной цементной матрицы роль демпфирующихэлементов, снижающих и перераспределяющих внутренние напряжения, возникающие впроцессе интенсивного твердения
Огромное научное и прикладноезначение имеют исследования, касающиеся механизмов действия микронаполнителейна формирование микро- и макроструктуры цементного камня. В настоящее времянаиболее распространёнными минеральными добавками, используемыми в технологиивысокопрочных бетонов, являются микрокремнезём и зола-унос, механизмы действиякоторых сложны и до конца не исследованы. Это и понятно, поскольку в сложной имногокомпонентной гидратирующейся цементной системе, находящейся в постоянномразвитии, слишком велико количество факторов, влияющих на характер и кинетикупротекания химических и кристаллизационных процессов.
Объёмы производствамикрокремнезёма, являющегося сегодня вторичным сырьём, не удовлетворяютвозрастающей потребности в нём строительной отрасли, и, очевидно, в ближайшембудущем подобные микронаполнители будут выпускаться промышленностью специально.Однако в горнодобывающей и перерабатывающей промышленностях сегодня накопленоогромное количество отходов производства природного и техногенногопроисхождения, содержащих кремнезёмистые, карбонатные и другие составляющие,использование которых в технологии рядовых и высокопрочных бетонов являетсяэкономически и экологически целесообразным. Наиболее эффективными будутявляться микронаполнители (например тонкомолотая каменная мука), которые, нарядус высокой реологической способностью по отношению к суперпластификаторам, будутобладать химической активностью в гидратирующейся цементной системе. Каменнаямука, полученная из кремнезёмсодержащих плотных природных материалов, можетбыть использована в технологии высокопрочных бетонов в количестве до 50 % отмассы цемента. При этом количество цемента в составах с микронаполнителем неснижается, вследствие чего улучшаются не только реологические характеристикибетонных смесей, но повышается плотность и прочность бетона, а следовательно,морозостойкость, непроницаемость и коррозионная стойкость. С использованиемподобных микронаполнителей могут быть получены бетоны с высокимиэксплуатационными свойствами, причём из бетонных смесей высокоподвижной и литойконсистенции на обычном ПЦ400, при расходе цемента до 500 кг/м3 изаполнителях из обычных горных пород.
С использованием каменной мукименее плотных пород и техногенных тонкодисперсных минеральных шламов может бытьзначительно повышена прочность и улучшены технологические и эксплуатационныесвойства бетонов средних классов по прочности.
Исследования, выполненные натяжёлых бетонах класса по прочности В25, показали, что использование в качествемикронаполнителей карбонатного шлама (Sуд = 15 000см2/г) в количестве 10 % от массы цемента, доломитовой муки (Sуд = 9500 см2/г) в количестве 40 % отмассы цемента, совместно с суперпластификатором «Полипласт СП-1» (0,7 %)позволяет повышать прочность бетона в среднем на 40 % по сравнению сбездобавочными составами. В составах с микронаполнителями количество песка икрупного заполнителя было откорректировано с учётом количества вводимыхмикронаполнителей.
Следует отметить, что внастоящее время состав большинства комплексных органоминеральных добавокформируется эмпирически, без учёта особенностей химического строения молекулмодификаторов, кристаллических решеток микронаполнителей и характера ихповедения в гидратирующейся цементной системе. Одной из важнейших задач теориистроительного материаловедения является исследование механизмов химического икристаллохимического взаимодействия микронаполнителей и гидратных фаз цементныхсистем в процессе твердения.
Анализ начальных условийформирования твердеющих структур свидетельствует о том, что гетерогеннымцементным системам свойственно реагировать на малейшие изменения условийгидратации. Эти изменения могут достигаться различными способами, в том числе ипутём применения химических веществ и наполнителей различной природы. Например,использование тонко- и ультрадисперсных наполнителей может в значительнойстепени изменить зарядовое состояние цементных частиц, изменяя тем самым нетолько реологическое состояние системы, но также характер и скоростьгидратационных процессов. Адсорбция химических и, особенно, высокомолекулярныхмодификаторов на частицах цемента и гидратных фазах способствует замедлениюпроцесса гидратообразования в начальной стадии. Таким образом, вводя вцементную систему химические соединения различной природы, мы имеем, в конечномитоге, результирующий отклик её на воздействия этих веществ и изменение условийгидратации.
Известно, что тонкомолотые минеральные порошки, полученные на основеприродных материалов, в отличие от цементных систем в значительно большейстепени подвержены разжижающему влиянию суперпластификаторов. Это объясняетсятем, что минеральные порошки, являющиеся инертными по отношению к воде, непроявляют гидравлической активности и, следовательно, не связывают определённоеколичество воды в гидраты. Минералы цементного клинкера и, особенно, алюминатныефазы с первых секунд водозатворения образуют гидраты, включающие в своюструктуру большое количество молекул воды (С2АН8, САН10, С4А(F)Н13, С4А(F)Н19 и др.),снижая тем самым эффективность действия практически всех пластификаторов и СП.
Таким образом, введение вцементные системы тонкодисперсных минеральных наполнителей, инертных поотношению к воде, позволяет создавать необходимые реологические условия дляполучения высокотехнологичных и удобоукладываемых смесей и формирования плотноупакованной структуры цементных материалов. Высокая плотность структуры можетбыть достигнута за счёт введения в систему 2–3 фракций минеральныхмикронаполнителей, близких друг к другу по кристаллохимическому строению, инаиболее целесообразным в этом случае является использование микронаполнителей,параметры кристаллических ячеек которых соизмеримы с аналогичными параметрамигидратных фаз цементных систем.
Применение дисперсных иультрадисперсных минеральных наполнителей со структурными особенностямиблизкими к цементным минералам является целесообразным не только вследствиепроявления многими из них химической активности, но и вследствие возможностивстраивания их молекул в структуры кристаллогидратных фаз в процессегидратации.
Экспериментальные данныесвидетельствуют о том, что наибольшая эффективность применения карбонатныхшламов обеспечивается не в «тощих» смесях, а в составах со средним расходомцемента. Это объясняется тем, что одним из возможных механизмов активирующегодействия шламов является эпитаксиальное наращивание гидратных новообразованийна частицах тонкодисперсного кальцита, как на затравках кристаллизации.Недостаток цементной матрицы в составах с малым расходом вяжущего снижаетэффективность кальцита как подложки для формирования эпитаксиальных контактовсрастания.
наибольшаяэффективность применения карбонатных шламов обеспечивается не в «тощих» смесях,а в составах со средним расходом цемента
В модифицированных цементныхсистемах в процессе роста частиц и кристаллизации б?льшую вероятность встраиванияв структуру гидратов имеют молекулы и ассоциаты веществ близких к ним покристаллохимическому строению. В полиминеральном цементном вяжущем, наполненномтонкодисперсным кальцитом, эта возможность является избирательной, посколькулишь некоторые гидратные фазы имеют параметры кристаллических ячеек близкие кпараметрам частиц CaCO3.В связи с этим в процессе гидратации возможны два механизма действия кальцита:
— встраивание молекул иассоциатов минеральной добавки в структуру гидратов близких по кристаллохимическомустроению;
— структурообразующее влияниеповерхности частиц микронаполнителя как подложки для ориентированнойкристаллизации новообразований.
Многообразие габитусовкристаллов кальцита и значительное пересыщение в системе в начальный период кристаллизациипозволяет предполагать возможность протекания этих процессов как индивидуально,так и параллельно.
Применение в технологии бетоновтонкодисперсных минеральных добавок, сочетающих в себе высокую реологическую ихимическую активность, открывает широкие возможности улучшения технологическихсвойств бетонных смесей и направленного воздействия на формирование структурыцементных материалов с целью получения высокопрочных бетонов с высокимипоказателями физико-механических свойств и долговечности.