Мінеральні добавки для бетонів і розчинів

Міністерство освіти і  науки, молоді та спорту України

Київський національний університет будівництва і архітектури

Будівельно-технологічний  факультет

Кафедра технології будівельних  конструкцій і виробів

Реферат

з дисципліни  добавки для бетонів і розчинів

на тему : «Мінеральні  добавки для бетонів і розчинів»

Виконала: ст.гр.ТБКВМ-52

Вдовиченко О.В.

Перевірив: Троян В.В.

2012

Зміст

1. Загальні відомості
2. З якою метою вводять мінеральні добавки в бетонну суміш?
3. Основні функції мінеральних добавок у бетоні.
4. Застосування мікрокремнезему як добавки.
5. У чому полягає ефективність введення золи-віднесення  в бетонну суміш?

 Загальні відомості

  Для правильного управління структурою і властивостями бетонної суміші і самого бетону, окрім хімічних добавок, застосовують мінеральні добавки (МД).

Вони є порошками різної мінеральної природи, що отримуються з природної або техногенної сировини:

 •          мелених шлаків,

 •       зол ,

 •          гірських порід.

Мінеральні добавки відрізняються від заповнювача дрібними розмірами зерен (менше 0,15 мм, а буває, і ще менше). Від хімічних модифікаторів вони відрізняються тим, що не розчиняються в воді.

Вони ущільнюють структуру бетону, розташовуючись разом з цементом в порожнечах заповнювача, інколи дозволяючи зменшити витрату цементу. Саме тому МД часто називають «мінеральними наповнювачами».

Якщо говорити про МД, виходячи з їх впливу на структуру  і властивості цементу і бетону, то залежно від дисперсності їх можна  розділити на:

•          МД - розчинники цементу,

•          МД – ущільнювачі.

МД - розчинники (наприклад  зола) мають гранулометричний склад, який дуже близький до цементу (питома поверхня 0,3–0,5 м²/г).

МД – ущільнювачі (наприклад, мікрокремнезем) мають частинки приблизно  в 100 разів менше зерен цементу (питома поверхня 20–30 м²/г).

Мінеральними добавками  є тонкоподрібнені матеріали, які  додаються в бетон у відносно великих кількостях, зазвичай від 20 до 100 % маси портландцемента. Хоча сировинні  або обпалені природні мінерали, відомі під загальною назвою «пуццолани», ще використовуються в деяких регіонах земної кулі, основним джерелом мінеральних  добавок в даний час є побічні  продукти промислового виробництва.

До таких виробництв, де об'єм побічних продуктів досягає  мільйонів тонн в рік, відносяться  теплові електростанції, що використовують як паливо вугілля або рисове лушпиння, а також металургійні печі, що випускають чавун, сталь, мідь, нікель, свинець, феросиліцій  і феросплави. Відходи, що утворюються  на цих підприємствах, мають бути відповідним чином видалені.

Скидання їх у відвали  створює проблеми для довкілля, утилізація ж як заповнювачі бетону або для  інших потреб будівництва не дає  можливості отримати значний прибуток. Проте використання пуцоланових  і терпких властивостей деяких з  вказаних відходів шляхом  введення їх як компонентів в портландцементний  бетон або змішані портландцемента  робить їх вживання економічно вигідним.

У Європі виробляється велика кількість змішаного портландцемента, що містить пуцоланові  і інші активні гідравлічні добавки. З  різних причин в США і Канаді виявляється  більший інтерес до використання промислових відходів як мінеральні добавки в бетон, чим як компоненти змішаних цементів. Необхідно відзначити, що спосіб, яким відходи вводяться в бетон, мало впливає на його властивості.

У зв'язку з тим, що природні пуцолани і промислові відходи повсюдно доступні за значно нижчими цінами, ніж портландцемент, використання пуцоланових  добавок або спільно пуцоланових  і інших гідравлічних добавок, вживаних для часткової заміни цементу, може привести до здобуття значного економічного ефекту.

Технологічні вигоди від  введення мінеральних добавок в  бетон включають підвищення його непроникності і хімічної стійкості, поліпшення опору тріщино утворюванню  при тепловій обробці і збільшення межі міцності.

Гранульований доменний шлак і низько кальцієва  зола-віднесення протягом довгого часу використовуються як добавки до цементу або як мінеральні добавки до бетону. По історичних причинах наука і технологія, пов'язані  з цими матеріалами, розвивалися  різними шляхами. Проте з появою багатьох додаткових відходів, таких, як високо кальцієва зола-віднесення, зола рисового лушпиння, кремнезем  з газової фази (біла сажа), і гранульовані шлаки кольорової металургії, виникла  необхідність розглядати всі ці питання  як єдину дисципліну.

Основні функції мінеральних добавок у бетоні наступні:

• підвищення міцності, заміна частини цементу. Досягається завдяки тому, що, по-перше, наповнювачі є центрами кристалізації новоутворень цементного каменю і сприяють швидкому набору міцності, особливо при тепловологісній обробці бетону. По-друге, активні мінеральні добавки вступають у хімічну взаємодію з продуктами гідратації цементу. У першу чергу відбувається зв'язування вільного вапна СаО, яке виділяється при гідратації клінкерних мінералів, аморфним кремнеземом SiО2  і іншими оксидами, які містяться в активних наповнювачах. Отримані в такий спосіб сполуки ущільнюють і зміцнюють бетон. Зменшення кількості вільного вапна також сприяє подальшій гідратації зерен цементу.

Здатність активних мінеральних  добавок замінювати цемент можна  оцінити коефіцієнтом "цементуючої  ефективності", котрий показує, якій кількості в'яжучого еквівалентний у бетоні 1 кг добавки. Для мікрокремнезему такий коефіцієнт дорівнює 3...4, для метакаоліну 1...2, для золи-виносу – 0,25...0,4.

• підвищення корозійної стійкості бетону, його непроникності. Досягається завдяки ущільненню бетону при введенні мінеральних наповнювачів і внаслідок зв'язування добавками вільного СаО в стійкі низькоосновні гідросилікати кальцію. Наявність вільного вапна в бетоні є однією з головних причин його корозії, тому зв'язування СаО в нерозчинні сполуки істотно підвищує довговічність бетону.

• зниження водовідділення, стабілізація і збереження рухливості бетонних сумішей. Досягається завдяки адсорбції, фізичному зв'язуванню молекул води зернами наповнювачів, особливо з глинистих порід (бентоніти, метакаолін).

• надання бетону спеціальних властивостей – електропровідності (досягається при введенні, наприклад, графіту), кислото- і жаростійкості (досягається за рахунок ущільнення, зв'язування СаО, введення кислото- і жаростійких наповнювачів) і ін. властивостей. 

Застосування мінеральних  добавок у бетоні найбільш доцільне при використанні цементів типів І та ІІ/А. Оскільки тонкодисперсні наповнювачі (окрім золи-виносу) дещо підвищують водопотребу бетонної суміші, то їх введення найбільш доцільне разом із пластифікуючими добавками. Доведено ефективність застосування разом із суперпластифікаторами також комплексних наповнювачів типу "зола – мікрокремнезем", "зола – карбонатний пил". 

Застосування  мікрокремнезему як добавки

У композиції з добавками  суперпластифікаторів виявилися особливо ефективні високодисперсні кремнеземні  порошки – мікрокремнеземи (МК)

Мікрокремнезем знайшов  застосування у світовій будівельній індустрії, а саме для отримання бетонів нового покоління із спеціальними властивостями:

– отримання надвисокоміцних  і високоміцних бетонів (міцність на стискування 80-100 МПа, а також до 240 МПа при автоклавній обробці);

– отримання бетонів підвищеної довговічності (стійкості до сульфатної і хлоридной агресії, дії слабких кислот, морській воді, низьким і високим температурам); добавка мікрокремнезему підвищує водонепроникність на 25-50 %, сульфатостійкість на 90-100 %; добавка 6 % мікрокремнезему забезпечує отримання бетону марки по морозостійкості F300 при В/Ц=0,45;

– отримання бетонів з  високою ранньою міцністю (так, при  витраті цементу і пилу відповідно до 594 і 100 кг/м3 отримують бетон з  міцністю: 1 доба – 63 МПа, 28 діб – 124 МПа, 1 рік – 127 МПа;

– використання мікрокремнезему  дозволяє економити до 50 % цементу  в бетонах без втрати їх технологічних  властивостей.

Із застосуванням мікрокремнезему  побудований цілий ряд споруд, таких як комплекс висотних будівель в Чикаго, тунель під Ла-маншом, міст через протоку Нортумберленд в Канаді, бурові платформи в Норвезькому морі, автомобільні дороги високого класу і так далі.

Мікрокремнезем отримують  при високотемпературній обробці  кремнеземомістких початкових матеріалів, пов'язаної з процесом сублімації оксидів кремнію. При конденсації перегону в процесі охолодження утворюється дрібнодисперсний колоідообразний, переважно аморфний матеріал. Переважаючий розмір часток мікрокремнезему від 1 до 0,01 мкм і менш. Рентгеноструктурним аналізом встановлена наявність в мікрокремнеземі оксиду кремнію у вигляді коусита – SiO, що надає йому високу хімічну активність у водних середовищах.

Мікрокремнезем є дуже дрібними (рис.2) кулястими частинками аморфного кремнезему з середньою питомою поверхнею близько 20 м²/г.

Рисунок 2 – Побічний пуцолановий продукт

Високі властивості мікрокремнезему  покращують такі характеристики бетону, як міцність на стискування, міцність зчеплення, зносостійкість, морозостійкість, хімічну стійкість і значно знижують проникність. Це дозволяє тривалий час протистояти зовнішнім природним і виробничим діям (середовищам).

Крім того, мікрокремнезем активно застосовується у виробництві сухих будівельних сумішей, пінобетонах, бетону, гуми, керамік, облицювальних плит і черепиці, вогнетривких мас; для мостобудування, дорожнього будівництва, при зведенні житлових і виробничих об'єктів, гребель, бурових платформ і свердловин, колекторних трас і т. д. [7].

Перші дослідження мікрокремнезему як добавки для бетонів і розчинів були проведені в 1946 р. Тоді був отриманий перший патент на модифікацію цементних систем шляхом введення до їх складу мікрокремнезему.

В період з 1951 по 1952 рр. професор Бернхардт провів експериментальні дослідження застосування мікрокремнезему в бетоні. На початок 60-х рр.почалося його промислове застосування в технології виготовлення бетонів і розчинів — як модифікуюча добавка у водонепроникних і корозійностійких матеріалах на цементній основі.У Канаді використання мікрокремнезему в бетоні було схвалене в 1981 році. У тому ж році перші промислові суміші портландцемент/мікрокремнезем були вироблені в Ісландії. У Канаді такі суміші з'явилися в 1982 році. На даний момент мікрокремнезем в Європі використовується скрізь — від бетонних блоків до нафтових споруд.

Мікрокремнезем зазвичай додається як додатковий в'яжучий матеріал в процентному відношенні від первинного змісту цементу, залежно від типу або необхідної якості бетону. Дозування може бути наступним:

– бетон, що подається насосом 2-3 %

– торкрет-бетон 8-12 %

– підводний бетон 12-15 %

Процедури змішування можуть відрізнятися залежно від виробничого устаткування. Загальне правило полягає в ретельному перемішуванні для забезпечення максимальної дисперсності мікрокремнезему в бетоні. В цілях поліпшення дисперсності в більшість бетонів із змістом мікрокремнезему вводять пластифікатор або суперпластифікатор.

Бетони, що містять добавки  мікрокремнезему, мають більшу здатність  до зчеплення, чим звичайні суміші на портландцементі, і частенько показують  нижчу легкообробність з точки  зору опади конуса. Частки мікрокремнезему, що мають абсолютно сферичну форму, нейтралізують цей ефект, забезпечуючи кращу легкоукладуваність при цьому  осіданні конуса. Проте, щоб уникнути додавання на ділянці добре відомого "пластифікатора" — води, в суміш вводиться суперпластифікатор для досягнення високої легкообробності при збереженні правильного водоцементного відношення.

Високе зчеплення і  стабільність суміші означає, що бетони із змістом мікрокремнезему є найбільш відповідними для торкретування, подачі насосом і підводного бетонування. Торкрет-бетон в цьому випадку відрізняється меншим відскоком, значно меншим пилеутворенням і кращими будівельними характеристиками. При подачі насосом бетон можна подавати вище і далі, чим звичайні суміші, і під нижчим тиском. Бетон із змістом кремнезему також можна укладати під водою звичайними методами підводного бетонування, без всяких додаткових домішок.

Внаслідок заповнення порожнеч і високого зчеплення суміші у  свіжоукладеному бетоні спостерігається незначне виступання води. Це означає, що свіжоукладений бетон необхідно належним чином витримувати відразу після закінчення обробних робіт.

Розмір часток мікрокремнезему, в 100 разів менших, ніж цемент, у поєднанні з високим вмістом двоокису кремнію створює дуже потужний пуцолановий ефект. При такому розмірі часток 40 кг мікрокремнезему, що становлять середнє дозування, матимуть площу поверхні біля одного квадратного кілометра, вступаючої в реакцію з гідроокисом кальцію, що вивільняється у міру гідратації цементу. Це означає, що мікрокремнезем робить більш ранній ефект, ніж інші пуцоланові добавки.

Пуцоланова реакція мікрокремнезему  підвищує гідратацію силікату кальцію. Спостерігається виразна зміна пористої структури бетону із змістом мікрокремнезему у бік зменшення числа капілярних пор і збільшення числа дрібніших пор гелів. Підвищення гідратації силікату кальцію і зниження числа капілярних пор забезпечують дві основні характеристики бетону із змістом мікрокремнезему — підвищену міцність і підвищену непроникність. Подвійний ефект надає бетону велику стійкість до фізичних (стирання, ерозія і ударне руйнування) і хімічних дій (проникнення води, сульфатів, хлоридів, органічних речовин і кислот).

Саме завдяки підвищеній стійкості бетону з добавками мікрокремнезему він використовувався в Персидській затоці, де хімічна

Рисунок 3 – Зниження негативів твердіння конструкцій  і виробів з піскобетону М-300 поза приміщеннями

дія і температура швидко руйнують залізобетон і деякі  споруди доводиться зносити вже  через десять років. Очікуваний термін експлуатації споруд, що будуються  сьогодні, складає більше 50 років.

Зниження негативів твердіння  конструкцій і виробів з піскобетону М-300 поза приміщеннями. При твердінні виробів з піскобетону М300 в формах на вулиці або зовнішніхцементних стяжок. Якщо технології цементної стяжки підлоги в приміщеннях зазвичай включають екранування поверхні від швидкого висихання тільки при несприятливих для тверднення умов, то на цементні стяжки та вироби з піскобетону, що тверднуть на вулиці активно впливають додаткові зовнішні чинники–сонячне випромінювання, що провокує утворення різних температурних зон потовщині вироби / конструкції, що може привести до виникнення суттєвих температурних напружень, також вітер, при якому інтенсивність випаровування вологи з поверхні зростає в декілька разів (рис.3).

Це призводить до появи  кірки на поверхні, надзвичайно схильної до тріщин, а також хвилястості поверхні після твердіння через різний ступень ущільнення нерівномірно нагрітих нижніх шарів. Добавки мікрокремнезему частково акумулюють сонячне тепло і сприяють швидкій конвекції тепла через бетон завдяки заповненню пустот, а також блокують мікро і макропори виходу води на поверхню, що знижує негативи швидкого випаровування.

Однією з основних сфер застосування мікрокремнезему у  Великобританії є покриття, де бетон  з мікрокремнеземом використовувався у ряді великих проектів. Його застосування в цій області обумовлене швидким  наростанням міцності і низькою  усадкою у поєднанні з високою  стійкістю до стирання і хімічною стійкістю.

При додаванні мікрокремнезему  в кількості до 30 % у поєднанні з суперпластифікаторами можна отримати суміші з відношенням вода/в'яжучі нижче 0,3. Такі бетони можуть досягати дуже високої ранньої міцності. Вони знайшли широке застосування там, де здійснюється витримка у вологому режимі.

У чому полягає  ефективність введення золи-віднесення  в бетонну суміш?

Зола-віднесення (надалі зола) – тонкодисперсний продукт високотемпературної  обробки мінеральної частини  вугілля. Вона утворюється при їх спалюванні в пилоподібному поляганні  в топках казанів і осідає уловлюючими  пристроями з димарів. Як активна  мінеральна добавка або наповнювач переважні золи, уловлені і такі, що транспортуються в сухому вигляді.

Основним компонентом  золи (65 %) є скловидна алюмосилікатная  фаза у вигляді часток кулястої форми  розміром до 100 мкм. Саме вони проявляють найбільшу гідравлічну активність, тобто здатність тверднути за рахунок скріплення Са(ОН)₂. Проте певною гідравлічною активністю в золах володіє також дегідратована і аморфізірованна глиниста речовина. У тих випадках, коли мінеральна частина палива має значний вміст карбонатів, в золі утворюються низько основні силікати, алюмінати і ферити кальцію, здатні взаємодіяти з водою. У невеликій кількості золи містять домішки вільних оксидів кальцію і магнію, сульфатів, сульфідів. Доступність, поширеність і дешевизна золи роблять її дуже привабливою мінеральною добавкою в бетон.

Дисперсність золи виражається  питомою поверхнею і вагається  від 1000 до 4000 см²/г, у багатьох випадках наближаючись до питомої поверхні цементу. З високою питомою поверхнею золи пов'язані такі її властивості, як адсорбційна здатність, гігроскопічність, гідравлічна активність. Середня насипна щільність золи вагається від 600 до 1100 кг/м³, дійсна щільність – від 1800 до 2400 кг/м³.

Золи діляться на висококальцієвих (СаО > 20 %) і нізкокальциевиє (СаО < 20 %). Висококальцієві золи діляться на нізкосульфатниє (SО₃ < %), отримані при спалюванні вугілля і торфу, і сульфатні (SО₃ > 5 %), отримані при спалюванні сланців.  Інтегральною характеристикою хімічного складу злий служить модуль основності (m) – відношення масових доль основних оксидів до кислих.

Для основних злий m > 0,9; кислих – 0,6...0,9; надкислих m < 0,6. У основних золах сумарний вміст СаО досягає 50 %, а в надкислих – 12 %. Останні є найбільш поширеними.  За значенням питомій поверхні золи ділять на тонко- (S₃ > 4000 см2/г), середньо- (S₃ = 2000...4000) і грубодисперсні (S₃ < 2000 см²/г). При насипній щільності менше 800 кг/м³ золи вважаються легкими; 800...1000 кг/м³ – середній щільності, більше 1000 кг/м³ – важкими.

У бетонну суміш зола вводиться  замість частини цементу і  піску і виконує роль не лише активної мінеральної добавки, що збільшує загальну кількість терпкого, але і мікро наповнювача, поліпшуючого гранулометрію піску і бетону, що активно впливає на процеси структуроутворення.   Зменшення витрати цементу при введенні золи доцільно при зайвій активності цементу, тобто в тих випадках, коли марка вживаного цементу що вище рекомендується.

При використанні золи допускається зниження мінімальної типової норми  витрат цементу для неармованих  бетонних виробів до 150 кг/м-кодів, армованих  залізобетонних, – до 180 кг/м-коду, сумарна  витрата цементу і золи має  бути відповідно не менше 200 і 220 кг/м³.  Введення в бетонну суміш золи, на відміну від інших активних мінеральних добавок, зазвичай не погіршує, а покращує легкоукладуваність, що пояснюється кулевидною формою частинок золи.

Введення золи сприяє зниженню водо відділення бетонної суміші. Пластифікуюча і водоутримуюча здатність золи обумовлює перспективність її вживання в легких бетонах. Бетонні суміші з оптимальною добавкою золи мають досить високу життєздатність і придатні для транспортування на далекі відстані. Заміщення частини цементу золою приводить до зменшення усадкових деформацій бетону, яке виявляється унаслідок зниження водо потреби бетонної суміші. Зменшення усадки також пояснюється тим, що зола адсорбує з цементу розчинні луги і утворює стійкі, нерозчинні алюмосилікати.

Випробування бетонів  тривалими навантаженнями показали, що введення золи також знижує повзучість бетону.  Зола, як і інші активні  мінеральні добавки, сприяє підвищенню корозійною, в т.ч. сульфатостойкості  цементних бетонів, підвищує їх водонепроникність.

Вимоги  до золи-віднесення для цементного бетону.

  Залежно від сфери  застосування золу підрозділяють  на види:

1 – для залізобетонних  конструкцій і виробів; 

2 – для бетонних конструкцій  і виробів; 

3 – для конструкцій  гідротехнічних споруд – а  також на класи: для важкого  (А) і легкого (Б) бетону.

Питома поверхня золи класу  А має бути не менше 2800 см²/г, а золи класу Б – в інтервалі 1500...4000 см²/г. Залишок на ситі № 008 для золи класу А не повинен перевищувати 15 % по масі. Зола повинна забезпечувати рівномірність зміни об'єму суміші її з цементом при випробуванні зразків кип'яченням у воді. Найбільш раціональною сферою застосування зола-віднесення є бетони класів по міцності до В30 при необхідній морозостійкості до F200, які виготовляються з рухливих і литих сумішей на цементах типа І і ІІ/А. Золу доцільно вводити зазвичай в кількості не більше 150.200 кг/м3. При необхідній морозостійкості вище F50 слід обов'язково використовувати ефективні пластифікатори або повітровтягуючі добавки.

Використана література

1. Микрокремнезем [електронний ресурс] – Режим доступа: http://www.gcs-n.com...
2. Микрокремнезем и его применение [електронний ресурс] – Режим доступа: http://www.technoros.ru...
3. Микрокремнезем и его основные формы [електронний ресурс] – Режим доступа: http://vip-villas.ru...
4. З якою метою вводять мінеральні добавки в бетонну суміш. [електронний ресурс] – Режим доступа: http://www.knp.lviv.ua
5. Производство бетона. Добавки бетона [электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.vival.ua...