Микрокремнезем что это такое


Микрокремнезём и его применение

Микрокремнезём и его применение.

Микрокремнезем получают при высокотемпературной обработке кремнеземосодержащих исходных материалов, связанной с процессом возгонки оксидов кремния. При конденсации возгона в процессе охлаждения образуется мелкодисперсный коллоидообразный, большей частью аморфный материал. Преобладающий размер частиц микрокремнезема от 1 до 0,01 мкм и менее. Рентгеноструктурным анализом установлено наличие в микрокремнеземе оксида кремния в виде коусита – SiO, что придает ему высокую химическую активность в водных средах.

Микрокремнезем представляет собой очень мелкие шарообразные частички аморфного кремнезема со средней удельной поверхностью около 20 кв. м/г. По гранулометрическому составу средний размер частиц МК составляет около 0,1 микрона, то есть в 100 меньше среднего размера зерна цемента.

При использовании микрокремнезёма для изготовления особо прочных бетонов тысячи сферических микрочастиц окружают каждое зерно цемента, уплотняя цементный раствор, заполняя пустоты прочными продуктами гидратации и улучшая сцепление с заполнителями, гораздо эффективнее, чем другие минеральные добавки, такие как цеолитовый туф, доменный и котельный шлак.

В результате микрокремнезем, как высокореакционный пуццолан способствует получению более прочного и долговечного цементного камня. Практическое использование показало, что 1 кг микрокремнезема обеспечивает такую же прочность, как 4-5 кг обычного портландцемента. Высокие свойства микрокремнезема улучшают такие характеристики бетона, как прочность на сжатие, прочность сцепления, износостойкость, морозостойкость, химическую стойкость и значительно снижают проницаемость. Это позволяет длительное время противостоять внешним природным и производственным воздействиям (средам).

Преимущества применения микрокремнезема.

Нарастание прочности.

Микрокремнезем обеспечивает прочность на сжатие, намного превышающую прочность обычных бетонов, и здесь ограничивающим фактором является только прочность заполнителя. При использовании природных заполнителей достигается прочность свыше 150 N/mm2, а при использовании специальных высокопрочных заполнителей можно достичь прочности 300 N/mm2.

Проницаемость.

Эффект заполнения пор, создаваемый пуццолановыми сферическими микрочастицами, способствует значительному уменьшению капиллярной пористости и проницаемости бетона. Фактически непроницаемый бетон можно получить при умеренном содержании микрокремнезема и сравнительно низком содержании обычного портландцемента. Поскольку микрокремнезем оказывает большее влияние на проницаемость, чем на прочность, бетон с содержанием микрокремнезема всегда будет гораздо менее проницаемым, чем бетон эквивалентной прочности на обычном портландцементе.

3ащита арматуры.

Исследования бетонных конструкций в возрасте до 12 лет (Норвегия, Швеция) показали, что высококачественные бетоны с содержанием микрокремнезема обладают большей устойчивостью к карбонизации, чем бетоны такой же прочности на обычном портландцементе, и гораздо лучше предотвращают проникновение хлоридов из морской воды.

Морозостойкость.

Низкая проницаемость и повышенная плотность цементного камня обеспечивают прекрасную морозостойкость бетона с микрокремнеземом. Не существует несовместимости микрокремнезема с воздухововлекающими добавками, в действительности стабильная реологическая структура пластичного бетона с микрокремнеземом уменьшает потерю вовлеченного воздуха при транспортировке и вибрировании.

Химическое воздействие.

Известно, что низкая проницаемость и низкое содержание свободной извести повышает устойчивость бетона к воздействию агрессивных химических веществ. Бетон с содержанием микрокремнезема обладает этими качествами и проявляет устойчивость к воздействию целого ряда веществ. Долгосрочные полевые испытания показали, что по своей потенциальной устойчивости к сульфатам он равен сульфатостойкому портландцементу.

Основные показатели :

• Уменьшенный до 200-450 кг/м3 расход цемента.

• Высокая прочность ( прочность на сжатие 60-80 МПа) и сверхвысокопрочные (прочность на сжатие выше 80 МПа) бетоны, в т. ч. мелкозернистые.

• Бетоны с высокой ранней прочностью при твердении в нормальных условиях ( 25-40МПа в сутки).

• Высокоподвижные (ОК=22-24 см) бетонные смеси повышенной связности - нерасслаиваемости.

• Повышенная антикоррозионная стойкость. Добавление микрокремнезема снижает водопроницаемость на 50% , повышает сульфатостойкость на 100%.

• Низкая проницаемость для воды и газов W12-W16.

• Морозостойкость F200-F600 (до F1000 со специальными добавками).

• Повышенная долговечность ( стойкость к сульфатам и хлоридной агрессии, воздействию слабых кислот, морской воды, повышенной до 400 С температур и морозостойкости).

Экономическое обоснование.

Немаловажно отметить, что применение микрокремнезема конденсированного в массовом строительстве также позволяет экономить до 40% цемента без ухудшения характеристик бетона и сокращать расход тепловой энергии при тепловлажной обработке изделий. Использование микрокремнезема в сборном бетоне позволяет уменьшить сечения некоторых элементов, облегчая их транспортировку и монтаж.

Микрокремнезем обеспечивает более длительную жизнеспособность жидких растворов, облегчает перекачивание смеси, придает коррозионную стойкость. При использовании микрокремнезема достигается наивысшие характеристики высокопрочного бетона, легкого бетона, торкретбетона и бетона с пониженной водопроницаемостью.

Ещё в 2004 году по данным расчёта Красноярской государственного архитектурно-строительной академии получилось, что расход портландцемента для получения высокопластичного бетона марки «300», при использовании микрокремнезёма, снижается на 43 %. Экономический эффект на 1м3 бетона составил 190, 278 рублей по сырью. Образцы высокопрочного бетона М 700 с добавкой микрокремнезёма были получены с экономической выгодой 77, 239 рублей на 1 м3 бетона. Это произошло за счёт экономии дорогостоящих добавочных материалов.

Опыт использования.

Первоначальный интерес к применению микрокремнезема в бетонах отмечен в 1971 г.

на металлургическом заводе «Фиско» в Норвегии. Новые возможности использования тесно связаны с прогрессом в области создания суперпластификаторов. Их сочетание дало толчок к созданию бетонов нового поколения, обладающих высокой прочностью (от 60 до 150 МПа), повышенной удобоукладываемостью и долговечностью.

Частота применения порошка микрокремнезема в качестве добавки 1975 году повлекла за собой принятие норвежских стандартов для микрокремнезема в цементе (1976 г.) и в бетоне (1978 г.). В Канаде использование микрокремнезема в бетоне было одобрено в 1981 году. В том же году первые промышленные смеси портландцемент/микрокремнезем были произведены в Исландии. В Канаде такие смеси появились в 1982 году. На данный момент микрокремнезем в Европе используется везде - от бетонных блоков до нефтяных сооружений.

Многолетняя широкая популярность микрокремнезёма в европейских странах обусловлена низкой стоимостью по отношению к другим добавкам и, одновременно, уникальными возможностями, позволяющими получать из рядовых материалов бетоны с высокими эксплуатационными характеристиками и уникальными конструкционными возможностями, например, бетоны, известные в мире как High Performance Concrete. Ключевым фактором технологии производства таких бетонов являлось комплексное использование микрокремнезема и суперпластификаторов.

Для наглядности достаточно отметить несколько примеров применения высокопрочных бетонов на основе микрокремнезёма при возведении: комплекс высотных зданий в Чикаго, тоннель под Ла-Маншем, мост через пролив Нортумберленд в Канаде, ряд мостов в Японии, Норвежские морские буровые платформы в Северном море. Только в Москве за последние десятилетия при помощи микрокремнезема были возведены и реконструированы такие объекты как: Торгово–рекреационный комплекс «Охотный ряд» на Манежной площади, здания Кремля, Ульяновская эстакада, постамент памятника «Петру I», Железнодорожный мост по ул. Шереметьевская, коллектор для инженерных коммуникаций под ул. Б. Дмитровка, здание «Смоленский Пассаж», транспортные тоннели и пешеходные переходы на Кутузовском и Ленинском проспектах, шумозащитные стенки и путепроводы на МКАД, дюкер коллектора Люберецкой станции аэрации, денежное хранилище «СДМ Банка», торговый центр на Курском вокзале, стилобатная часть здания «Реформы», подземный комплекс «Парк–Сити» ММДЦ «Москва–Сити», транспортный тоннель на проспекте Мира, стадион «Локомотив», транспортный тоннель на ул. Н. Масловка, транспортный тоннель на Нахимовском проспекте, облицовочная плитка и элементы декора для малоэтажного и коттеджного строительства, Лефортовский транспортный тоннель, диаметром 16м, развязки третьего транспортного кольца на ул. Кожуховская, Загороднее шоссе, ул. Красная Пресня, мост на ул. Братиславская, путепровод на ул. Олений Вал, путепровод тоннельного типа «Дворцовый мост», коллектор для инженерных коммуникаций под ул. Народная, Филевский канализационный коллектор, диаметром 3, 6метра под Карамышевской наб., бассейны на ул. Бакулева и Привольная, Московский зоопарк, комплекс высотных жилых зданий «Кунцево», а также мосты и путепроводы в Москве, Калуге и Орле.

Технологическое использование.

Технологическое использование микрокремнезёма (дозирование и подача), предполагает два решения : в сухом виде и в виде водной суспензии.

Первый вариант (сухой) предполагает использование микрокремнезема с золой-уноса и суперпластификатора (например С-3).

Во-втором варианте (жидкий), микрокремнезем в виде суспензий используется в качестве минеральной добавки для бетонов.

СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВОДНОЙ СУСПЕНЗИИ МИКРОКРЕМНЕЗЁМА №1.

Способ приготовления водной суспензии микрокремнезема, включает смешивание микрокремнезема, воды и стабилизирующего компонента. В качестве стабилизирующего компонента используют смесь нитрилотриметиленфосфоновой кислоты и продукта конденсации бета- нафталинсульфокислоты с формальдегидом при следующем соотношении компонентов, масс (формула технологического процесса):

микрокремнезем 40-70 %

стабилизатор (нитрилотриметиленфосфоновая кислота) 0,02-0,14

продукт конденсации бета-нафталинсульфокислоты с формальдегидом 0,02-0,14

вода - 29, 44 — 59,90 %.

Компоненты интенсивно перемешиваются до образования однородной суспензии 40-70%-ной концентрации.

Описание процесса.

Смесь нитрилотриметиленфосфоновой кислоты и продукта конденсации b - нафталинсульфокислоты с формальдегидом, приводит к диспергации агрегатов частиц микрокремнезема, более полному связыванию ионов металлов на поверхности частиц в малорастворимые комплексы, образованию малопроницаемых адсорбционных слоев и модифицированию двойного электрического слоя на поверхности частиц микрокремнезема. Это приводит к совокупному стерическому и электростатическому эффекту стабилизации суспензии, благодаря чему увеличивается агрегативная устойчивость и текучесть во времени и, как следствие, повышается ее активность как минеральной добавки для бетона.

СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВОДНОЙ СУСПЕНЗИИ МИКРОКРЕМНЕЗЁМА №2.

Способ приготовления концентрированных стабильных суспензий из микрокремнезема, включающий перемешивание водной суспензии. Микрокремнезем 70-75% концентрации смешивается со стабилизирующим компонентом соляной, серной, или уксусной кислотами (0,35% 0,74% 0,37% массы МК соответственно). В данном способе, стабилизатор соляной, серной или уксусной кислоты вызывает сравнительно кратковременный эффект агрегативной устойчивости суспензии (до 15 суток), так как кислота постоянно нейтрализуется щелочными компонентами микрокремнезема. Поэтому при длительном хранении или транспортировке суспензии происходит агрегирование частиц микрокремнезема и возникает необходимость периодически добавлять новые количества кислоты, что, в свою очередь, приводит к снижению активности суспензии из микрокремнезема как добавки в бетон.

Микрокремнезем.

Первоначально микрокремнезем использовался как заменитель цемента, но по мере накопления данных его стали применять в качестве дополнительного компонента, улучшающего характеристики бетона, как в свежеуложенном, так и в затвердевшем состоянии. На сегодняшний день во всем мире существует более десяти стандартов и технологических норм, позволяющих использовать микрокремнезем в цементах и бетонах, а в конце 1996 года утвержден новый европейский стандарт.

За несколько десятилетий микрокремнезем превратился из заменителя цемента в высокотехнологичную добавку, которая использовалась в ряде крупных проектов, таких, как мост Сторебелт в Дании, мост Цин Ма в Гонконге и Саус Уэкер 311 в Чикаго - одно из самых высоких зданий в мире. Сырой микрокремнезем, имеющий насыпную плотность около 200 кг/м³., может быть обработан несколькими способами для удобства в применении.

Основные формы микрокремнезема.

Неуплотненный микрокремнезем.

Его плотность обычно составляет 200-350 кг/м³. Собранный из фильтров мелкий порошок очень легок и используется в производстве составов - фасованных материалов, строительных и цементных растворов.

Уплотненный микрокремнезем.

Материал обработан в целях увеличения плотности до 500-600 кг/м³ и свободной агломерации частиц. Этот материал является не таким пылеобразным, как неуплотненный микрокремнезем, и имеет вид мелких гранул. Он более удобен в обращении и применяется в некоторых составах, сборном железобетоне и готовой бетонной смеси.

Гранулированный микрокремнезем.

Материал имеет плотность около 1000 кг/м³ и обработан с добавлением небольшого количества воды для получения твердого агломерата. Обычно он используется только для совместного измельчения с цементом и без измельчения не рассеивается.

Суспензия.

Водная суспензия неуплотненного микрокремнезема, обычно 50% по весу. Материал имеет удельный вес 1.4 и благодаря своему жидкому состоянию, он более удобен в обращении, чем порошок.

Производство суспензии.

В целях оптимизации качества и стабильности суспензия производится в фильтрационном блоке сразу после сбора микрокремнезема. Хотя иногда суспензии изготавливаются прямо на участке в таких районах, как Ближний Восток, в действительности они представляют лишь способ предварительного смачивания микрокремнезема и легко оседают. Следовательно, они пригодны только для немедленного использования. Существуют и стабилизированные суспензии, но они содержат прочие добавки, которые могут воздействовать на бетон и не всегда соответствуют спецификациям бетона.

Использование в производстве бетона.

Микрокремнезем обычно добавляется в качестве дополнительного вяжущего материала в процентном отношении от первоначального содержания цемента, в зависимости от типа или требуемого качества бетона. Дозировка может быть следующей:

бетон, подаваемый насосом 2-3%

высокое качество 4-7%

высокая прочность* 7-15%

торкрет-бетон 8-12%

подводный бетон 12-15%

* Также для высокой непроницаемости и химической стойкости.

Процедуры смешивания могут отличаться в зависимости от производственного оборудования. Общее правило заключается в тщательном перемешивании для обеспечения максимальной дисперсии микрокремнезема в бетоне. В целях улучшения дисперсии в большинство бетонов с содержанием микрокремнезема вводят пластификатор или суперпластификатор.

Свежеуложенный бетон.

Бетоны с содержанием микрокремнезема обладают большей способностью к сцеплению, чем обычные смеси на портландцементе, и зачастую показывают более низкую удобообрабатываемость с точки зрения осадки конуса. Частицы микрокремнезема, имеющие абсолютно сферическую форму, нейтрализуют этот эффект, обеспечивая лучшую удобоукладываемость при данной осадке конуса. Однако, во избежание добавления на участке хорошо известного «пластификатора» - воды, в смесь вводится суперпластификатор для достижения высокой удобообрабатываемости при сохранении правильного водоцементного отношения.

Высокое сцепление и стабильность смеси означает, что бетоны с содержанием микрокремнезема являются наиболее подходящими для торкретирования, подачи насосом и подводного бетонирования. Торкрет-бетон в этом случае отличается меньшим отскоком, значительно меньшим пылеобразованием и лучшими строительными характеристиками. При подаче насосом бетон можно подавать выше и дальше, чем обычные смеси, и под более низким давлением. Бетон с содержанием кремнезема также можно укладывать под водой обычными методами подводного бетонирования, без всяких дополнительных примесей.

Вследствие заполнения пустот и высокого сцепления смеси в свежеуложенном бетоне наблюдается незначительное выступание воды. Это означает, что свежеуложенный бетон необходимо должным образом выдерживать сразу по завершении отделочных работ. Для этого можно использовать стандартные выдерживающие процедуры в соответствии с BS 1881.

Затвердевший бетон.

Размер частиц микрокремнезема, в 100 раз меньших, чем цемент, в сочетании с высоким содержанием двуокиси кремния создает очень мощный пуццолановый эффект. При таком размере частиц 40 кг микрокремнезема, составляющие среднюю дозировку, будут иметь площадь поверхности около одного квадратного километра, вступающей в реакцию с гидроокисью кальция, высвобождаемого по мере гидратации цемента. Это означает, что микрокремнезем оказывает более ранний эффект, чем другие пуццолановые добавки, но также не помешало бы использовать летучую золу и гранулированный доменный шлак. Действительно, тройная смесь вяжущих материалов создает бетон с очень высокими рабочими характеристиками. Такие смеси применялись в ряде крупных проектов, включая мосты: Сторебелт, Цин Ма.

Пуццолановая реакция микрокремнезема повышает гидратацию силиката кальция. Наблюдается отчетливое изменение пористой структуры бетона с содержанием микрокремнезема в сторону уменьшения числа капиллярных пор и увеличения числа более мелких гелевых пор. Повышение гидратации силиката кальция и снижение числа капиллярных пор обеспечивают две основные характеристики бетона с содержанием микрокремнезема - повышенную прочность и повышенную непроницаемость. Двойной эффект придает бетону большую устойчивость к физическим (истирание, эрозия и ударное разрушение) и химическим воздействиям (проникновение воды, сульфатов, хлоридов, органических веществ и кислот).

Именно благодаря повышенной стойкости бетона с содержанием микрокремнезема к сульфатам и хлоридам он использовался в Персидском заливе, где химическое воздействие и температура быстро разрушают железобетон и некоторые сооружения приходится сносить уже через десять лет. Ожидаемый срок эксплуатации сооружений, строящихся сегодня, составляет более 50 лет. Благодаря возможности применения высокопрочного (80 МПа) бетона с содержанием микрокремнезема в Персидском заливе сейчас также возводятся более высокие здания. Самое высокое из них имеет в высоту 157 метров, а проектная высота Чикаго Бич Тауэр в Дубаи - 321 метр.

В Великобритании бетон с содержанием микрокремнезема применяется там, где можно получить наибольшую пользу от его повышенной прочности и непроницаемости. Компании, занимающиеся переработкой отходов, скрапные дворы и металлоперерабатывающие предприятия используют физические характеристики бетона с содержанием микрокремнезема, что позволяет сохранять хорошее состояние рабочих площадок сроком до десяти лет, тогда как раньше бетон меняли каждые 18 месяцев. Химическая стойкость и непроницаемость снижают риск, исходящий от опасных химикатов и загрязняющих веществ в системе грунтовых вод с предприятий, складов удобрений, силосных ям и полей орошения.

Одной из основных сфер применения микрокремнезема в Великобритании являются покрытия, где бетон с микрокремнеземом использовался в ряде крупных проектов. Его применение в данной области обусловлено быстрым нарастанием прочности и низкой усадкой в сочетании с высокой устойчивостью к истиранию и химической стойкостью.

Среди недавних проектов были два региональных дистрибьюторских центра для сети магазинов. В каждом случае внутреннее покрытие склада равнялось по площади четырем футбольным полям, и на него потребовалось свыше 9000 м³ бетона с микрокремнеземом. Одно из них используется в качестве долговременной испытательной площадки для анализа усадки плиты. В Шотландии 2000 м³ бетона на тройной смеси - обычный портландцемент/ гранулированный доменный шлак/ микрокремнезем - пошло на укладку пола нового предприятия, где решающими факторами являются высокая устойчивость к истиранию и химическая стойкость. В Великобритании также используется торкрет-бетон с микрокремнеземом, например, при прокладке линий лондонского метрополитена.

Микрокремнезем образуется в процессе выплавки сплавов кремния (ферросилиция). После окисления и конденсации некоторая часть моноокиси кремния образует чрезвычайно мелкий продукт в виде ультрадисперсного порошка, частицы которого представляют собой частички аморфного кремнезема со средней удельной поверхностью около 20 кв. м/г. Средний размер гранул составляет около 0,1 микрона, то есть в 100 меньше среднего размера зерна цемента.

По сути, микрокремнезем - это высокореакционный пуццолан и нужен для получения более долговечного и прочного цементного камня.

Использование микрокремнезема позволяет получать из рядовых материалов бетоны с высокими эксплуатационными характеристиками и уникальными конструкционными возможностями:

Стойкость к истиранию.

Высокоподвижные (ОК=22-24 см) бетонные смеси повышенной связности - нерасслаиваемости.

Высокая прочность (прочность на сжатие 60-80 МПа) и сверхвысокопрочные (прочность на сжатие выше 80 МПа) бетоны, в т. ч. мелкозернистые.

Бетоны с высокой ранней прочностью при твердении в нормальных условиях (25-40 МПа в 1 сут).

Уменьшенный до 200-450 кг/м3 расход цемента.

Повышенная антикоррозионная стойкость. Добавление МК снижает водопроницаемость на 50%, повышает сульфатостойкость на 100%.

Низкая проницаемость для воды и газов W12-W16.

Морозостойкость F200-F600 (до F1000 со специальными добавками).

Повышенная долговечность (стойкость к сульфатной и хлоридной агрессии, воздействию слабых кислот, морской воды, повышенной до 40°С температур и морозостойкости).

Норвежский Технологический Институт изучает свойства бетона с содержанием микрокремнезема уже 35 лет. Расширение применения порошка микрокремнезема в готовых бетонных смесях с 1975 привело к принятию норвежских стандартов для микрокремнезема в цементе (1976) и в бетоне (1978). В Канаде использование микрокремнезема в бетоне было одобрено в 1981, в том же году первые промышленные смеси портландцемент/микрокремнезем были произведены в Исландии. В Канаде такие смеси появились в 1982. Микрокремнезем используется везде - от бетонных блоков до нефтяных сооружений, и его рабочие качества исследуются и проверяются по всему миру.

Химические и физические характеристики

Частицы микрокремнезема имеют гладкую поверхность и сферическую форму. Средний размер частиц составляет 0,1-0,2 микрон, то есть они в 50-100 раз мельче цемента или летучей золы, а удельная площадь поверхности составляет от 13000 до 25000 м2/кг. Порошок фактически состоит из рыхлых агломератов с очень низкой насыпной плотностью. По сравнению с другими вяжущими материалами, микрокремнезем отличается очень высоким содержанием реактивного кремнезема и мелкостью.

Воздействие на свойства бетона

Суспензии и порошки существенно отличаются только по своему воздействию на пластичный бетон. Их влияние на свойства затвердевшего бетона одинаково. Поскольку суспензии микрокремнезема без примесей, вероятно, представляют наибольший интерес для производителей бетона, в остальной части текста термин “микрокремнезем” употребляется по отношении к 50% водной суспензии, если не указано иное. Дозировка микрокремнезема выражается в процентном содержании твердого микрокремнезема от массы цемента. Вес добавляемой в смесь суспензии в два раза превышает вес требуемого твердого микрокремнезема.

Пластические свойства

Опыт работы показал, что правильно составленная бетонная смесь, содержащая менее 300 кг/м3 обычного портландцемента и менее 10% микрокремнезема, практически не отличается по водопотребности по сравнению с обычными смесями с тем же общим содержанием вяжущих.

На первый взгляд свежеприготовленная бетонная смесь кажется очень жесткой, однако, ее намного легче подавать насосом, укладывать и отделывать. В работе с микрокремнеземом наблюдалось интересное поведение смеси - повышение удобообрабатываемости после длительного перемешивания или прохождения через бетононасос.

Рассеявшись по объёму, мельчайшие частицы микрокремнезема уплотняют и стабилизируют смесь и существенно снижают выступание воды и расслоение. В жирных смесях это может привести к образованию трещин при пластической усадке, поскольку вода, испаряющаяся с поверхности, не заменяется выступающей водой. Поэтому, в жаркую или ветреную погоду необходимо уделять особое внимание защите и выдерживанию бетона.

Нарастание прочности.

Как и все пуццолановые материалы, микрокремнезем вступает в реакцию с гидрокисью кальция, освобождаемой при гидратации портландцемента для образования вяжущих соединений. Очень высокая чистота и мелкость микрокремнезема способствует более эффективной и быстрой реакции. При надлежащем рассеивании тысячи реактивных сферических микрочастиц окружают каждое зерно цемента, уплотняя цементный раствор, заполняя пустоты прочными продуктами гидратации и улучшая сцепление с заполнителями.

Микрокремнезем может обеспечить прочность на сжатие, намного превышающую прочность обычных бетонов, и здесь ограничивающим фактором является только прочность заполнителя.

Темпы нарастания прочности обычного бетона с содержанием микрокремнезема слегка отличается по сравнению с современными бетонами на обычном портландцементе. Обычно через 7 дней он приобретает только 55-65% от 28-дневной прочности при выдерживании при температуре 20 гр. С. Основная пуццолановая активность протекает между 7 и 20 днями.

Опыт показал, что 1 кг микрокремнезема может обеспечивать такую же прочность, как 3-5 кг обычного портландцемента, в смесях одинаковой удобообрабатываемости при умеренном содержании микрокремнезема и цемента в обеих смесях. На эту вяжущую эффективность или К-фактор оказывает влияние содержание обоих материалов, но при содержании обычного портландцемента 200-300 кг/м3 и микрокремнезема - менее 10%, значение К-фактора может составлять около 4.

В Норвегии средняя дозировка микрокремнезема для смесей обычной прочности составляет 8%. При добавлении микрокремнезема в количестве до 30% в сочетании с суперпластификаторами можно получить смеси с отношением вода/вяжущие ниже 0,3. При этом качество бетонных изделий аналогично качеству, получаемому при известной технологии СИСТРОМ.

Такие бетоны могут достигать очень высокой ранней прочности, но важно осуществлять выдерживание во влажном режиме. Выдерживание в сухом режиме ведет к самовысушиванию и желаемый результат может быть и не достигнут. Так, в теплое время года, наше производство использует герметизацию поверхности упаковки пленкой.

Известно, что пуццолан более чувствителен к изменениям температуры, нежели портландцемент, и микрокремнезем - не исключение. При низких температурах пуццолановая реакция замедляется, а при высоких - ускоряется, причем в обоих случаях значительнее по сравнению с портландцементом. По количеству теплоты, выделяемой при гидратации, микрокремнезем находится между обычным портландцементом и портландцементом RHPC, хотя нарастание теплоты происходит медленнее. Для смесей эквивалентной прочности тепловыделение в целом будет меньше, поскольку общее содержание вяжущих материалов значительно снижено.

Щелочность

Доказано, что микрокремнезем оказывает существенное влияние на щелочность воды в порах цементного геля. Пуццолановая реакция, по-видимому, приводит к образованию геля с высоким содержанием кремнезема, связывающего щелочные металлы, и возможно, с высоким содержанием связанной воды. Уровень водородного показателя pH воды в порах бетона на обычном портландцементе равен 14. При добавлении даже умеренного количества микрокремнезема он очень быстро снижается до 13. При добавлении свыше 15% микрокремнезем в конечном счете забирает из воды в порах практически все ионы щелочных металлов, понижая уровень pH до 12,5. При добавлении около 25% микрокремнезем нейтрализует всю свободную известь, освобожденную силикатами портландцемента. При этом общий уровень pH бетона не снижается до того, что это оказывает неблагоприятное воздействие на инертность арматуры.

Проницаемость

Эффект заполнения пор, создаваемый пуццолановыми сферическими микрочастицами, способствует значительному уменьшению капиллярной пористости и проницаемости бетона. Фактически непроницаемый бетон можно получить при умеренном содержании микрокремнезема и сравнительно низком содержании обычного порландцемента. Поскольку микрокремнезем оказывает большее влияние на проницаемость, чем на прочность, бетон с содержанием микрокремнезема всегда будет гораздо менее проницаемым, чем бетон эквивалентной прочности на обычном портландцементе.

Морозостойкость

Низкая проницаемость и повышенная плотность цементного камня обеспечивает прекрасную морозостойкость бетона с микрокремнеземом. По всей видимости, не существует теоретической несовместимости микрокремнезема с воздуховолекающими добавками, в действительности стабильная реологическая структура пластичного бетона с микрокремнеземом должна уменьшать потерю вовлеченного воздуха при транспортировке и вибрировании.

Химическое воздействие

Известно, что низкая проницаемость и низкое содержание свободной извести повышает устойчивость бетона к воздействию агрессивных химических веществ. Бетон с содержанием микрокремнезема обладает этими качествами и проявляет прекрасную устойчивость к воздействию целого ряда веществ. Долгосрочные полевые испытания в Норвегии показали, что по своей потенциальной устойчивости к сульфатам он равен сульфатостойкому портландцементу.

pandia.ru

Применение микрокремнезема на бетонных производствах

Применение микрокремнезема на бетонных производствах

В середине 80-х годов в мировой строительной практике появились бетоны с высокими эксплутационными свойствами. Для них характерно то, что высокая (55—80 МПа) и сверхвысокая (выше 80 МПа) прочность на сжатии, низкая проницаемость, повышенная коррозионная стойкость и долговечность достигаются с применением высокоподвижных бетонных смесей. Конструкциям и сооружениям, возведенным с их использованием, как правило, присущи яркие эстетические достоинства.

Что же является ключевым фактором технологии производства таких бетонов? Об этом вы узнаете, прочитав статью Сергея Холина.

Ключевым фактором технологии производства таких бетонов являлось комплексное использование высокоактивной минеральной добавки — микрокремнезем.

Микрокремнезем (МК) образуется в процессе выплавки ферросилиция и его сплавов. После окисления и конденсации некоторая часть моноокиси кремния образует чрезвычайно мелкий продукт в виде шарообразных частиц с высоким содержанием аморфного кремнезема.

МК активно используется в производстве сухих строительных смесей, бетона, пенобетона, цемента, керамик, облицовочных плит, черепицы, огнеупорных масс, резины. Применяется в мостостроении, дорожном строительстве, при возведении жилых и производственных объектов, плотин и дамб, буровых платформ и скважин, коллекторных трасс.

Популярность МК объясняется его уникальной способностью позитивно влиять на свойства строительных материалов, улучшая их качественные характеристики: прочность, морозоустойчивость, проницаемость, химическую стойкость, сульфатостойкость, износостойкость и др., что позволяет им продолжительное время техногенным воздействиям. МК — высокореакционный пуццолан, вызывающий эффект упрочнения твердеющей системы. Он связывает известь из раствора интенсивнее чем другие минеральные добавки: цеолитовый туф, доменный и котельный шлак.

Использование микрокремнезема позволяет получать из рядовых материалов бетоны с высокими эксплуатационными характеристиками и уникальными конструкционными возможностями:

  • Стойкость к истиранию

  • Уменьшенный до 200—450 кг/м3 расход цемента

  • Высокая прочность (прочность на сжатие 60—80 МПа) и сверхвысокопрочные (прочность на сжатие выше 80 МПа) бетоны, в т. ч. мелкозернистые

  • Бетоны с высокой ранней прочностью при твердении в нормальных условиях (25—40 МПа в 1 сут)

  • Высокоподвижные (ОК=22—24 см) бетонные смеси повышенной связности — нерасслаиваемости

  • Повышенная антикоррозионная стойкость. Добавление МК снижает водопроницаемость на 50%, повышает сульфатостойкость на 100%

  • Низкая проницаемость для воды и газов W12-W16

  • Морозостойкость F200-F600 (до F1000 со специальными добавками)

  • Повышенная долговечность (стойкость к сульфатной и хлоридной агрессии, воздействию слабых кислот, морской воды, повышенной до 400 С температур и морозостойкости).

Использование микрокремнезема в сборном бетоне позволяет уменьшить сечения некоторых элементов, облегчая их транспортировку и монтаж. МК обеспечивает более длительную жизнеспособность жидких растворов, облегчает перекачивание смеси, придает коррозионную стойкость. При использовании МК достигаются наивысшие характеристики высокопрочного бетона, легкого бетона, торкретбетона и бетона с пониженной водопроницаемостью.

Химический состав:

Химический состав МК %:

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

Na2O

K2O

C

S

90—92

0,68

0,69

0,85

1,01

0,61

1,23

0,98

0,26

Значение показателя pH водной суспензии МК состовляет в среднем —  7,74.

Насыпной вес Угол естественного откоса

в неуплотненном состоянии: 0,17—0,20 т/м3.750-800

в уплотненном состоянии: 0,40—0,70 т/м3.250-300

Свойства: Тонкость МК можно проилюстрировать сравнением с другими порошкообразными материалами:

  • микрокремнезем — 140 000 — 300 000 см2/г,

  • золы уноса — 4 000 — 7 000 см2/г,

  • портландцемент — 3 000 — 4 000 см2/г.

Удельная поверхность по воздухопроницаемости состовляет 10 — 25 тыс. см2/г, сто в 3 — 10 раз превышает аналогичный показатель для цемента.

Технические характеристики.

Экономия цемента, высокая пластичность.

Введение добавки МК в портландцемент от 10 до 30% от массы цемента увеличивает водопотребность вяжущего по нормальной густоте с 25 до 29%. При этом для равнопластичных бетонных смесей (ОК=Const) сокращается расход цемента до 30%, тогда как такое же количество МК в бетонной смеси того же состава, но при постоянном расходе цемента увеличивает пластичность по ОК в 4 раза (рис. 1). Поэтому по механизму действия и его разжижающего эффекта ультрадисперсный МК следует отнести к добавкам класса суперпластификаторов. Допустимая область применения бетонов с МК при его дозировках до 30% Ц в составе бетона — все бетонные и железобетонные конструкции сооружений жилищно-гражданского и промышленного строительства, включая системы питьевого водоснабжения. Применение МК в массовом строительстве также позволяет экономить до 40% цемента без ухудшения характеристик бетона и сокращать расход тепловой энергии при ТВО изделий.

Высокая прочность.

Как и все пуццолановые материалы, микрокремнезем вступает в реакцию с гидроокисью кальция Ca(OH)2, освобождаемой при гидратации портландцемента для образования вяжущих соединений. Очень высокая чистота и мелкость МК способствует более эффективной и быстрой реакции. При надлежащем рассеивании тысячи реактивных сферических микрочастиц окружают каждое зерно цемента, уплотняя цементный раствор, заполняя пустоты прочными продуктами гидратации и улучшая сцепление с заполнителями. Степень пуццолановой активности зависит от содержания реактивного кремнезема, но на практике между двумя видами материала с высоким содержанием кремнезема существует довольно незначительное различие.

МК может обеспечить прочность на сжатие, намного превышающую прочность обычных бетонов, и здесь ограничивающим фактором является только прочность заполнителя. При использовании природных заполнителей достигается прочность свыше 150 N/mm2, а при использовании специальных высокопрочных заполнителей можно достичь прочности 300 N/mm2.

Опыт других стран, недавно получивший подтверждение в Великобритании, показал, что 1 кг МК может обеспечивать такую же прочность, как 3—5 кг обычного портландцемента, в смесях одинаковой удобообрабатываемости при умеренном содержании МК и цемента в обеих смесях. На эту вяжущую эффективность или К-фактор оказывает влияние содержание обоих материалов, но при содержании обычного портландцемента 200—300 кг/м3 и МК — менее 10%, значение К-фактора может составлять около 4.

При добавлении МК в количестве до 30% в сочетании с суперпластификатором можно получить смеси с отношением вода/вяжущее ниже 0,3. Такие бетоны могут достигать очень высокой ранней прочности и они нашли широкое применение там, где осуществляется выдерживание во влажном режиме.

По количеству теплоты, выделяемой при гидратации, МК находится между обычным портландцементом и портландцементом RHPC, хотя нарастание теплоты происходит медленнее. Для смесей эквивалентной прочности тепловыделение в целом будет меньше, поскольку общее содержание вяжущих материалов значительно снижено.

Раннее твердение, коррозионная стойкость

Гидравлическая активность МК по показателю пуццоланизации в структуре цементной матрицы более чем в 1,5 раза выше минеральной добавки трепела. Эффективность действия МК весьма показательна для обеспечения повышенной стойкости цементных бетонов в агрессивных средах. По количеству содержания химически связанной воды и степени гидратации портландцемента добавка МК резко ускоряет процесс гидратации на ранней стадии твердения до 7 суток. При В/Ц=Const цементный камень в возрасте 7 суток характеризуется степенью гидратации цемента без добавки по возрасту 28 суток. В этом же соответствии изменяется прочность бетона в два раза как при нормально-влажном твердении, так и при тепловлажностном с температурой 600С (рис. 2).

В Норвегии и Швеции исследования бетонных конструкций в возрасте до 12 лет показали, что высококачественные бетоны с содержанием МК обладают не меньшей устойчивостью к карбонизации, чем бетоны такой же прочности на обычном портландцементе, и гораздо лучше предотвращают проникновение хлоридов из морской воды.

Проведена масса лабораторных измерений коррозии арматуры. Можно с уверенностью сказать, что при условии надлежащего выдерживания, способность бетона с МК защищать стальную арматуру не будет существенно отличаться по сравнению с бетоном той же прочности на обычном портландцементе.

Водонепроницаемость

Эффект заполнения пор, создаваемый пуццолановыми сферическими микрочастицами, способствует значительному уменьшению капиллярной пористости и проницаемости бетона. Фактически непроницаемый бетон можно получить при умеренном содержании МК и сравнительно низком содержании обычного портландцемента. Поскольку МК оказывает большее влияние на проницаемость, чем на прочность, бетон с содержанием МК всегда будет гораздо менее проницаемым, чем бетон эквивалентной прочности на обычном портландцементе.

Весьма интересны данные по водонепроницаемости модифицированного цементного раствора как мезоструктуры бетона с добавкой МК до 20% Ц. Марка по водонепроницаемости такого бетона обеспечивается значением W=16.

Трещиностойкость

МК обеспечивает трещиностойкость бетона по показателю Кmp=Rизг/Rcж. Эти данные представлены в табл. И на рис. 3.

Влияние добавки МК на трещиностойкость мелкозернистого бетона состава 1:2. Возраст 28 суток

П/п

Количество добавки МК, % Ц

Прочность, МПа

Коэффициент трещиностойкости, Кmp=Rизг/Rсж

Изгиб

Сжатие

0

6,8

38,9

0,175

5

6,5

39,4

0,165

10

7,6

42,7

0,178

15

11,5

58,0

0,21

15 )

18,4

89,0

0,21

Примечание: возраст бетона 90 суток, при нормально-влажностном твердении.

Из этих данных следует:

1. Введение добавки МК в количестве 15% Ц повышает трещиностойкость бетона в 28 суток в 1,5 раза.

2. С увеличением срока твердения бетона до 90 суток показатель трещиностойкости не изменяется, хотя прочность при изгибе и сжатии существенно увеличивается (см. табл.).

Морозостойкость

Низкая проницаемость и повышенная плотность цементного камня обеспечивает прекрасную морозостойкость бетона с МК. Не существует несовместимости МК с воздухововлекающими добавками, в действительности стабильная реологическая структура пластичного бетона с МК должна уменьшать потерю вовлеченного воздуха при транспортировке и вибрировании.

Повышенная долговечность

Известно, что низкая проницаемость и низкое содержание свободной извести повышает устойчивость бетона к воздействию агрессивных химических веществ. Бетон с содержанием микрокремнезема обладает этими качествами и проявляет прекрасную устойчивость к воздействию целого ряда веществ. Долгосрочные полевые испытания показали, что по своей потенциальной устойчивости к сульфатам он равен сульфатостойкому портландцементу.

Заключение

Таким образом, следует отметить универсальность добавки МК как дисперсии, влияющей на тиксотропные свойства системы, через изменение протяженности структурных элементов -цепочек и их перехода при контактных взаимодействиях в пространственные каркасные ячейки. Это условие соответствует минимальным значениям межфазного натяжения при максимальном развитии граничных поверхностей, что предполагает существование большого числа точечных коагуляционных контактов вплоть до создания предельно наполненной системы, в которой коллективный переход к сцеплению в ближнем порядке вызывает резкое упрочнение. Такой этап гидратообразования с коллоидацией кремнеземных частиц, за счет которых формируются пространственные упаковки, приводит к самоармированию твердеющей цементной системы композита. Локализация дисперсных частиц и энергетика межчастичных связей -надежная гарантия от коррозионного и эрозионного старения бетона, развития его усадочных деформаций, повышение его прочности и трещиностойкости, а также водонепроницаемости. В целом добавка МК является высокоэффективным модификатором структуры бетона как композиционного материала, полученного на основе наукоемкой технологии.

allbeton.ru

Применение микрокремнезема

Использование таких минеральных добавок делает бетон стройматериалом, пригодным для изготовления бетонных и железобетонных конструкций, включая системы водоснабжения и канализации. Высокоактивные микрокремнеземные минеральные добавки включают в свой состав такие элементы, как оксиды кремния, железа, алюминия, кальция, калия, магния, серы и углерода.

Преимущества микрокремнезема. Существенное повышение уровня прочности готовых строительных конструкций за счет интеграции микрокремнезема в состав пескобетона. В результате обеспечивается необходимый уровень прочности на сжатие и разлом. Большая непроницаемость. Это качество пескобетонов и прочих цементосодержащих смесей достигается за счет умеренной интеграции микрокремнезема. В результате поры в толще бетона оказываются заполненными микрочастицами минеральной добавки. Это свойство способствует снижению проницаемости, а, следовательно, и капиллярной пористости бетона.

Коррозийная устойчивость. Бетонные конструкции, содержащие микрокремнезём, более устойчивы к карбонизации и в отличие от традиционных портландцементов эффективнее препятствуют проникновению хлоридов в толщу железобетонных конструкций, в результате чего предотвращается коррозия металла.

Морозостойкость. Бетоны, содержащие микрокремнезем, менее проницаемы, а потому отличаются большей плотностью, что обеспечивает оптимальные показатели морозостойкости.

Устойчивость к агрессивному воздействию химических веществ. Бетон, содержащий микрокремнеземы, устойчив к воздействию сульфатов и прочих ядовитых и агрессивных соединений. Эта характеристика обеспечивается за счет малого содержания свободной извести и из-за низкого уровня проницаемости бетонных изделий.

Более экономное использование. Применение микрокремнезема в качестве бетонных добавок способствует экономии цемента в среднем на 40%, без снижения прочностных характеристик готового изделия. Более того, за счет применения таких добавок регистрируется существенное сокращение затрат, сопряжённых с расходом тепловой энергии в процессе тепло-влажной обработки поверхности бетонных изделий. Производство микрокремнезема, используемого в качестве минеральной добавки, предусматривает высокотемпературную обработку кремнеземсодержащего исходного материала, связанную с возгонкой оксида кремния. В процессе постепенного охлаждения происходит конденсация возгонки, в результате чего происходит образование мелкодисперсного коллоидообразного материала. Как правило, готовый к применению микрокремнезема имеет размер частиц не более 1 мкм. Микрокремнезем, используемый в качестве минеральных добавок, представляет собой шарообразные частицы чрезвычайно малого размера (в 100 раз меньше размеров частиц портландцемента). Повышенная химическая активность микрокремнезема в условиях водной среды достигается за счет большого содержания оксида кремния. Применение микрокремнезема в качестве минеральной добавки в пескобетон и прочие цементосодержащие смеси предусматривает уплотнение цементного раствора за счет заполнения микропустот особо прочными продуктами гидратации. Опытным путем доказано то, что уплотнение цементосодержащей массы посредством применения микрокремнезема происходит намного эффективнее, чем в случае применения других добавок, таких, например, как доменный шлак и цеолитовый туф. Технологическое применение микрокремнезема в качестве добавок в пескобетон. Технологическое применение микрокремнезема в качестве минеральной добавки в пескобетон предполагает эффективное дозирование и подачу непосредственно в цементосодержащую смесь. Технологическое применение в этом случае предусматривает два способа, а именно: применение микрокремнезема в качестве сухой добавки или водной суспензии. Сухой вариант технологического применения предполагает внедрение микрокремнезема в состав бетона в сочетании с суперпластификаторами. Жидкий вариант предусматривает применение микрокремнезема в качестве суспензий на водной основе. Микрокремнезем добавляется в соотношении количества цемента в пескоцементной смеси и составляет 7-14% к массовой доле цемента. Приготовление суспензии микрокремнезема на водной основе предусматривает смешивание микрокремнезема с водой и стабилизирующими компонентами. Пропорции для приготовления суспензии включают 40-70 % микрокремнезема, 20-50% водной среды, в сочетании со стабилизатором. Производство суспензии предполагает качественное и долгосрочное перемешивание смеси до однородной консистенции. Другой способ приготовления суспензии для последующего внедрения в цементосодержащие смеси основывается на применении стабилизатора серной, соляной или уксусной кислоты. Как и в ранее описанном способе, происходит длительное равномерное смещение микрокремнезема 70-75% с водной средой и стабилизатором. Микрокремнеземы не всегда применялись в качестве добавок в пескобетон для придания ему оптимальных эксплуатационных и физико-химических характеристик. На начальных порах микрокремнезем предполагалось использовать в качестве более доступной альтернативы более дорогим портландцементам. Но проведение определённого количества исследований подтвердило целесообразность применения этого элемента в качестве минеральной добавки. В данный момент развитие строительных технологий стало причиной появления более, чем десяти технологических норм и стандартов, способствующих более эффективному использованию микрокремнезема в составе бетонов и цементосодержащих смесей. Микрокремнезем, готовый к внедрению в цементосодержащие смеси, может поставляться в разных формах.

• Микрокремнезем неуплотненный.

Плотность такого материала в среднем не превышает 350 кг/м³. Как правило, это мелкий порошок с крайне малым удельным весом, предназначенный для использования при производстве строительных цементных растворов и сухих фасованных смесей.

• Микрокремнезем уплотненный.

Для увеличения плотности в среднем до 600 кг/м³ данный материал подвергается специальной обработке. Консистенция материала не является пылеобразной в отличие от неуплотненного микрокремнезема. Мелкие гранулы уплотнённого микрокремнезема обеспечивают дополнительную простоту и удобство при использовании таких добавок в составе железобетонных и бетонных смесей.

• Микрокремнезем гранулированный.

Плотность этого материала в среднем не превышает 1000 кг/м³. Обработка гранулированного микрокремнезема предусматривает добавление ограниченного количества водной среды, что способствует образованию твердого агломерата. Применение гранулированного микрокремнезема обусловлено совместным измельчением с частицами цемента вплоть до образования одноконсистентной смеси.

• Водная суспензия.

Определенные способы внедрения микрокремнезема в состав цементосодержащих смесей предусматривают использование водных суспензий. Материал в составе водной суспензии имеет удельный вес, не превышающий 1.4, что способствует удобству и простоте его применения. Максимальное качество и наилучшие характеристики суспензии возможны только лишь в случае производства непосредственно вблизи участка, на котором производился сбор микрокремнезема. В ближневосточном регионе производство суспензии осуществляется именно таким образом. Но в случае делительного хранения или транспортировки на дальние расстояния, частицы микрокремнезема постепенно осаждаются. Таким образом, можно заключить, что водная суспензия, несмотря на кажущуюся эффективность, не обладает должной универсальностью, и может быть применена не в каждом случае. Впрочем, на современном этапе развития строительных технологий разрабатываются водные суспензии со стабилизированным составом, что, в свою очередь, исключает вероятность оседания частиц микрокремнезема.

Допустимая область применения бетонов с микрокремнеземом (при его дозировках в пределах 20% от массы цемента)

• все бетонные и железобетонные конструкции сооружений жилищно-гражданского и промышленного строительства, включая системы питьевого водоснабжения. Химический состав SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O C S 90-92% 0,68% 0,69% 0,85% 1,01% 0,61% 1,23% 0,98% 0,26%

Физические свойства

Размер частиц < 1мкм

Плотность

(неуплотненный) от 130 до 350 кг/м3 (уплотненный) от 480 до 720 кг/м3 (суспензия) от1320 до 1440 кг/м3

SiO2

www.mk-mineral.ru

Применение микрокремнезема на бетонных производствах

В середине 80-х годов в мировой строительной практике появились бетоны с высокими эксплутационными свойствами. Для них характерно то, что высокая (55–80 МПа) и сверхвысокая (выше 80 МПа) прочность на сжатии, низкая проницаемость, повышенная коррозионная стойкость и долговечность достигаются при применении высокоподвижных бетонных смесей, а конструкциям и сооружениям, возведенным с их использованием, как правило, присущи яркие эстетические достоинства. Ключевым фактором технологии производства таких бетонов являлось комплексное использование высокоактивной минеральной добавки – микрокремнезема.

Микрокремнезем (далее – МК) образуется в процессе выплавки ферросилиция и его сплавов. После окисления и конденсации некоторая часть моноокиси кремния образует чрезвычайно мелкий продукт в виде шарообразных частиц с высоким содержанием аморфного кремнезема. МК активно используется в производстве сухих строительных смесей, бетона, пенобетона. Также с его помощью производят цемент, керамику, облицовочные плиты, черепицу, огнеупорные массы, резину. Он применяется в мостостроении, дорожном строительстве, при возведении жилых и производственных объектов, плотин и дамб, буровых платформ и скважин, коллекторных трасс.

Популярность МК объясняется его уникальной способностью позитивно влиять на свойства строительных материалов, улучшая их качественные характеристики: прочность, морозоустойчивость, проницаемость, химическую стойкость, сульфатостойкость, износостойкость и др., что позволяет им продолжительное время техногенным воздействиям. МК – высокореакционный пуццолан, вызывающий эффект упрочнения твердеющей системы. Он связывает известь из раствора интенсивнее, чем другие минеральные добавки – цеолитовый туф, доменный и котельный шлак.

Использование микрокремнезема позволяет получать из рядовых материалов бетон с высокими эксплуатационными характеристиками и уникальными конструкционными возможностями:

  • стойкость к истиранию;
  • уменьшенный до 200–450 кг/м3 расход цемента;
  • высокая прочность (прочность на сжатие – 60–80 МПа) и сверхвысокопрочные (прочность на сжатие v выше 80 МПа) бетоны, в т. ч. мелкозернистые;
  • бетоны с высокой ранней прочностью при твердении в нормальных условиях (25–40 МПа в 1 сут.);
  • высокоподвижные (ОК = 22–24 см) бетонные смеси повышенной связности – нерасслаиваемости;
  • повышенная антикоррозионная стойкость. Добавление МК снижает водопроницаемость на 50%, повышает сульфатостойкость на 100%;
  • низкая проницаемость для воды и газов W12–W16;
  • морозостойкость F200–F600 (до F1000 со специальными добавками);
  • повышенная долговечность (стойкость к сульфатной и хлоридной агрессии, воздействию слабых кислот, морской воды, повышенной до 400 °С температур и морозостойкости).

Использование микрокремнезема в сборном бетоне позволяет уменьшить сечения некоторых элементов, облегчая их транспортировку и монтаж. МК обеспечивает более длительную жизнеспособность жидких растворов, облегчает перекачивание смеси, придает коррозионную стойкость. При использовании МК достигаются наивысшие характеристики высокопрочного бетона, легкого бетона, торкретбетона и бетона с пониженной водопроницаемостью.

См. табл. 1.

Значение показателя pH водной суспензии МК составляет в среднем – 7,74. Насыпной вес: 0,17–0,20 т/м3 в неуплотненном состоянии, 0,40–0,70 т/м3 в уплотненном состоянии. Угол естественного откоса: 75–80 °С в неуплотненном состоянии; 25–30 °С в уплотненном состоянии.

Тонкость МК можно проиллюстрировать сравнением с другими порошкообразными материалами:

  • микрокремнезем – 140 000–300 000 см2/г;
  • золы уноса – 4 000–7 000 см2/г,
  • портландцемент – 3 000–4 000 см2/г.

Удельная поверхность по воздухопроницаемости составляет 10–25 тыс. см2/г, что в 3–10 раз превышает аналогичный показатель для цемента.

Введение добавки МК в портландцемент от 10 до 30% от массы цемента увеличивает водопотребность вяжущего по нормальной густоте с 25 до 29%. При этом для равнопластичных бетонных смесей (ОК=Const) сокращается расход цемента до 30%, тогда как такое же количество МК в бетонной смеси того же состава, но при постоянном расходе цемента – увеличивает пластичность по ОК в 4 раза (рис.1). Поэтому по механизму действия и его разжижающего эффекта ультрадисперсный МК следует отнести к добавкам класса суперпластификаторов. Допустимая область применения бетонов с МК при его дозировках до 30% Ц в составе бетона – все бетонные и железобетонные конструкции сооружений жилищно-гражданского и промышленного строительства, включая системы питьевого водоснабжения.

Применение МК в массовом строительстве также позволяет экономить до 40% цемента без ухудшения характеристик бетона и сокращать расход тепловой энергии при ТВО изделий.

Как и все пуццолановые материалы, микрокремнезем вступает в реакцию с гидроокисью кальция Ca(OH)2, освобождаемой при гидратации портландцемента для образования вяжущих соединений. Очень высокая чистота и мелкость МК способствует более эффективной и быстрой реакции. При надлежащем рассеивании тысячи реактивных сферических микрочастиц окружают каждое зерно цемента, уплотняя цементный раствор, заполняя пустоты прочными продуктами гидратации и улучшая сцепление с заполнителями. Степень пуццолановой активности зависит от содержания реактивного кремнезема, но на практике между двумя видами материала с высоким содержанием кремнезема существует довольно незначительное различие. МК может обеспечить прочность на сжатие, намного превышающую прочность обычных бетонов, и здесь ограничивающим фактором является только прочность заполнителя. При использовании природных заполнителей достигается прочность свыше 150 N/mm2, а при использовании специальных высокопрочных заполнителей можно достичь прочности 300 N/mm2.

Опыт других стран, недавно получивший подтверждение в Великобритании, показал, что 1 кг МК может обеспечивать такую же прочность, как 3–5 кг обычного портландцемента, в смесях одинаковой удобообрабатываемости при умеренном содержании МК и цемента в обеих смесях. На эту вяжущую эффективность, или К–фактор, оказывает влияние содержание обоих материалов, но при содержании обычного портландцемента 200–300 кг/м3 и МК – менее 10%, значение К–фактора может составлять около 4.

При добавлении МК в количестве до 30% в сочетании с суперпластификатором можно получить смеси с отношением «вода/вяжущее» ниже 0,3. Такие бетоны могут достигать очень высокой ранней прочности. Они нашли широкое применение там, где осуществляется выдерживание во влажном режиме.

По количеству теплоты, выделяемой при гидратации, МК находится между обычным портландцементом и портландцементом RHPC, хотя нарастание теплоты происходит медленнее. Для смесей эквивалентной прочности тепловыделение в целом будет меньше, поскольку общее содержание вяжущих материалов значительно снижено.

Гидравлическая активность МК по показателю пуццоланизации в структуре цементной матрицы более чем в 1,5 раза выше минеральной добавки трепела. Эффективность действия МК весьма показательна для обеспечения повышенной стойкости цементных бетонов в агрессивных средах. По количеству содержания химически связанной воды и степени гидратации портландцемента добавка МК резко ускоряет процесс гидратации на ранней стадии твердения до 7 суток. При В/Ц = Const цементный камень в возрасте 7 суток характеризуется степенью гидратации цемента без добавки по возрасту 28 суток. В этом же соответствии изменяется прочность бетона в два раза как при нормально-влажном твердении, так и при тепловлажностном с температурой 600 °С (рис.2).

В Норвегии и Швеции исследования бетонных конструкций в возрасте до 12 лет показали, что высококачественные бетоны с содержанием МК обладают не меньшей устойчивостью к карбонизации, чем бетоны такой же прочности на обычном портландцементе, и гораздо лучше предотвращают проникновение хлоридов из морской воды. Проведена масса лабораторных измерений коррозии арматуры. Можно с уверенностью сказать, что при условии надлежащего выдерживания, способность бетона с МК защищать стальную арматуру не будет существенно отличаться по сравнению с бетоном той же прочности на обычном портландцементе.

Эффект заполнения пор, создаваемый пуццолановыми сферическими микрочастицами, способствует значительному уменьшению капиллярной пористости и проницаемости бетона. Фактически непроницаемый бетон можно получить при умеренном содержании МК и сравнительно низком содержании обычного портландцемента. Поскольку МК оказывает большее влияние на проницаемость, чем на прочность, бетон с содержанием МК всегда будет гораздо менее проницаемым, чем бетон эквивалентной прочности на обычном портландцементе.

Весьма интересны данные по водонепроницаемости модифицированного цементного раствора как мезоструктуры бетона с добавкой МК до 20% Ц. Марка по водонепроницаемости такого бетона обеспечивается значением W=16.

МК обеспечивает трещиностойкость бетона по показателю Кmp=Rизг/Rсж. Эти данные представлены в табл. 2 и на рис.3.

Из этих данных следует:

  1. Введение добавки МК в количестве 15% Ц повышает трещиностойкость бетона в 28 суток в 1,5 раза.
  2. С увеличением срока твердения бетона до 90 суток показатель трещиностойкости не изменяется, хотя прочность при изгибе и сжатии существенно увеличивается (см. табл. 2).

Низкая проницаемость и повышенная плотность цементного камня обеспечивает прекрасную морозостойкость бетона с МК. Не существует несовместимости МК с воздухововлекающими добавками, в действительности стабильная реологическая структура пластичного бетона с МК должна уменьшать потерю вовлеченного воздуха при транспортировке и вибрировании.

Известно, что низкая проницаемость и низкое содержание свободной извести повышает устойчивость бетона к воздействию агрессивных химических веществ. Бетон с содержанием микрокремнезема обладает этими качествами и проявляет прекрасную устойчивость к воздействию целого ряда веществ. Долгосрочные полевые испытания показали, что по своей потенциальной устойчивости к сульфатам он равен сульфатостойкому портландцементу.

Таким образом, следует отметить универсальность добавки МК как дисперсии, влияющей на тиксотропные свойства системы, через изменение протяженности структурных элементов – цепочек и их перехода при контактных взаимодействиях в пространственные каркасные ячейки. Это условие соответствует минимальным значениям межфазного натяжения при максимальном развитии граничных поверхностей, что предполагает существование большого числа точечных коагуляционных контактов вплоть до создания предельно наполненной системы, в которой коллективный переход к сцеплению в ближнем порядке вызывает резкое упрочнение. Такой этап гидратообразования с коллоидацией кремнеземных частиц, за счет которых формируются пространственные упаковки, приводит к самоармированию твердеющей цементной системы композита. Локализация дисперсных частиц и энергетика межчастичных связей – надежная гарантия от коррозионного и эрозионного старения бетона и развития его усадочных деформаций. Наоборот, она повышает его прочность и трещиностойкость, а также водонепроницаемость. В целом добавка МК является высокоэффективным модификатором структуры бетона как композиционного материала, полученного на основе наукоемкой технологии.

library.stroit.ru

Микрокремнезем и метакаолин - что лучше в бетон для декора в саду

Категория: Работа с бетоном

Многие знают, что микрокремнезем и метакаолин часто применяется строителями при возведении высокопрочных бетонных конструкций. А у самоделкиных?

Сегодня поговорим о возможности использования микрокремнезема и метакаолина в работах с бетоном на приусадебном участке при изготовлении различного декора из искусственного камня.

С О Д Е Р Ж А Н И Е

  1.  Краткое описание и сравнение микрокремнезема и метакаолина.
  2.  Микрокремнезем и метакаолин в бетонных работах для декора сада.
  3.  Недостатки и особенности в работах с активными добавками в бетон.

Краткое описание и сравнение микрокремнезема и метакаолина

Микрокремнезем и метакаолин являются активными пуццолановыми добавками в бетон.

Улучшение свойств бетона осуществляется за счет их реакции с известью, которая выделяется цементом при его взаимодействии с водой.

При этом в растворе образуются нерастворимые в ней соединения.

Микрокремнезем в отличие от метакаолина является отходом производства кремнесодержащих элементов.

Метакаолин – это экологичный материал. Он производится из чистых каолинов.

Микрокремнезем более нестабилен по своим свойствам: по цвету (оттенки серого), по активности, по водопотребности.

Метакаолин в этом отношении имеет лучшие характеристики. У него цвет более светлый и в зависимости от места производства может быть белым, розовым или серо-белым.

Активность кремнеземов определяется количеством извести (в мг), нейтрализуемой 1г добавки.

Так у микрокремнезема она составляет примерно 400 мг, а у метакаолина – около 1000 мг.

Из этого следует, что дозировка метакаолина может быть уменьшина примерно в 2 раза по сравнению с микрокремнеземом.

Размеры частиц микрокремнезема очень маленькие (0,01 …0,1 мкм) и имеют сферическую форму.

У метакаолина они пластинчатые и размер в пределах 1…5 мкм.

За счет такой формы у метакаолина значительно выше удельная поверхность и соответственно его активность. В среднем она составляет 12…13 тыс. см2/г.

Для сравнения можно привести значения удельной поверхности некоторых составляющих бетонной смеси. У тонкомолотого цемента (высоких марок) – 4500 см2/г, у доломитовой муки – 2900 см2/г, у молотого кварцевого песка – 1000 см2/г.

Значение и влияние этого параметра на свойства бетона были изложены ранее на страницах kamsaddeco.com в статье “Различные составы сухих строительных смесей“.

При серийном производстве бетона применение более дорогого метакаолина по сравнению с микрокремнеземом оправдано за счет меньшей его дозировки.

Несколько другой подход к выбору активной добавки имеет место при работах, связанных с производством единичных изделий на приусадебном участке. И об этом в следующем разделе статьи.

Микрокремнезем и метакаолин в бетонных работах для декора сада

При изготовлении бетонных конструкций на загородном участке таких, как искусственные скалы, скульптуры, фигуры животных и т.д., необходимо иметь раствор более липкий по сравнению с тем, который используется при домостроении или производстве бетонных плиток.

При строительстве фундаментов и полов важным параметром является текучесть бетонной смеси. Высокое ее значение позволяет ускорить и упростить работы. Этим руководствуются при выборе добавок в сочетании с применением суперпластификаторов.

В статье про изготовление дорожки вокруг бассейна и искусственной скалы около него для увеличения липкости раствора использовался сухой латекс или редиспергируемый порошок.

Но такое же влияние на раствор оказывает и микрокремнезем.

Этот эффект обусловлен очень маленьким размером его частиц (0,01…0,1 мкм).

В готовых сухих строительных смесях для того, чтобы уменьшить липкость раствора, добавляют дополнительные ингредиенты.

При работе в саду и самостоятельном приготовлении смеси эти добавки не используются.

Повышенная липкость раствора позволяет работать на вертикальных и поверхностях с отрицательным углом наклона.

Поскольку микрокремнезем имеет не стабильные параметры (так же как использование с большим числовым значением эфиров целлюлозы) самоделкиным необходимо подбирать дозировки в индивидуальном порядке. Но это в свою очередь позволяет получить уникальные свойства пластичного декоративного бетона.

Недостатки и особенности в работах с активными добавками в бетон

Кроме большого количества положительных свойств у микрокремнезема и метакаолина есть ряд моментов, которые необходимо учитывать при работе с этими добавками.

  1.  При недостатке цемента в бетонной смеси микрокремнезем и метакаолин превращаются из активных составляющих в инертные и снижают прочность бетона. Это происходит примерно так же, как при передозировке железоокисного пигмента.
  2.  При применении активных добавок необходимо использовать высокоскоростной смеситель для более равномерного распределения добавки в растворе. Вопрос какой смеситель выбрать и как его использовать, рассматривался в соответствующей статье.
  3.  Если использовать микрокремнезем и метакаолин для получения мелкозернистого бетона с высокой текучестью (с целью ухода от вибрирования), необходимо вводить в смесь высокоэффективные пластификаторы.

Всем удачи в вашем творчестве и до новых встреч на страницах kamsaddeco.com.

СТАТЬИ НА ТЕМУ

Тонкие плитки под кирпич

Химия прочного бетона для самоделкиных

Как сделать пустотелого ангела из цемента

Бетонные скульптуры в саду

Декоративные плитки из бетона

Нужно ли удалять высолы на бетоне

kamsaddeco.com

Микрокремнезем и его применение

Микрокремнезем — это ультрадисперсный материал, состоящий из частиц сферической формы, получаемый в результате производства кремнийсодержащих сплавов. Представляет собой микроскопические шарообразные частички аморфного кремнезема со средней удельной поверхностью около 20 кв. м/г. Эта высокоактивная минеральная добавка состоит из оксидов кремния, алюминия, железа, кальция, магния, калия, углерода и серы. По гранулометрическому составу средний размер частиц микрокремнезема составляет около 0,1 микрона, то есть в 100 раз меньше среднего размера зерна цемента. Область применения бетонов с микрокремнеземом: жилищно-гражданское и промышленное строительство, бетонные и железобетонные конструкции, включая системы питьевого водоснабжения. Также микрокремнезем широко применяется в производстве сухих строительных смесей, тампонажных смесях для нефтегазодобывающей промышленности, гидроизоляционных и асфальтобетонных покрытиях, при производстве жидкого стекла, огнеупорных и теплоизолирующих смесях, в производстве тротуарной и облицовочной плитки. Преимущества применения микрокремнезема Повышение прочности бетона Микрокремнезем обеспечивает прочность на сжатие, намного превышающую прочность обычных бетонов. Ограничивающим фактором здесь является только прочность заполнителя. Подробнее. Уменьшение проницаемости бетона Эффект заполнения пор, создаваемый пуццолановыми сферическими микрочастицами, способствует значительному уменьшению капиллярной пористости и проницаемости бетона. Непроницаемый бетон фактически можно получить при сравнительно низком содержании обыкновенного портландцемента и умеренном содержании микрокремнезема. Так как микрокремнезем больше оказывает влияние на проницаемость, чем на прочность, то бетон, который содержит микрокремнезема, будет менее проницаемым, чем бетон на обыкновенном портландцементе эквивалентной прочности. Защита арматуры Исследования бетонных конструкций в возрасте до 12 лет (Норвегия, Швеция) показали, что высококачественные растворы с содержанием микрокремнезема обладают большей устойчивостью к карбонизации, чем смеси такой же прочности на обычном портландцементе, и гораздо лучше предотвращают проникновение хлоридов из морской воды. Морозостойкость Низкая проницаемость и повышенная плотность цементного камня обеспечивают прекрасную морозостойкость бетона с микрокремнеземом. Теоретической несовместимости микрокремнезема с воздухововлекающими добавками нет, на самом деле реологическая стабильная структура бетона с микрокремнеземом призвана уменьшать потерю воздуха во время вибрирования и транспортировки. Снижение щелочности Было доказано, что микрокремнезем оказывает значительное влияние на щелочность воды, которая содержится в порах цементного геля. Реакция пуццолана приводит к образованию геля, который имеет высокое содержание кремнезема и связывает щелочные металлы с высоким содержанием воды. Уровень показателя водорода pH воды в бетонных порах на обыкновенном портландцементе равняется четырнадцати. При добавлении даже небольшого количества микрокремнезема, он быстро снизится до тринадцати. Во время добавления свыше пятнадцати процентов, микрокремнезем забирает из воды в бетонных порах почти все ионы щелочных металлов, при этом понижая уровень pH до двенадцати целых пяти десятых. При добавлении двадцати пяти процентов он нейтрализует всю известь, которая освобождена силикатами портландцемента. Химическое воздействие Известно, что низкая проницаемость и низкое содержание свободной извести повышает устойчивость бетона к воздействию агрессивных химических веществ. Бетон с содержанием микрокремнезема обладает этими качествами и проявляет устойчивость к воздействию целого ряда веществ. Долгосрочные полевые испытания показали, что по своей потенциальной устойчивости к сульфатам он равен сульфатостойкому портландцементу. Пластические свойства микрокремнезема Опыт проводимой работы показал, что смесь бетона, составленная правильно, содержит не менее трехсот кг/м3 портландцемента и не менее десяти процентов микрокремнезема, а также не отличается по водопотребности в сравнение с обыкновенными смесями с тем же содержанием вяжущих составляющих. Свежеприготовленная смесь бетона, на первый взгляд, кажется жесткой, но ее подавать насосом намного легче, а также отделывать и укладывать. Во время работы с микрокремнеземом наблюдалось повышение удобообрабатываемости после того, как его долго перемешивали или проводили через бетононасос. Мельчайшие частички микрокремнезема, когда рассеиваются по объёму, стабилизируют и уплотняют смесь, значительно при этом снижая расслоение и выступание воды. Если же смесь жирная, то это приведет к образованию трещин во время пластической усадки, так как вода, которая испаряется не заменяется с поверхности водой выступающей. Именно поэтому, в ветреную или жаркую погоду нужно уделять внимание выдерживанию и защите бетона. Экономическое обоснование применения микрокремнезема Применение микрокремнезема в массовом строительстве также позволяет экономить до 40% цемента без ухудшения характеристик бетона и сокращать расход тепловой энергии при тепловлажной обработке изделий. На практике 1кг микрокремнезема дает такой же эффект прочности, как и 4-5 кг обычного портландцемента. Улучшаются такие характеристики бетона, как прочность сцепления, прочность на сжатие, химическая стойкость, морозостойкость и износостойкость. Значительно снижается проницаемость. Все это увеличивает срок службы бетона. Основные показатели бетонов с использованием микрокремнезема — Стойкость к истираемости. — Уменьшенный до 200-450 кг/м3 расход цемента. — Повышенная антикоррозионная стойкость. Добавление микрокремнезема снижает водопроницаемость на 50% , повышает сульфатостойкость на 100%. — Низкая проницаемость для воды и газов W12-W16. — Морозостойкость F200-F600 (до F1000 со специальными добавками). — Повышенная долговечность (морозостойкость, стойкость к сульфатам и хлоридной агрессии, воздействию слабых кислот, морской воды и повышенной до 400 °С температуры). — Высокопрочные (прочность на сжатие 60-80 МПа) и сверхвысокопрочные (прочность на сжатие выше 80 МПа) бетоны, в т. ч. мелкозернистые. — Бетоны с высокой ранней прочностью при твердении в нормальных условиях (25-40 МПа в сутки). — Высокоподвижные (ОК=22-24 см) бетонные смеси повышенной

связности — нерасслаиваемости.

www.kazsilicon.kz


Смотрите также