Бетоны с активными минеральными наполнителями

В технологии бетона для экономии портландцемента и улучшения ряда свойств бетона широко применяют дисперсные минеральные добавки - наполнители (микронаполнители). Их вводят обычно в количестве более 5% от массы цемента. По происхождению добавки этого типа бывают как природными, так и техногенными. Минеральные добавки принято разделять в зависимости от их пуццолановой активности на инертные и активные. В группу активных добавок или пуццолан входят материалы, способные вступать при нормальной температуре в химическую реакцию с гидроксидом кальция с образованием соединений, обладающих вяжущими свойствами. При твердении бетонов источником гидроксида кальция являются основные минералы, входящие в портландцементный клинкер и подвергаемые гидролизу при воздействии воды.

В основу классификации активных минеральных добавок, принятой в европейских странах и США, положены их активность и химико-минералогический состав (табл. 4.40).

Таблица 4.40

Классификация и характеристики минеральных добавок

Стандарт США устанавливает состав и требования к трем классам минеральных добавок, вводимых в бетонную смесь (табл.4.41):

класс N - сырые и обожженные натуральные пуццоланы (диатомиты, сланцы, туфы, пеплы, пемза);

класс F - зола-уноса, получаемая при сжигании антрацита или битуминозных углей;

класс С - зола-уноса, получаемая из бурого угля.

Таблица 4.41

Требования к пуццолановым добавкам и золе-уноса (стандарт США)

Как активный наполнитель бетонных смесей наиболее широко применяют низкокальциевую каменноугольную золу-уноса тепловых электростанций, состав и требования к которой регламентируются ГОСТ 25818-91 (табл.4.42).

К высокоактивным минеральным добавкам в бетон, все шире применяемым в последние десятилетия, относятся ультрадис- персныеотходы производства ферросплавов, т.н. микрокремнеземы (МК). Наряду с МК в качестве эффективных модификаторов бетона при определенных условиях (высокая дисперсность, сочетание с суперпластификаторами и др.) могут служить и другие минеральные материалы - метакаолин, цеолиты и др.

Таблица 4.42

Качественные показатели золы-уноса по ГОСТ 25818-91

продолжение табл.4.42

Примечания: 1. Допускается в основных золах содержание свободного оксида кальция СаО_св и оксида магния MgO выше указанного в таблице, если обеспечивается равномерность изменения объема образцов при испытании их в автоклаве или применение этих зол обосновано специальными исследованиями бетона по долговечности с учетом конкретных условий эксплуатации.

• 2. Допускается в золах содержание сернистых и сернокислых соединений и потеря массы при прокаливании выше указанных в таблице,если применение этих зол обосновано специальными исследованиями по долговечности бетонов и коррозионной стойкости арматуры.
• 3. Допускается в золах I - III видов больший остаток на сите N 008

и меньшая величина удельной поверхности, чем указано в таблице, если при применении этих зол обеспечиваются заданные показатели качества бетона.

При затворении наполненных цементных смесей водой частицы наполнителя и цемента в пространственной структурной сетке фиксируются с помощью коагуляционных контактов.

Свойства наполненных цементных систем — результат синтеза процессов химического, физико-химического и физикомеханического взаимодействия, в которых наполнитель принимает самое активное участие.

Активация наполнителей достигается механо-химической обработкой, воздействием электрических и магнитных полей, с помощью ионизирующих излучений и др.

К настоящему времени разработан ряд методик проектирования оптимальных составов наполненных бетонов, основанных на совместном решении комплекса полиномиальных экспериментально-статистических моделей. Приемлемые результаты могут быть получены также при расчетах составов наполненных бетонов с помощью метода "приведенного В/Ц".

Комплекс полиномиальных моделей, получаемых обычно с применением математического планирования экспериментов, включает уравнения регрессии для нахождения необходимых параметров состава в зависимости от нормируемых свойств бетона. Возможны различные алгоритмы решения задач проектирования составов наполненных бетонов с учетом заданных условий. Существенно упрощается применение экспериментально-статистических моделей для проектирования составов бетонов при интерпретации их в виде соответствующих номограмм.

Пример 4.18. Подобрать состав золосодержащего бетона класса B25(R₆ -30 МПа) с осадкой конуса 1 ...4 см.

Для приготовления бетона используют следующие материалы:

портландцемент с минеральными добавками М400 и нормальной густоты (НГ) 28% (р_ц = 3100 кг/м³);

зола Бурштынской ГРЭС с удельной поверхностью - 4000 см²/г, р₃ = 2200 кг/м³;

песок кварцевый (р_п = 2600 кг/м³, В_п =6%, М_кр = 2,0);

щебень гранитрый (d_max = 20 мм, р_щ = 2650 кг/м³).

Применяется суперпластификатор С-3 в количестве 0,5% массы цемента по сухому веществу.

Последовательность рассчета:

По табл. 4.43. выбираем золоцементное отношение. Устанавливаем, что заданную совокупность свойств золосодержащего бетона можно обеспечить при 3/Ц = 0,5.

Таблица 4.43

Рекомендуемые значения золоцементного отношения (3/Ц)

По номограмме (рис. 4.16) определяем необходимое значение Ц/В, которое составляет 1,9.

Необходимое водосодержание бетонной смеси при добавке суперпластификатора 0,5% массы цемента по сухому веществу определяем по номограмме (рис. 4.17): В = 175 кг/м³.

Находим расход цемента и золы:

По номограмме (рис.4.18) определяем оптимальную долю песка в смеси заполнителя: г = 0.32.

Объем заполнителя

Расход песка и щебня определяется так:

Рис. 4.16. Номограмма для определения цементно-водного отношения бетонов содержащих золу:

1 - с добавкой С-3 (С-4); 2 - без суперпластификатора

Рис. 4.17. Номограмма для определения водосодержания бетонной смеси, наполненной золой.

Рис. 4.18. Номограмма для определения доли песка в смеси заполнителей для бетонов с золой.

"Приведенное Ц/В" - цементно-водное отношение учитывающее частичную замену цемента активным наполнителем, т.е. его "цементирующую эффективность". Применительно к наполненным бетонам значение (Ц/В)_пр можно найти по формуле:

где Кц_Э - коэффициент цементирующей эффективности; Н - расход активного наполнителя, кг/м³; Ц и В- соответственно расходы цемента и воды, кг/м³; V_BX - объем вовлеченного воздуха в л/м³

Кц.э характеризует количество цемента, замещаемое в бетонах 1 кг активного наполнителя без ухудшения его прочности. При расчетах составов бетона значения К_{ц э} принимаются усредненными по имеющимся опытным данным.

Переход от "приведенного Ц/В" к фактическому можно осуществить по формуле:

При

Таблица 4.44

Значения коэффициента "цементирующей эффективности" _золы Бурштынской ТЭС_

Коэффициент "цементирующей эффективности"/К_ц._э) легко определить по экспериментальным данным для равнопрочных бетонов по формуле:

где Ц1 - расход цемента в бетоне без минеральных добавок; Ц₂ - расход цемента в бетоне с минеральными добавками.

Для примера значение рекомендуемого расхода и коэффициента “цементирующей эффективности” для золы-уноса Бур- штынской ТЭС приведены в табл. 4.44, 4.45.

Таблица 4.45

Рекомендуемый расход золы _

Примечание: Расход суперпластификатора принят при оптимальной дозировке.

Для бетона с одинаковой прочностью и удобоукладываемо- стью экономия цемента АЦ за счет введения активной минеральной добавки (активного наполнителя) может быть найдена по уравнению:

где АВ - изменение водопотребности бетонных смесей при добавлении минеральной добавки.

Значение оптимального содержания наполнителя подбирается экспериментально с учетом как Ц/В так и особенностей применяемых цементов и заполнителей в особенности мелкого. Обычно значение оптимального расхода наполнителей колеблется в сравнительно узкой области (зола-унос 100...200 кг/м³, микрокремнезем 30...50 кг/м³ и т.д.). Некоторое снижение качества цементного камня за счет разбавления его наполнителем компенсируется увеличением общего объема вяжущего. При достижении некоторой оптимальной толщины клеевого слоя на

зернах заполнителя дальнейшее увеличение объема вяжущего приводит, как правило, к снижению прочности бетона.

Влияние добавок наполнителей на водосодержание бетонной смеси зависит от их структуры и дисперсности. Если зола-унос не вызывает увеличения водопотребности или увеличивает ее незначительно то такие наполнители как микрокремнезем, метакаолин и другие аморфизированные, высокодисперсные продукты увеличивают ее существенно и без добавки суперпластификатора обычно не рациональны.

Расход цемента при введении активного наполнителя:

При определении соотношения заполнителей коэффициент раздвижки зерен находится с учетом количества наполненного вяжущего. Рекомендованные значения а при введении золы- унос приведены ниже:

Расходы песка и щебня устанавливаются по известным формулам метода абсолютных объемов.

Пример 4.19. При получении бетона класса В25 на портландцементе марки М500 и заполнителях низкого качества, твердеющего при нормальных условиях, введено 150 кг/м^[1] золы-уноса. Определить необходимое значение приведенного Ц/В - (Ц/В)_пр и рассчитать возможное уменьшение Ц/В в результате введения золы-уноса. Расход воды 180 л/м^[1].

1. Необходимый средний уровень прочности бетона:

2. Принимаем А = 0,55. Найдем значения (Ц/В)_пр. по формуле:

уноса по формуле (4.58) (Н = 150 кг / м³, К_ц._э = 0,16 (табл. 4.44):

4. Расчетное уменьшение Ц/В при введении золы-уноса:

Пример.4.20. Рассчитать состав бетона прочностью 30 МПа, подвергнутого тепловлажностной обработке (т=14 ч). Подвижность бетонной смеси составляет ОК=1...4 см.

Для приготовления бетона используют следующие материалы: портландцемент с минеральными добавками М400 (р_ц = 3,1 г/см³), кварцевый песок (В_п = 7 %, р_п = 2,6 г/см³), гранитный щебень фракции 5...20 мм (р_н= 1450 кг/м³, р_щ =

= 2,6 г/см³). Применяется зола Бурштынской ТЭС (р₃ =

= 2,3 г/см³).

1. По табл. 4.45 устанавливаем расход золы:

2. В зависимости от подвижности смеси (ОК = 1...4 см) и крупности щебня (20 мм) определяем расход воды (табл. 1.1):

3. Находим приведенное цементно-водное отношение из формулы прочности (4.43):

С учетом экспериментально установленной поправки на расход воды 8 л/м³ общее водосодержание бетонной смеси составляет:

4. Кц.э. устанавливаем по табл. 4.44 К_цэ. = 0,33, тогда:

5. С учетом имеющихся экспериментальных данных при данном расходе цементно-зольного вяжущего коэффициент раздвижки — а=1,76.

Пустотность щебня:

Расходы щебня и песка составляют соответственно:

• [1] Величина фактического Ц/В при введении добавки золы-
• [2] Величина фактического Ц/В при введении добавки золы-
• [3] Величина фактического Ц/В при введении добавки золы-