И. М. КРАСНЫЙ, канд. техн. наук, О механизме повышения прочности бетона при введении микронаполнителя

Применение микронаполнителей (зол ТЭЦ, молотых минеральных материалов, диатомита и др.), позволяет экономить цемент. Тем не менее, в некоторых случаях эти добавки лишь повышают водопотребность бетонной cvecu, вследствие чего экономия цемента оказывается незначительной или вовсе отсутствует. Объясняется это недостаточной изученностью добавок непосредственно в бетонах и отсутствием четкого представления о механизме их действия.

Особый интерес представляют те случаи, когда при введении микронаполнителей повышается прочность бетона при одновременном росте водопотребности бетонной смеси и водоцементного отношения, что не согласуется с общими представлениями и законом водоцементиого фактора. Явление это в дальнейшем будем называть эффектом микронаполнителя.

Экспериментальные данные исследований приведены в табл. 1. В опытах использовали цемент Воскресенского завода марки 400; речной песок с МК 1,65 и 1,7; щебень гранитный с размером зерен 5...20 мм; золу Ступинской ТЭЦ (3i) с удельной поверхностью S=344 м2/кг и содержанием СаО 1,8%; золу Новосибирской ТЭЦ (Зг), S = 480 и7/кг, СаО 26,8%; диатомит Уренгойского месторождения (Д) и молотый песок Пм, S = = 400 м2/кг. Образцы с добавкой Пм, 3i и Зг твердели в нормальных условиях, а с добавкой Д — в тех же условиях после предварительного пропаривания. Определяли также объемную массу уплотненной смеси у, объем остаточного воздуха Ув и прочность при сжатии R, а также рассчитывали расход цемента и плотность упаковки зерен смеси d.

Из табл. 1 видно, что при добавке Пм и 3i в мелкозернистые бетоны (составы 1—7) и в бетон со щебнем (составы 15...17) в оптимальных количествах в сравнении с бетонами без добавок (эталонами) R возросло в 1,4... 1,8 раза. При этом В/Ц оставалось для каждого вида бетона постоянным. При добавке Зг и Д (составы 8...14) R возросло в 1,9—2,6 раза при одновременном значительном увеличении В/Ц.

Ранее [1] установлено, что при добавке Пм в автоклавные мелкозернистые бетоны в количествах, заведомо больших стехиометрических, R возрастает при неизменном В/Ц, что связано с одновременным повышением d. Однако такое объяснение недостаточно, поскольку оно не согласуется с данными табл. 1, где эффект микронаполнителя, например в составах 4—7 и 11 — 14 отмечается при значительном уменьшении d, вызванном увеличением водопотребности смеси. В составах 1—3 d несколько увеличивалась, но возрастало к Ув, что должно было бы снизить R.

Чаще всего положительное влияние микронаполнителя связывают с его гидравлической активностью. Однако и это объяснение не может быть принято, поскольку опыты свидетельствуют о том, что смесь извести с Пм состава 1:3 в нормальных условиях не твердеет, а С, золой 3i — обладает незначительное прочностью (1,1 МПа). Лишь при пропаривании образцов с добавкой Зг прочность их составила 13,2 МПа. Эта зола при испытании по методике испытания цемента имеет марку 100. Объяснить эффект микронаполнителя при добавке Зг си собственной активностью невозможно по причине значительного роста прочности (18,3-47,4 МПа).




Как известно, зависимость R— В/Ц отражает то обстоятельство, что с изменением В/Ц пропорционально изменяется и расстояние между зернами цемента б. Чем больше В/Ц и б, тем меньше концентрация кристаллогидратов и тем слабее контакт между зернами цемента, т. е. тем слабее цементный камень и бетой в целом.

При равных В/Ц в бетоне без добавки и с добавкой микронаполнителя равны и б (см. рисунок). При отсутствии эффекта микроиаполнителя были бы равны и прочности бетона. Увеличение R при добавлении микроиаполнителя и неизменном или возрастающем В/Ц объясняется тем, что наиболее мелкие его частицы, близкие по размеру к коллоидным, располагаясь между зернами цемента или вблизи них образуют новые центры кристаллизации, что ускоряет этот процесс и увеличивает прочность цементного камня и бетона.

Явление образования центров кристаллизации при введении посторонних частиц хорошо известно. Рост прочности бетона при введении микронаполнителя даже в тех случаях, когда возрастает В/Ц и б и снижается d, объясняется тем, что в двух противоположных по действию процессах (увеличение прочности контактной зоны цемента вследствие образования новых центров кристаллизации и уменьшения прочности из-за роста В/Ц и б) превалирует первый.

Решающая роль особо мелких частиц в повышении прочности бетона установлена в работе [2], в которой отмечалось увеличение прочности бетона в 1,2... 1,7 раза при введении всего 24 кг/м3 кремнеземистой пыли (отхода ферросилициевого производства) с высокой удельной поверхностью (2200 м2/кг). Основные данные этой работы приведены в табл. 2.

Дальнейшее выяснение механизма действия микроиаполнителя в бетоне и, в частности, проверка высказанного предположения о роли дополнительно образуемых им центров кристаллизации потребуют специальных микроскопических исследований, в которых одновременно можно будет изучить и роль структуры различных микронаполнителей, и их сравнительную эффективность в бетонах на цементах различного минералогического состава.

Выводы

При добавке в бетон микронаполнителя прочность его повышается в 1,5...2,5 раза и более при неизменном или даже возрастающем В/Ц и снижении плотности. Чем выше удельная поверхность микронаполнителя, тем он эффективнее и тем меньше его требуется для достижения наибольшего эффекта повышения прочности бетона или снижения расхода цемента.

В основе эффекта микронаполнителя лежит не только гидравлическая активность, но и образование наиболее мелкими его зернами (коллоидных размеров) центров кристаллизации в контактной зоне цемента, дополнительно повышающих прочность цементного камня и бетона.

Бетон и железобетон, 1987