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.

 

З якою метою вводять мінеральні добавки в бетонну суміш?

Цементний камінь за визначенням В.М. Юнга можна вважати "мікробетоном". Значна частина цементних зерен  гідратується неповністю і виконує  роль своєрідних  наповнювачів цементного каменю. Крім "природних" наповнювачів, якими служать ядра більшої частини клінкерних зерен, у цементи і бетонні суміші можуть бути успішно введені "штучні" наповнювачі – тонкомелені практично нерозчинні у воді неорганічні речовини, які складаються з зерен розміром менш 150 мкм. Ще в 1886 році М.А. Белелюбський опублікував  роботу "Про піщаний цемент", у якій доводив доцільність виробництва цементу шляхом спільного помелу кварцового піску з попередньо розмеленим портландцементним клінкером.   У якості наповнювачів бетонів застосовують тонкомолоті кварцові піски, карбонатні матеріали, доменні і паливні шлаки й ін. Ряд порошків одержують безпосередньо у високодисперсному стані як відходи або напівпродукти різних виробництв - кам'яновугільна зола-виносу, мікрокремнезем - відхід виробництва феросплавів, карбонатний пил і ін. Наповнювачі можуть вступати в хімічну  взаємодію з продуктами гідратації цементу (золи, шлаки, мікрокремнезем, метакаолін) або не вступати (кварцовий  пісок), однак в обох випадках, маючи високу питому поверхню, вони є активними компонентами твердіючих цементних систем.

 

 

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.