Строительство. Справочные пособия

Добавки в бетон

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

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 [28]. Очевидно, такой продукт образуется в результате химической реакции между кремнеземом пуццолана и известью и создает эффект заполнения больших пор. Этот механизм показан на 6.8. 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  [30].

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 портландцемент-ном 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 пуццолано-вой реакции на прочность при сжатии растворов по ASTM СГ09 (табл. 6.4) в любом возрасте через 1, 3 и 7 сут после гидратации при температуре 20 °С [13]. 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 [25]. 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   [44].

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 [42]. 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 [34]. 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.

Для  Уотер Тауэр  Плэйс  и Ривер   Плаза   в   Чикаго   были разработаны       высокопрочные бетонные    смеси,    содержащие 504     кг/м3     портландцемента, 59 кг/м3 низкокальциевой золы-уноса  и добавку,  снижающую водопотребность (водовяжущее отношение   равно   0,33).   Они показали прочность при сжатии около   70   МПа   через   50   сут. В Техасе   [33]   подобные прочности были получены в бетонных смесях, содержащих только 400 кг/м3 портландцемента, 100    кг/м3    высококальциевой золы-уноса   (ASTM,   класс  С) и  добавку,  снижающую  водопотребность  (водовяжущее отношение равно 0,33).

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 по ASTM С109 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 по ASTM С109 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 водошлакоце-ментном 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.

Например, Кресто и Рио показали, что при замене 40 % цемента бетоны, содержащие туф из Сегни-Лациума, имеют прочность при сжатии, составляющую 62, 75, 85 и 86 % прочности контрольного бетона (содержание цемента 300 кг/м3) соответственно через 7, 28, 90 и 365 сут, в то время как бетоны, содержащие вулканическое стекло из Бакколи, имеют прочность, составляющую 63, 86, 95 и 97 % в указанном выше возрасте  [1].

Подобным же образом, исходя из данных испытаний растворов по ASTM С109, содержащих 10, 20 или 30 % земли Санторина по массе от общего количества вяжущего материала, Мехта [8] установил, что эта добавка не увеличивает прочность через 7 сут. При этом прочность через 28 сут была выше, чем у контрольного раствора, на 6 % при добавке пуццолана (для замены цемента) 10 %, но снижалась на 7 и 18 % при добавке соответственно 20 и 30 %.

Установлено, что конечная прочность (365 сут) при замене 30 % была равна прочности контрольного образца. Однако она была на 10 % выше при замене 20 %. Можно установить связь между скоростью развития прочности и скоростью протекания пуццолановой реакции, которая оценивается количеством больших пор (более 100 нм), присутствующих в цементном камне.