Для активного управления структурой и свойствами бетонной смеси и бетона, наряду с химическими добавками 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. Располагаясь вместе с цементом в пустотах наполнителя, 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 свойств 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 м²/г)

 МД-уплотнители, например, микрокремнезём, имеют частички примерно в 100 раз меньше зерен цемента (удельная по¬верхность 20 - 30 м²/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(ОН)2, 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, опресляющий 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 осадоч¬ного (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 кремнезема и глинозема (70 - 90 %), которые в известной мере определяют их пуццолановую активность. Эти добавки получили широкое применение при производстве цемента. К их 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 (1200-1600oС) 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  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.

Химический состав зол характеризуется содержанием 35-60% SiO₂ , 15-35% А1₂О₃, 1-20% Fe₂O₃, 1-30% СаО и небольшого количества MgO, SO₃, щелочей и других соединений. Соотношение компонентов золы предопределяет ее активность и вяжущие свойства.

По содержанию оксида кальция золы подразделяются на высококальциевые (СаО>10%) и низкокальциевые (СаО<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. Низкоосновные 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 повышаемся, 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 1 000 см²/г, для ячеистых бетонов - не менее 2500 см²/г. Для некоторых зол их активность может быть повышена при применении дополнительного домола, 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 или модуль активности Ma, показывающие соотношение основных составляющих шлака (%).

В зависимости от модуля основности шлаки делятся на: основные или кислые. Гидравлическая активность доменных шлаков, как правило, возрастает с увеличением модулей основности и активности, а также с увеличением удельной поверхности тонкомолотого шлака. Обычно, дельная поверхность тонкомолотых шлаков составляет 2500 - 3500 см²/г. Тонкомолотые шлаки, добавленные к цементу, существенно влияют на структурообразование цементного камня.

Микрокремнезем является отходом производства кремнийсодержащих сплавов: ферросилиция, кристаллического кремния и др. В процессе плавления шихты и восстановления кварца при температуре свыше 1800oС образуется газообразный кремний, который при охлаждении и контакте с воздухом окисляется до SiO2 и конденсируется в виде сверхмелких частиц кремнезема. Содержание SiO2 в микрокремнеземе составляет 85-98 %.

От других активных минеральных добавок микрокремнезем отличается очень малым размером частичек (0,1-0,5 мкм) и высокой удельной поверхностью (18-25 м²/г). Располагаясь в бетоне в порах цементного камня, микрокремнезем способствует повышению плотности и соответственно прочности, непроницаемости и долговечности бетона.

Для уплотнения бетонной смеси требуется меньшее количество минеральной добавки (пористость смеси "цемент - заполнитель" сравнительно невелика), чем при разбавлении цемента в широких пределах, поэтому обычный расход микрокремнезема в бетоне составляет 5-15 % от массы цемента, что меньше, чем при применении других минеральных добавок. Кроме того, в этом случае взаимодействие в бетоне Са(ОН)2 и SiO2 сравнительно ограничено и в нем длительное время сохраняется необходимая для за¬щиты арматуры от коррозии щелочная среда.

В сухом виде из-за сверхвысокой дисперсности насыпная плотность микрокремнезема составляет всего 0,15-0,2 т/м³, что затрудняет его транспортировку.

В производстве бетона обычно используют предварительно гранулированный или брикетированный микрокремнезем, что существенно облегчает его транспортировку и применение.

Органо-минеральные добавки получают, объединяя в единую систему органический и минеральный компоненты, обладающие конкретным модифицирующим эффектом. Исследования показали, что тонкодисперсные минеральные добавки повышают эффективность действия пластификаторов и, наоборот, последние способствуют положительному действию ми¬неральных наполнителей на структуру бетонной смеси и бетона.

НИИЖБ предложил органо-минеральный комплексный модификатор структуры и свойств бетона МБ-01 полифункционального действия, включающий суперпластификатор С-3 (6-12% по массе) и микрокремнезем и представляющий собой порошкообразный продукт насыпной плотностью 750-800 кг/м³ с размером гранул до 100 мкм. В качестве регулятора твердения (РТ) в него вводят фосфорорганический комплекс. При применении этой добавки возрастает сохраняемость консистенции бетонной смеси, появляется возможность получать бетоны с прочностью свыше 100 МПа, низкой проницаемостью и высокой долговечностью.

На этом же принципе создан органо-минеральный модификатор МБ-С. Он включает суперпластификатор С-3, микрокремнезем и золу-унос, в котором 30-50% микрокремнезема заменяется на более доступную золу-унос, без заметного снижения эффективности добавки.

Как правило, органо-минеральные добавки выпускаются в порошко¬образном виде, что облегчает их введение в бетонную смесь при ее приготовлении.

При проектировании применения в бетоне добавок необходимо проводить технико-экономические расчеты для прогнозирования ожидаемого эффекта. При этом следует учитывать, что использование добавок в технологии бетона требует дополнительных затрат для создания складов добавок, транспортных магистралей, узлов подготовки добавок, дополнительных до¬заторов на бетоносмесительных цехах и заводах. Некоторые добавки имеют сравнительно высокую стоимость и еще дефицитны. Поэтому необходимо использовать добавки в первую очередь там, где их применение дает наибольший технико-экономический эффект.

C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка добавок для бетонов, цемента, ССС можно познакомиться в отчетах Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок добавок для бетонов, цемента и сухих строительных смесей в России».

Автор:

Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков
Тел.: (495) 918-13-12, (495) 911-58-70
E-mail: mail@akpr.ru
WWW: www.akpr.ru

Об авторе:
Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков оказывает три вида услуг, связанных с анализом рынков, технологий и проектов в промышленных отраслях - проведение маркетинговых исследований, разработка ТЭО и бизнес-планов инвестиционных проектов.
• Маркетинговые исследования
• Технико-экономическое обоснование
• Бизнес-планирование