Влияние кремнеземной пыли на формирование свойств

Влияние кремнеземной пыли на формирование свойств
высокопрочных бетонов
http://build.rin.ru/articles/1598.html
Креэемнеземная 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 140000-300000 см2/г;
золы уноса 4000-7000 см2/г;
портландцемент 3000-4000 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.
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 радия226 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: М.В. Предтеченский
Источник: Строительные материалы, оборудование, технологии ХХI века