Влияние минеральных добавок на свойства бетона

Введение минеральных добавок может оказать благоприятное влияние на многие свойства бетона. Это связано либо с физическим эффектом, который проявляется в том, что мелкие частицы обычно имеют более тонкий гранулометрический состав, чем портландцемент, либо с реакциями активных гидравлических составляющих. Минеральные добавки могут оказывать влияние на состав бетонной смеси, реологические свойства пластичного бетона, степень гидратации портландцемента, прочность и проницаемость затвердевшего бетона, сопротивление трещинообразованию при тепловой обработке, уменьшение воздействия различных щелочей на кремнезем, а также на сопротивление при сульфатной агрессии.
Состав бетонной смеси. Для заданной консистенции бетона снижение водопотребно-сти может привести к общему улучшению его технологических свойств. Гранулометрические характеристики крупных и мелких заполнителей и частиц цемента влияют на объем пустот и водопотребность бетонной смеси. Введение тонких частиц минеральных добавок, обычно имеющих размеры 1 — 20 мкм, должно усиливать влияние портландцементных зерен на снижение пористости в бетонной смеси, что снижает потребность в воде для получения бетона заданной консистенции . Было установлено, что замена 30 % цемента золой-уносом снижает водопотребность примерно на 7 % при постоянной осадке конуса. При использовании трех видов золы-уноса с различными размерами частиц было отмечено снижение водопотребности на 5—10 % в растворах равной консистенции при добавлении 33, 67 или 133 % золы-уноса от массы цемента.
Аналогичное использование гранулированного доменного шлака, размолотого до частиц различных размеров, удельная поверхность которых составляет от 508 до 608 м2/кг по Блейну, показывает, что снижение водопотребности, требуемой для стандартного расплыва, примерно на 6,4 % возможно для большого количества смесей портландцемента со шлаком, содержащих от 40 до 65 % шлака, замещающего цемент.
Не все минеральные добавки снижают водопотребность. Например, многие исследователи установили, что использование крупнозернистой золы-уноса или золы-уноса с высокими потерями при прокаливании (обычно 10 % или более) скорее увеличивает, чем снижает водопотребность. Теперь известно, что это происходит только в том случае, когда в золе-уносе присутствуют значительные количества ячеистых частиц кокса, обычно имеющих большой размер (100 мкм). Таким же образом некоторые виды высококальциевой золы-уноса могут содержать значительные количества С3А, что приводит к увеличению водопотребности из-за потери консистенции, вызванной быстрым образованием гидроалюмината кальция или гидросульфоалюмината. Для минеральных добавок, имеющих частицы чрезвычайно малых размеров или высокую площадь поверхности (белая сажа или зола рисовой шелухи), количество воды, требуемой для нормальной консистенции, увеличивается почти прямо пропорционально содержанию в массе цемента.
Реологические особенности бетонной смеси. Присутствие золы-уноса или молотого доменного шлака между частицами заполнителей помогает уменьшить отделение цементного молока. Значительное уменьшение количества каналов водоотделения в бетоне способствует снижению расслоения и улучшает его отделочные характеристики.
Очевидно, что при введении золы-уноса можно улучшить качество тощих бетонов или бетонов, изготавливаемых с заполнителями, имеющими недостаточное количество мелких фракций. Бетон без водоотделения, содержащий добавку белой сажи или золы рисовой шелухи, должен быть надлежащим образом защищен в условиях, способствующих образованию усадочных трещин в пластичной бетонной смеси.
Другое важное свойство пластичной бетонной массы — удобообрабатываемость — зависит главным образом от во-доудерживающей способности, контролируемой объемом теста в бетоне. Преимущество замены цемента в бетоне равным по массе количеством минеральных добавок с низкой плотностью состоит в конечном увеличении содержания теста. Например, можно подсчитать, что при равной массе объем золы-уноса плотностью 2,4 т/м3 превысит объем портландцемента примерно на 30%.
Изменение содержания золы-уноса в бетоне по данным прочности в возрасте 28 сут требует замены цемента в соотношении, большем, чем 1:1 по массе (дополнительная зола-унос, замещающая долю мелкого заполнителя). В связи с этим происходит даже большее увеличение содержания теста по отношению к содержанию заполнителей. Благодаря отличной водоудерживающей способности бетон с золой-уносом хорошо перекачивается насосами.
Влияние минеральных добавок на портландцемент обычно проявляется в замедлении его схватывания. Это особенно относится к низкокальциевой золе-уносу с высоким содержанием углерода.
Высококальциевые золы обычно имеют низкое содержание углерода и высокое содержание реакционноспособных составляющих (как кристаллических, так и некристаллических) и иногда ведут себя противоположным образом. Однако не все виды высококальциевой золы-уноса ускоряют схватывание. Исследование трех видов высококальциевой и двух видов низкокальциевой золы-уноса показало, что все они замедляют начала схватывания на 2 ч или больше и конец схватывания, по крайней мере, на 5 ч . Поэтому необходимо, чтобы перед использованием неизвестных видов золы-уноса было изучено влияние данной золы-уноса на сроки схватывания бетона, для чего следует обеспечить соответствующий контроль с применением регуляторов схватывания, если это потребуется.
При введении в бетон в качестве минеральной добавки молотого гранулированного доменного шлака, вероятно, улучшается сопротивление во-доотделению и расслоению, но из-за угловатой структуры частиц гранулированного шлака может не произойти улучшения его отделочных свойств и удо-боукладываемости в той же степени, что и при вводе золы-уноса. Установлено, что как начало, так и конец схватывания смеси портландцемента со шлаком, содержащей 40, 50 или 65 % шлака по массе, замедляется примерно на 1 ч по сравнению со сроками схватывания портландцемента. Ускорение гидратации цемента. При сепарации или диспергировании ускоряется флокуляция частиц портландцемента, что увеличивает степень ранней гидратации. Поэтому прочность бетона при заданном содержании цемента, к которому добавлены зола-унос или порошок известняка (в качестве замены мелкого заполнителя), равным образом возрастает через 7 и 28 сут. Бетон с добавкой золы-уноса показывал более высокую прочность только через 91 сут или позже, что можно отнести за счет пуццолановой реакции. Развитие прочности. Отрицательное влияние на прочность и плотность бетона оказывает наличие больших пор в гидратированном цементном тесте и микротрещин в зоне контакта цементного теста с заполнителем. Повышение прочности и долговечности бетона, связанное с использованием минеральных добавок, обусловлено, вероятно, превращением больших пор в мелкие и уменьшением микротрещин в зоне контактов. Точный механизм, по которому осуществляется улучшение структуры пор в гидрати-рованных пуццолановых цементах, еще не полностью раскрыт. Однако отмечено, что в хорошо гидратированных пуццолановых портландцементах обнаружена менее компактная фаза C-S-H по сравнению с фазой C-S-H в гидратированных портландцементах. Очевидно, такой продукт образуется в результате химической реакции между кремнеземом пуццолана и известью и создает эффект заполнения больших пор. Таким образом, превращение фаз с высокой плотностью и большими порами в системе портландцементного теста в продукты с низкой плотностью и небольшими порами в результате реакции пуццолана представляется наиболее логичным объяснением увеличения прочности и плотности, которое обычно наблюдается в хорошо гидратированном тесте пуц-цоланового портландцемента. В другой работе также был исследован процесс уменьшения пор и показана его важность для прочности и плотности бетона при использовании золы-уноса и шлака в качестве добавок.
Известно, что в бетоне зона контакта между заполнителем и гидратированным цементным тестом играет очень важную роль при определении его механических свойств и характеристик долговечности. В нормальных портландцементных бетонах зона контакта обычно менее плотная, чем массивное тесто, и включает большое количество пластинчатых кристаллов гидроксида кальция, у которых ось с перпендикулярна поверхности заполнителя. Следовательно, она более подвержена образованию микротрещин при растягивающих усилиях, возникающих при изменениях обычных условий температуры и влажности. Таким образом, контактная фаза из-за своей структуры является наиболее слабой фазой в бетоне и поэтому оказывает большое влияние на его свойства. В связи с тем, что минеральные добавки способны изменять водопотребность, консистенцию, водоотделение или сроки схватывания портландцементного теста, очевидно, что они оказывают положительное влияние на структуру и механическую прочность контактной зоны. Кроме того, эти добавки обладают способностью уменьшать размеры пор в гидратированном портландцементном тесте. Следовательно, бетоны, содержащие минеральные добавки, более прочны и долговечны, чем бетоны без добавок.
Для инженера-строителя важны и скорость развития прочности бетона, и его конечная прочность. Минеральные добавки влияют на прочность бетона в зависимости от их минералогического состава, характеристик частиц, температуры и влажности выдерживания и состава бетонной смеси.
С участием таких высокоактивных пуццоланов, как зола рисовой шелухи и белая сажа, пуццолановая реакция может начаться при появлении ионов кальция и гидроксила при гидратации соединений портландцемента. В присутствии золы рисовой шелухи с очень высокой внутренней пористой структурой частиц наблюдалось значительное влияние пуццолановой реакции на прочность при сжатии растворов в любом возрасте через 1, 3 и 7 сут после гидратации при температуре 20 °С. Промышленные бетоны, содержащие 30 % золы рисовой шелухи от общей массы цемента и суперпластификатор, имеют прочность при сжатии 80 МПа через 90 сут. Белая сажа, вероятно, из-за более низкой удельной поверхности и более плотной структуры поверхности, чем у золы рисовой шелухи, реагирует с меньшей скоростью, но способна давать бетоны с очень высокой конечной прочностью. При исследовании влияния добавки белой сажи на прочность бетона было показано, что через 1 сут прочность контрольного бетона выше, но через 3 сут и позже она выше для бетонов, содержащих добавку. Несколькими учеными была отмечена конечная прочность бетона при сжатии около 100 МПа при использовании суперпластификатора и 20 % или более белой сажи от общей массы цемента. При использовании специальных заполнителей заданного гранулометрического состава и при очень низком водоцементном отношении (цемент +кремнезем из газовой фазы) достигается прочность бетона при сжатии около 200 МПа.
Для типичной низкокальциевой золы-уноса было отмечено, что пуццолановая реакция начиналась через 11 сут после гидратации при температуре 20 °С; установлено заметное влияние реакции при испытании на сжатие через 28 сут. В другом исследовании, где 30 % цемента по массе было замещено на низкокальциевую золу-унос, не произошло увеличения прочности растворов, испытанных по ASTM С109 через 1, 3 и 7 сут. Однако после этого наблюдалось значительное влияние пуц-цолановой реакции на прочность через 28 сут. Через 90 сут прочность растворов цемента с золой-уносом была такого же порядка, что и исходный портландцемент. При использовании высококальциевой золы-уноса было отмечено значительное увеличение прочности через 3 сут, а прочность через 7 сут равнялась прочности контрольного раствора. Вкратце можно отметить следующее. В то время как высокоактивные пуццоланы начинают участвовать в увеличении прочности почти сразу после начала гидратации портландцемента, низкокальциевая зола-унос не показывает заметной пуццолановой активности, влияющей на прочность ранее двух недель после начала гидратации. Высококальциевая зола-унос начинает проявлять свою гидравлическую активность в более ранние сроки — через 3 сут после гидратации.
Наличие ионов гидроксила, сульфата и кальция в растворе довольно быстро тормозит гидратацию высококальциевой золы-уноса, и процесс приостанавливается из-за притока этих ионов от гидратации самой золы-уноса.
В молотом гранулированном доменном шлаке гидравлические свойства проявляются в основном так же, как в высококальциевой золе-уносе. Недавнее исследование показало, что при замене цемента по массе на 40, 50 и 65 % шлаком через 3 сут влияние шлака на прочность раствора в основном было незначительным. Однако через 7 сут была достигнута прочность, равная исходному цементу, а затем и более высокие прочности. В результате замены цемента на 40 или 50 % молотым гранулированным доменным шлаком с площадью поверхности 608 м2/кг по Блейну растворы имели прочность при сжатии 60 МПа через 60 сут, в то время как в этом же возрасте контрольный раствор имел прочность при сжатии только 47 МПа. При водошлакоцементном отношении, равном 0,38, бетоны, изготовленные из цементов, содержащих от 40 до 50 % шлака, имели прочность около 55 МПа через 28 сут, в то время как прочность контрольного бетона составляла 48 МПа. Что касается природных пуццоланов, то данные об итальянских и греческих пуццоланах свидетельствуют о том, что по реакционной способности природные пуццоланы близки к низкокальциевой золе-уносу.
Проницаемость. Проницаемость затвердевшего цементного теста влияет на стойкость бетона к химической агрессии. Ранее утверждалось, что значения прочности и непроницаемости обратно пропорциональны количеству больших пор (> 100 нм) в гидратированном цементном тесте. Недавнее исследование показало, что введение в портландцемент таких минеральных добавок, как зола рисовой шелухи, зола-унос и гранулированный доменный шлак, может вызывать уменьшение размера пор, т. е. превращение больших пор в мелкие — процесс, который ведет к существенному уменьшению проницаемости.
Модуль упругости, ползучесть и усадка при высыхании. Многие исследования содержат противоречивые данные об этих показателях, так как на значения модуля упругости, ползучести и усадки при высыхании бетона большое влияние оказывают прочность бетона и плотность заполнителя. Например, было установлено, что по сравнению с обычным бетоном прочность при сжатии и модуль упругости бетона с золой-уносом были ниже в ранние сроки, но немного выше через 90 сут. Поскольку на значение ползучести влияют прочность при сжатии и модуль упругости бетона, в бетоне с золой-уносом были обнаружены более высокие деформации ползучести в первые сроки нагружения, когда прочность была низкой, однако темп снижения ползучести уменьшается в более поздние сроки. В целом при замене до 25 % цемента не обнаруживается значительной разницы в ползучести в возрасте до 100 сут, а в большем возрасте бетон, содержащий золу-унос, имеет меньшую ползучесть.
Бетоны, содержащие 40, 50 или 65 % гранулированного доменного шлака по массе от общего количества вяжущего материала, имеют несколько большую усадку при высыхании, чем портландцементные бетоны без добавок. Однако исследование, проведенное в Японии, показывает, что это положение может быть исправлено путем корректировки оптимального содержания сульфатов в общем количестве вяжущих материалов. Для получения самой высокой прочности и самой низкой усадки при высыхании большинство композиций портландцемента со шлаком должны содержать от 2 до 2,5 % S03. Для бетонов, содержащих белую сажу и золу рисовой шелухи, имеется сравнительно мало данных по ползучести и усадке при высыхании, однако благодаря их способности увеличивать раннюю прочность они, вероятно, скорее понижают, чем увеличивают эти показатели. Установлено, что при периоде испытаний до 84 сут усадка при высыхании бетонов, содержащих 5, 10, 15 и 20 % белой сажи по массе от портландцемента, была меньше, чем усадка контрольного бетона.
Стойкость к химической агрессии. Известно, что из-за присутствия больших количеств гидроксида кальция в гидратированном цементном тесте портландцементные бетоны не отличаются стойкостью к воздействию кислот. Бесчисленные лабораторные и производственные исследования показывают, что минеральные добавки, понижающие содержание гидроксида кальция в цементном тесте, могут улучшить химическую стойкость бетона. Как отмечалось ранее, снижение проницаемости, связанное с пуццолановой реакцией усвоения извести, оказывает существенное влияние на стойкость продуктов, содержащих минеральные добавки.
Сульфатная агрессия бетона представляет собой особый случай химической агрессии, при которой присутствие гидроксида кальция, как и некоторых гидроалюминатов и сульфоалюминатов в гидратированном цементном тесте, обычно приводит к ухудшению качества бетона, подвергающегося действию сульфатных вод. Результаты исследования показали, что при замене 40 % цемента трассом или обожженной глиной стойкость цементного камня к сульфатам улучшается на порядок при погружении этих образцов в 5 %-ный раствор сульфата натрия. Подобным же образом при исследовании земли Санторина в образцах, содержащих 20 или 30 % пуццоланов, заменяющих цемент, наблюдалось значительное возрастание сульфатостойкости портландцемента с высоким содержанием С3А.
Расширение и трещинообразование в связи с реакцией щелочь — кремнезем представляет другой тип химической агрессии в бетоне. Это явление связано с медленной реакцией между раствором щелочи из высокощелочного портландцемента (> 0,6 % в пересчете на Na2О) и определенными формами кремнезема в заполнителе. В многочисленных лабораторных исследованиях было установлено, что частичная замена высокощелочного цемента минеральными добавками приводит к уменьшению расширения, происходящего из-за реакции щелочь—кремнезем. Точный механизм, по которому эта реакция вызывает расширение, и механизм, с помощью которого минеральные добавки могут уменьшать расширение, до конца еще не установлены. Вероятно, в некоторых кремнеземистых или силикатных структурах высокощелочные растворы (рН от 13 до 14) способны разрушить связи, и образующиеся при этом продукты могут расширяться при проникании воды.
Когда часть портландцемента замещается минеральной добавкой, количество щелочи, имеющейся в системе, снижается пропорционально количеству имеющейся добавки при условии, что последняя не содержит «растворимую щелочь».
Дальнейшее снижение щелочности может быть также связано с пуццолановой реакцией.
Было высказано предположение, что в присутствии пуццоланов образуются нерасширяющиеся соединения известь—щелочь—кремнезем взамен расширяющегося щелочно- кремнеземного геля.
Отмечено, что снижение расширения на 75 % в соответствии с испытанием было получено многими исследователями при замене от 36 до 48 % высокощелочного портландцемента по объему золой-уносом. Может возникнуть вопрос об ограниченности области применения такого цемента с высоким содержанием золы-уноса при ранней потере им прочности в связи с этим. Природные пуццоланы весьма эффективны для уменьшения щелочно-кремнеземного расширения при малых количествах заменяемого цемента. Например, замена 20 % цемента по массе землей Санторина была признана достаточной для значительного снижения щелочно-кремнеземного расширения. Было достаточно введения только 10 % золы рисовой шелухи от массы цемента для эффективного снижения щелочно-кремнеземного расширения при проведении испытаний, при этом не наблюдалось ранней потери прочности.
Необходимо отметить, что подобно высокощелочным портландцементам добавка некоторых видов высококальциевой золы-уноса, содержащих большие количества растворимых сульфатов щелочных металлов, может увеличить, а не уменьшить щелочно-кремнеземную активность. Некоторые исследователи установили, что в усилении щелочно-кремнеземной активности играют роль растворимые щелочи, а не общее содержание щелочей в золе-уносе.
Доменный шлак по сравнению с золой-уносом оказывается менее чувствительным к изменениям состава шлака с точки зрения противодействия щелочно-кремнеземной реакции.
Коррозия стали в бетоне. Снижение щелочности цементного теста путем его карбонизации атмосферным С02 является обычно первым шагом в процессе коррозии стали в бетоне. В гидратированном портландцементном тесте присутствуют около 20 % Са(ОН) 2 с целью обеспечения резервной основности для защиты стали. Поскольку пуццолановая реакция потребляет Са(ОН)2, теоретически около 25 % реакционноспособного кремнезема, присутствующего в смеси портландцемент—пуццолан, достаточно для поглощения всего Са(ОН)2, образующегося при гидратации портландцемента. Это вызывает некоторую озабоченность у инженеров-строителей, которые полагают, что из-за пониженной щелочности бетона добавка пуццоланов к предварительно напряженному железобетону может привести к коррозии стали.
Стойкость к трещино-образованию при нагревании. В тонких сечениях конструктивного бетона тепло, выделяемое при гидратации цемента, быстро уходит в окружающее пространство, а подъем температуры обычно не такой большой, чтобы вызвать серьезное термическое напряжение при охлаждении. Однако в массивном бетоне, даже в небольших сечениях размером 600 мм, подъем температуры время от времени может составить от 20 до 50 °С в зависимости от вида и состава цемента, толщины и типа опалубки и температуры укладки бетона.
Если максимум температуры в конструктивном бетоне достигается между вторым и пятым днями после укладки, то такие минеральные добавки, как природные пуццоланы, зола-унос и доменный шлак могут уменьшать выделение тепла почти пропорционально количеству замещенного цемента. В первом приближении снижение выделения тепла в процентах в период от 7 до 28 сут можно принять равным половине процентного содержания минеральных добавок в цементе. Было установлено, что при замене 30 % цемента золой-уносом максимальный подъем температуры (через 4 сут после укладки) в бетоне уменьшился с 47 в обычном бетоне до 33 °С в бетоне с золой-уносом. Испытания на месте показали, что снижение подъема температуры в бетонных изделиях толщиной 2,5 и 4,75 м составляло от 15 до 30 % количества замещенного цемента. С точки зрения температурного напряжения, при охлаждении замена цемента золой-уносом дает очевидное преимущество и давно применяется в конструкциях из массивных бетонов, в которых часто используется низкое содержание цемента и высокое содержание золы-уноса (от 60 до 100 % массы цемента) для предотвращения трещинообра-зования при нагревании. Поскольку после длительной выдержки отношение прочности при изгибе к прочности при сжатии в бетоне с золой-уносом выше, чем в обычном бетоне, вследствие повышенного сцепления заполнителя к цементному тесту, некоторые исследователи также рекомендуют использование золы-уноса для нормальных армированных бетонных конструкций и дорожных покрытий автомагистралей.
Поскольку высококальциевая зола-унос обычно более реакционноспособна, чем низкокальциевая, она может оказаться не столь эффективной в снижении теплоты гидратации. Например, установлено, что высококальциевая зола-унос в большой степени участвует в раннем выделении тепла. В этом бетоне при адиабатической выдержке подъем температуры через 28 сут оказался на 12 °С меньше по сравнению с обычным бетоном без добавки. Поскольку 7- и 28-суточная прочность при сжатии бетона с золой рисовой шелухи была выше, указанные авторы пришли к выводу, что увеличение прочности комбинации цемента с пуццоланом на единицу подъема температуры выше, чем одного портландцемента.