Тонкомолотые минеральные добавки

Для активного управления структурой и свойствами бетонной смеси и бетона применяют минеральные (МД). Эти материалы представляют собой порошки различной минеральной природы, получаемые из природного или техногенного сырья (золы, молотые шлаки и горные породы, микрокремнезем и др.). Минеральные добавки отличаются от заполнителя мелкими размерами зёрен (менее 0, 16 мм, а чаще еще меньше), а от химических модификаторов тем, что они не растворяются в воде, являясь по существу тонкой составляющей твердой фазы бетона. Располагаясь вместе с цементом в пустотах заполнителя, они уплотняют структуру бетона, в ряде случаев позволяют уменьшить расход цемента. Поэтому МД часто называют минеральными наполнителями. Если оценивать МД по их влиянию на структуру и свойства цемента и бетона, то в зависимости от дисперсности их можно разделить на: МД-разбавители цемента и МД-уплотнители. МД-разбавители, например, зола, имеют гранулометрический состав, близкий к цементу (удельную поверхность 0, 2 - 0, 5 см2/г), МД-уплотнители, например, микрокремнезем, имеют частички примерно в 100 раз меньше зерен цемента (удельная поверхность 20 - 30 см2/г) и являются более эффективной добавкой, так как способны заполнять пустоты между зернами цемента и обладают повышенной реакционной способностью.

Минеральные добавки делятся на активные и инертные. Активные МД способны в присутствии воды взаимодействовать с диоксидом кальция при обычных температурах, образуя соединения, обладающие вяжущими свойствами. При введении в бетон они взаимодействуют с Са(ОН₂), вы­деляющимся при гидратации портландцемента. Некоторые активные МД, например, молотые доменные шлаки, способны к самостоятельному тверде­нию, которое активизируется при добавке извести. На свойства минеральных добавок значительное влияние оказывает их зерновой состав, определяющий удельную поверхность и соответственно реакционную способность или возможность уплотнения структуры бетона.

Инертные добавки, например, молотый кварцевый песок, при обыч­ной температуре не вступают в реакцию с компонентами цемента, однако при определенных условиях эти добавки могут проявлять реакционную способность (например, при автоклавной обработке). В большинстве случаев инертные добавки используют для регулирования зернового состава и пустотности твердой фазы бетона: заполнитель - цемент - минеральная до­бавка, с целью управления свойствами бетонной смеси и бетона.

Природные минеральные добавки получают тонким измельчением различных горных пород вулканического (туфы, пеплы, трассы) или осадоч­ного (диатомит, трепел, опока) происхождения. Именно к туфам первона­чально был применен термин «пуццоланы» по названию итальянского мес­течка, где он добывался. Впоследствии этот термин распространили и на другие активные природные минеральные добавки. МД вулканического или осадочного происхождения состоят в основном из аморфных кремнезема и глинозема (70 - 90 %), которые в известной мере определяют их активность. Эти добавки получили широкое применение при производстве цемента. Ких недостаткам следует отнести повышенную водопотребность.

Минеральные добавки из техногенного сырья: золы, молотые шлаки, микрокремнезем и другие имеют различный минералогический состав и дисперсность, которые определяют эффективность их применения в цементах и бетонах.

Золы ТЭС образуются при сжигании пылевидных углей из их мине­ральной части, которая содержит глинистые вещества, кварц и карбонатные породы. В зависимости от температуры топки (1200...1600°С) и размеров частиц минеральная часть углей или плавится полностью, или оплавляется с поверхности. При охлаждении образуется стекловидная фаза материала. Частицы золы осаждаются в электрофильтрах и удаляются их них сухим (зола-унос или зола сухого удаления) или мокрым способом (зола гидроуда­ления). Зола-унос имеет более высокие свойства и широко используется в технологии цемента и бетона.

По содержанию оксида кальция золы подразделяются на высококаль­циевые (Са0> 10%) и низкокальциевые (Са0< 10%). Высококальциевые золы обладают некоторыми вяжущими свойствами и могут применяться для замещения части цемента в бетонах, к которым не предъявляются высокие требования по прочности и долговечности. В этих золах часть СаО может находиться в свободном (пережженном) состоянии, что приводит к неравно­мерному изменению объема и определенным сложностям при их примене­нии.

Низкокальциевые золы вяжущими свойствами не обладают, но в при­сутствии извести и воды активно участвуют в образовании гидросиликатов и гидроалюминатов кальция - основных структурообразующих компонентов цементного камня. Эти золы на 80% и более состоят из алюмосиликатного стекла, которое предопределяет их пуццоланическую активность. Низ­ коосновные золы широко используются в качестве активных минеральных добавок.

Наряду с Минеральной частью в золах ТЭС остается небольшое коли­чество (до 5...10% и более) несгоревшего топлива, обычно в виде кокса. Этот компонент золы отличается высокой пористостью, что увеличивает ее водопотребность, а также может отрицательно влиять на процессы структурообразования цемента с добавкой золы. Поэтому в стандартах разных стран ограничивается содержание несгоревшего угля (потери при прокаливании) 5...10%.

Размеры частиц золы колеблются в пределах 1-..100 мкм и близки к размерам зерен цемента. Поскольку несгоревший уголь содержится главным образом в крупных частицах, то в отличие от других порошкообразных материалов с повышением дисперсности зол их водопотребность не повы­шается, а в ряде случаев даже снижается.

Средняя плотность золы составляет 1, 74... 2, 4 г/см³, однако плот­ность отдельных фракций может значительно отличаться от средних значе­ний. Мелкие частицы топлива при пылеугольном сжигании сгорают на ле­ту. При этом на их поверхности образуется плотная оболочка, а внутри они имеют пористую структуру. Пористостью частиц объясняется малая насып­ная плотность золы, которая колеблется в пределах 600... 1300 кг/м³. На­сыпная плотность зависит от вида топлива и температуры сжигания, обыч­но увеличиваясь с повышением последней.

Удельная поверхность золы составляет 1500 - 3000 см²/г. Для плот­ных бетонов рекомендуются золы с удельной поверхностью не менее 1500 см2/г, для ячеистых бетонов - не менее 2500 см²/г. Для некоторых зол их активность может быть повышена при применении дополнительного до-мола, способствующего разрушению стекловидной оболочки на поверхности зерен.

Шлаки, получаемые в качестве вторичного продукта при выплавке чугуна и в ряде других металлургических процессов, при тонком измельче­нии являются эффективной минеральной добавкой в цементы и бетоны. Степень гидравлической активности шлаков в известной мере характеризу­ет модуль основности Мо.

В зависимости от модуля основности шлаки делятся на основные (Мо=1) или кислые. Гидравлическая активность доменных шлаков как правило возрастает с увеличением модулей основности и активности, а так же с увеличением удельной поверхности тонкомолотого шлака. Обычно удельная поверхность тонкомолотых шлаков составляет 2500 - 3500 см^2./г. Тонкомолотые шлаки, добавленные к цементу, существенно влияют на структурообразование цементного камня.[5]