• Стройка и ремонт с нуля до успешного финиша
  • Пошаговые мастер-классы с фото и видео
  • Контролируем рабочих или делаем своими руками
  • Калькуляторы для расчета материалов

Влияние кремнеземной пыли на формирование свойств высокопрочных бетонов

Опубликовано: 01.02.2017

Влияние кремнеземной пыли на формирование свойств высокопрочных бетонов

Влияние кремнеземной пыли на формирование свойств высокопрочных бетонов.

Кремнеземная пыль (КП), называемая также микрокремнеземом или микронаполнителем, представляет собой побочный продукт металлургического производства при выплавке ферросилиция и его сплавов, образующийся в результате восстановления углеродом кварца высокой чистоты в электропечах. В процессе выплавки кремниевых сплавов некоторая часть моноокиси кремния SiO переходит в газообразное состояние и, подвергаясь окислению и конденсации, образует чрезвычайно мелкий продукт в виде шарообразных частиц с высоким содержанием аморфного кремнезема.

Первоначальный интерес к применению КП в бетонах был обусловлен проблемами охраны окружающей среды и усиленным контролем загрязнения атмосферы, а также необходимостью экономии энергии в промышленности строительных материалов за счет частичной замены цемента промышленными отходами. Первый опыт применения КП в бетоне отмечен в 1971 г. на металлургическом заводе Фиско в Норвегии.

Новые возможности использования КП тесно связаны с прогрессом в области создания эффективных суперпластификаторов — их сочетание дало толчок к созданию бетонов нового поколения, обладающих высокой прочностью (от 60 до 150МПа), повышенной удобоукладываемостью и долговечностью.

При выплавке 1 т ферросилициевых сплавов выделяется около 300 кг КП. По мере повышения содержания кремния в сплаве увеличивается количество двуокиси кремния SiO2 в пыли. В сплавах с содержанием кремния 50 и 75% содержание кремнезема в пыли составляет соответственно 61-77% и 84-88%, а в случае технически чистого кремния — 87-89.

Кремнеземная пыль, как указано выше, представляет собой очень мелкие шарообразные частички аморфного кремнезема со средней удельной поверхностью около 20 м2/г.

Тонкость КП можно проиллюстрировать сравнением с другими порошкообразными материалами.

• кремнеземная пыль 00 см2/г; • золы уноса см2/г; • портландцемент см2/г.

Гранулометрический состав КП свидетельствует о том, что размер большинства частиц не превышает 1 микрона, а средний размер частиц составляет около 0,1 микрона, т. е. примерно в 100 раз меньше среднего размера зерна цемента (рис. 1.

Кремнеземную пыль можно получать в трех состояниях — природном и уплотненном, а также в виде водной суспензии (около 50%). Например, в Польше на металлургическом заводе Лазиска близ Катовиц пылеулавливающие установки задерживают ежегодно около 20 млн тонн КП, химический состав которой отличается неизменным постоянством — высоким уровнем содержания кремнезема и незначительным количеством окислов железа, кальция, магния и серы.

Плотность КП в естественном состоянии составляет примерно 2,2 г/см3 (портландцемента -3,1 г/см3), а объемная плотность в рыхлом состоянии — 130-430 кг/м3 (цемента — 1500 кг/м3). За счет уплотнения можно повысить плотность до 480-720 кг/м3.

Согласно данным польских ученых, КП не несет радиоактивной опасности. Она содержит следы радия-226 и тория-232, а концентрация калия К-40 соответствует содержанию этого изотопа в природных заполнителях.

Весьма мелкий гранулометрический состав и значительная удельная поверхность зерен аморфного кремнезема обусловливают высокие пуццолановые свойства и позитивное влияние КП на свойства бетона. Кремнезем в таком виде легко вступает в реакцию с гидроокисью кальция, высвобождаемой в процессе гидратации цемента, повышая тем самым количество гидратированных силикатов типа CSH в результате реакции.

SiO2+xCa(OH)2+yH2OxCaO • SiO2- (x+y)H2O.

Эта вновь образовавшаяся фаза CSH характеризуется меньшим отношением C/S (даже до 1,4), чем CSH в результате гидратации цемента. Как следствие, она обладает способностью присоединять другие ионы, особенно щелочи, что имеет существенное значение в связи с применением КП для уменьшения расширения, вызванного реакциями между щелочами и заполнителем.

На рис. 2 показаны графики изменения содержания Са(ОН)2 в течение трех месяцев гидратации растворов из портландцемента 35 с добавками КП в размере от 10 до 30% (В/Ц и В/Ц + КП = 0,4). В случае добавки КП в количестве 10-20% заметный процесс восстановления гидроокиси кальция начинается через 3 дня, а при добавке 30% — уже через один день и протекает весьма интенсивно вплоть до 28-го дня твердения. Это означает, что в этот период пуццолановая реакция является наиболее интенсивной.

Тем не менее, следует подчеркнуть, что с учетом необходимости защиты арматуры содержание КП в бетонах не должно превышать 10.

Известно, что прочность переходной зоны между цементным раствором и крупным заполнителем меньше прочности самого раствора. Эта зона содержит больше пустых пространств, образующихся вследствие скопления свободной воды около зерен заполнителя, а также сложностей, связанных с более плотной упаковкой частиц у его поверхности. В этом пространстве скапливается больше частиц портландита. В случае отсутствия добавки КП образуются крупные кристаллы Са-(ОН)2, ориентированные параллельно поверхности заполнителя или арматуры. Кристаллы портландита обладают меньшей прочностью, чем гид-ратированные силикаты кальция CSH. Именно поэтому переходная зона и является самым слабым звеном в обычном бетоне.

Добавка КП даже в количестве 2-5% приводит к уплотнению структуры переходной зоны за счет заполнения свободных пространств. Поэтому уменьшается как величина кристаллов портландита, так и степень их ориентации относительно зерен заполнителя, что обусловливает упрочнение этой слабой зоны бетона. В результате происходит восстановление самопроизвольно отдаваемой воды, снижается пористость переходной зоны и повышается сцепление теста с заполнителем и арматурой. Пуццолановые реакции, как фактор химического воздействия, вызывают дальнейшее повышение прочности и долговечности бетона. Считается, что в течение первых 7 дней твердения воздействие КП на свойства бетона имеет в основном физический характер, а позднее — как физический, так и химический.

В результате физического и химического воздействия происходит благоприятное изменение микроструктуры теста, связанное со значительным уменьшением пористости в зоне капиллярных пор. Изменение структуры пор в бетоне рассматривается многими исследователями как главный фактор влияния КП на механические свойства и прочность бетона. Эти изменения находят свое отражение в снижении проницаемости бетона, а также в уменьшении коэффициентов диффузии ионов хлора. В свою очередь, снижение водопроницаемости способствует повышению стойкости бетона к воздействиям агрессивных сред.

В случае добавки 15% кремнеземной пыли, на каждое зерно цемента в бетонной смеси приходится свыше 2 млн частичек пыли, что и объясняет их существенное влияние на свойства бетона.

Наконец, КП способствует устранению расширения бетона при реакциях щелочей с реакционноспособным заполнителем.

Стоимость КП в различных странах колеблется в широких пределах. Если раньше ее рассматривали как неизбежные и ненужные отходы, то сегодня ее стоимость, как правило, превышает стоимость цемента: в Швеции — в 1,5-2 раза, в Великобритании — в 2-3 раза, в США — в 5 раз.

С учетом изложенного применение КП рекомендуется в бетонах.

— подвергающихся эрозионному истиранию (для ремонта плотины Кинзуа в Пенсильвании использовано около 1500 м3 бетона с добавкой 18% КП, прочность которого на сжатие в 28-дневном возрасте составила I ^ 37 примерно 90 МПа, причем после семи лет последующей эксплуатации не отмечено никаких повреждений отремонтированных элементов.

— коррозионностойких(бетонные смеси содержат около 385 кг/м3 цемента и 7,5-10% КП при В/Ц = 0,40); — обладающих высокой прочностью в раннем возрасте (строительство мостов, туннелей, автодорог, взлетно-посадочных полос и т. п.); — высокопрочных — до 140 МПа (355-565 кг/м3 цемента, 5-15% КП, В/Ц = 0,24); — с реакционноспособными заполнителями (до20%КП); — стойких к истиранию (полы промзданий, автомобильные стоянки. тротуары и дорожные покрытия); — обладающих повышенной долговечностью и водонепроницаемостью (для применения в агрессивных средах, связанных с воздействием хлоридов, сульфатов и солей-антиобледенителей); — для строительства морских и береговых сооружений (только для строительства моста через пролив Большой Бельт в Дании использовано 2 млн м3 бетона с добавками КП и зол уноса.

Автор: Источник: Строительные материалы, оборудование, технологии ХХI века.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *