Минеральные добавки

В технологии бетона широко используют минеральные модификаторы для повышения удобоукладываемости, связности, водоудерживающей способности, однородности бетонных смесей, улучшения физико-технических свойств материала (плотности, прочности, долговечности), а также по экономическим соображениям (возможности снижения расхода дорогостоящего цемента, создания безотходной технологии строительных материалов). Добавки получают путем помола природных (осадочных и изверженных) горных пород (диатомиты, трепелы, опоки, пеплы, туфы, пемзы) и искусственных материалов (доменные шлаки, кислые золы уноса, обожженные глины, кремнеземистые отходы), а также используют некоторые тонкодисперсные отходы, содержащие в своем составе кремнезем. Тонкость помола добавок должна быть не менее чем у портландцемента, хотя максимальных результатов следует ожидать при более высокой дисперсности.

К сожалению, до сих пор отсутствует научно обоснованное оперирование тонкодисперсными минеральными добавками. В основе технологических рекомендаций лежат, как правило, экспериментальные результаты, касающиеся конкретной добавки, конкретных производственных условий. Обобщенных данных и нормативов нет. «В вопросе о количестве вводимых добавок, характеристиках смешанных цементов и о допустимости введения в состав бетонной смеси тех или иных минеральных добавок до сих пор нет единой точки зрения. Не установлены нормативы на предельно допустимое количество неактивных и активных минеральных добавок в цементы или различные бетоны, в зависимости от области их применения, нет единого мнения о гранулометрии минеральных добавок, о возможности одновременного введения минеральных добавок и активизаторов твердения бетонов…» [322]. Положение осложняется тем, что минеральные добавки – это самые разнообразные материалы, отличающиеся химико-минералогическим, вещественным составами, соответственно, химической активностью по отношению к продуктам гидратации цемента (преимущественно, к извести), дисперсностью частиц и др. Это обстоятельство затрудняет разработку универсальных технологических нормативных материалов. В то же время, некоторые аспекты проблемы могут быть уточнены с позиций модели цементного камня как микробетона, формирующегося и приобретающего необходимые структуру и свойства в результате поверхностных гидратационных взаимодействий.

Конечно, если рассматривать процесс гидратации сквозь призму кристаллизационных преобразований, то механизм действия минеральных добавок напрашивается сам собой: тонкомолотые продукты – это кристаллические «затравки», являющиеся дополнительными центрами кристаллизации, интенсифицирующими тем самым процесс [323, 324]. Однако эффективность «затравок» сомнительна, в связи с противоречивостью экспериментальных данных. Так, например, в некоторых работах отмечается, что «введение в цемент кристаллических затравок – зародышей кристаллизации – является эффективным средством повышения прочности цемента, как в ранние, так и в более поздние сроки твердения» [325], обеспечивающих быструю перекристаллизацию «всей аморфной фазы системы» [326]. При этом особо положительная роль придается синтетическим химико-минеральным добавкам – кристаллизационным компонентам («крентам») – применение которых, по мнению некоторых авторов [327, 328], позволяет повысить прочность цементов в среднем на одну марку, особенно для низкомарочных клинкеров. В то же время, опыты по введению в твердеющую цементную систему как синтезированных кристаллических затравок [31], так и продуктов гидратации [32], не показали сколь либо заметного изменения в скорости твердения и конечной прочности вяжущих и бетонов.

Обычно минеральные добавки делят на два вида – активные и инертные (наполнители). Активные минеральные добавки, как известно, имеют в своем составе аморфный кремнезем, который взаимодействует со свободной и выделяющейся при гидратации цемента известью с образованием дополнительного количества цементирующего продукта – низкоосновных гидросиликатов кальция, что положительно сказывается на свойствах цементного камня и бетона. Однако этот эффект проявляется на достаточно поздних стадиях твердения, ввиду растянутости во времени химического взаимодействия реагентов. Поэтому на начальном этапе (например, в месячном возрасте) введение активной минеральной добавки приводит, как правило, к снижению прочностных показателей бетона, причем снижение прочности находится, практически, в прямой зависимости от количества введенной добавки (рис.3.7).

Рис.3.7. Влияние расхода молотого шлака на прочность бетона

(новороссийский ПЦ600-Д0)

Инертные добавки (наполнители или разжижители цемента) лишены указанной химической активности (при обычных условиях твердения), поскольку состоят либо из основных горных пород (известняки, доломиты), либо из кристаллического кремнезема (молотого кварцевого песка), в связи с чем их эффективность, как правило, много ниже, чем активных минеральных добавок. В то же время, в ряде экспериментов химически инертные продукты не только не уступают, а значительно превышают по достигаемому результату активные минеральные добавки.

Выполненные экспериментальные работы [329] показали, например, что «…оптимальной является тонкость помола применяемых доменных шлаков до S = 450 м²/кг. При этом количество цемента можно снижать от 120 до 60 кг/м³ без снижения прочностных показателей» бетона. Это – один из примеров использования активной минеральной добавки, дисперсность которой сопоставима с дисперсностью цемента. В данном случае осуществляется замена части цемента добавкой, а сохранение требуемой прочности обязано химической активности минералов, входящих в состав добавки.

Есть еще более впечатляющие результаты. «В последнее время в качестве компонента бетона начинают вводить отходы с высокой степенью дисперсности (20 тыс. м²/кг и более). Характерным представителем таких материалов являются отходы производства ферросилиция – порошкообразный кремнезем, содержащий до 85…95 % аморфного SiO₂. Несмотря на то, что большая дисперсность несколько увеличивает водопотребность бетонных смесей, высокая реакционная способность порошкообразного кремнезема и его роль как наполнителя существенно повышают плотность, морозостойкость, водонепроницаемость и прочность. Экономия цемента при введении 5…10 % массы цемента порошкообразного кремнезема составляет 20…35 %» [330]. Известен также опыт производства монолитных гидротехнических объектов с применением в качестве минеральной добавки природных бентонитовых глин, вводимых в бетонную смесь при ее приготовлении в количестве «до 2 % сухой глины на 1 м³ бетона < …> в виде глиняных растворов» [331]. Данный технологический прием позволил ускорить твердение бетона в ранние сроки, увеличить «марочную прочность, водонепроницаемость, морозостойкость, коррозионную стойкость и долговечность» конструкций. Введение в цементную систему глинистых минералов в оптимальных количествах эффективно и для пропариваемых бетонов, поскольку эти «добавки значительно интенсифицируют нарастание прочности материала и уже при изотермическом прогреве в течение двух часов при температуре 100 ^оС была получена марочная прочность» [332]. Отмечается эффективность введения в состав цемента модифицированных глинистых материалов [333], обеспечивающих «самоармирование структуры твердеющей системы < …>, повышение ее прочности» [334]. Значительного улучшения свойств бетона и сокращения расхода цемента (до 40 %) можно достигнуть за счет применения в качестве добавки некоторых высокодисперсных (с удельной поверхностью 2, 2 м²/г) отходов ферросплавного производства [335, 336].

В последних случаях, наряду с химической активностью добавок, весьма важную роль играет ее дисперсность. Частицы добавок (минерального модификатора, бентонитовой глины и др.) размещаются в межзерновых пустотах матрицы (цементного камня), повышая ее плотность, прочность и водонепроницаемость. При этом для обеспечения максимальной прочности и плотности (следует добавить – и однородности) важное значение придается равномерности распределения добавки по объему системы и (что следует особо подчеркнуть) оптимальному соотношению дисперсности клинкерного компонента и минеральной добавки [337]. Таким образом, одной из сторон положительного воздействия минерального модификатора на свойства бетона является повышение плотности микробетона за счет заполнения его межзерновой пустотности высокодисперсными частицами добавки. Образно говоря, тонкомолотый минеральный компонент – «мелкий заполнитель» микробетона, обеспечивающий повышение его плотности и прочности. Размер частиц минеральной добавки при этом должен быть соизмерим с размерами межзерновых пустот микробетона, а это, как минимум, на порядок меньше среднего размера клинкерных зерен.

Эффективное использование «многокомпонентных вяжущих при производстве железобетонных конструкций также связано с подбором оптимальных соотношений клинкера и минеральных добавок с целью получения заданных физико-механических характеристик бетона…» [322]. Еще раз подчеркнем, что минеральные модификаторы – это сверхтонкие порошки (с удельной поверхностью около 15…20 тыс. м²/кг), способные заполнять межзерновые пустоты микробетона. Золы, молотые шлаки и т.п. с тонкостью помола, соизмеримой с тонкостью помола цемента, не могут быть отнесены к минеральным модификаторам (это – разжижители цемента).

В обычном бетоне мелкий заполнитель (песок) применяют для повышения межзерновой плотности. При недостатке или избытке песка свойства бетона (плотность, прочность, долговечность) снижаются. Нечто подобное и в данном случае. Количество минерального модификатора должно соответствовать объему межзерновых пустот микробетона (с учетом стяжения системы за счет самоуплотения частиц вяжущего), а это не менее 20…30 % объема, занимаемого портландцементом [338]. Следовательно, «при введении в бетон тонкодисперсных гидравлических добавок наибольший эффект будет получен при условии, когда содержание добавки соответствует объему межзерновых пустот цемента. Только в этом случае будет иметь место наибольшая плотность системы, обеспечивающая получение наибольшей прочности бетона» [339].

Представляется, что использование высокодисперсного минерального модификатора в сочетании с ускорителями твердения и циклической вибрацией позволит значительно интенсифицировать твердение бетона, получить материал с высокими эксплуатационными показателями при минимальном расходе дорогостоящего портландцемента.