микрокремнезем что это такое
Микрокремнезем что это такое
«Насколько вода является уникальной жидкостью,
настолько и аморфный кремнезем уникален как
твердое вещество. Они во многом схожи».
Ральф Айлер, американский исследователь,
крупный теоретик и практик в области
коллоидной химии кремнезема
Микрокремнезем – новый продукт компании «Русал». Высокоактивная пуццолановая добавка с повышенным содержанием SiO2, новинка на строительном рынке РФ, незаменимая добавка в производстве высокопрочных бетонов.
Сильное звено
Микрокремнезем (микросилика) – одно из самых известных сегодня пуццолановых веществ, которое активно применяется в строительной индустрии. Это мелкодисперсная пыль серого цвета, обладающая аморфными свойствами. Она извлекается из отходящих газов печей при выплавке металлургического кремния и ферросилиция и используется при производстве строительных и ремонтных смесей, огнеупоров, а также для повышения качества бетонов.
Пуццолановые вещества и их влияние на свойства бетонов известны человечеству уже тысячи лет. Одним из древнейших примеров сооружений из монолитного неармированного бетона является римский Пантеон. Он был построен во времена императора Адриана почти две тысячи лет назад. Для создания пуццоланового бетона был использован вулканический пепел в сочетании с известью. Взаимодействие этих двух компонентов аналогично реакции, в которую вступает микрокремнезем с портландцементом в процессе гидратации. Как результат, образуется плотная матрица, позволяющая увеличить прочность и долговечность бетона.
Высокая пуццолановая активность микросилики обусловлена наличием свободных химических связей, сферической формой и размером частиц – в среднем в 500 раз меньше частиц самого цемента.
Включение микрокремнезема в бетонную смесь оказывает влияние на свойства как цементного теста, так и цементного камня. Сферическая форма частиц микрокремнезема приводит к «подшипниковому эффекту», улучшая когезионные свойства цементного теста. Малые размеры частиц позволяют микрокремнезему заполнить объем между грубодисперсными частицами цемента. Высокая удельная площадь поверхности (15-30 м2/г) стимулирует образование многочисленных коагуляционных контактов, сокращая объем свободной воды. В результате цементное тесто приобретает высокие когезионные свойства. При этом не наблюдается сегрегация и водоотделение. Бетонная смесь обладает высокой удобоукладываемостью и прокачиваемостью, что особенно важно при высотном строительстве и торкретировании.
Пуццолановая активность микрокремнезема обеспечивает переход нестабильной растворимой гидроокиси кальция в прочный кристаллический гидрат силиката кальция, который уплотняет структуру бетона и увеличивает прочность на 20-25%.
Цементный камень с добавлением микрокремнезема характеризуется повышенной плотностью, уменьшается его проницаемость. Долговечность бетона растет.
Современные стандарты
Сегодня производство пуццолановых веществ, в частности микрокремнезема, широко освоено промышленностью. Как отмечает Ирина Полищук, руководитель направления дирекции по новым проектам компании «Русал», свойства и технические характеристики микрокремнезема делают этот материал все более востребованным как на российском рынке, так и за рубежом.
Наиболее известными объектами, построенными с применением микрокремнезема, являются: самое высокое на данный момент здание в мире – башня «Бурдж-Халифа» в Дубае, башни «Петронас» в Малайзии, мост Большой Бельт в Дании, мост Ханчжоу в Восточно-Китайском море, Troll A – офшорная платформа природного газа у западного побережья Норвегии и др.
В России микрокремнезем был использован при строительстве фундамента и зданий комплекса «Москва-Сити», Лефортовского тоннеля, парящего моста в парке «Зарядье».
Замена 10% цемента в составе бетона приводит:
– к увеличению прочности при сжатии на 25%;
– к росту прочности на растяжение при изгибе на 20%;
– к повышению марки по водонепроницаемости с W4 до W10;
– к повышению марки по морозостойкости с F200 до F400.
Первым в стране кремниевым заводом, где было запущено производство микрокремнезема, стал в 2017 году завод компании «Русал» в Каменске-Уральском. Ранее его получали только на ферросплавных заводах при изготовлении ферросилиция.
Основной спрос на микрокремнезем обеспечивают производства высокопрочных бетонов, огнеупорной продукции и тампонажных материалов, так как его потребительские свойства лучше отвечают техническим задачам этих компаний.
Как подчеркивает Ирина Полищук, изучив спрос и получив обратную связь от клиентов, предприятие в г. Каменске-Уральском работает над возможностью предлагать потребителям комплексные технические решения с применением микрокремнезема, готовыми рецептурами на его основе, полностью удовлетворяющими запросы покупателей.
В продукции «Русала» содержание SiO2 – не менее 94%, что отличает его от известного на российском рынке МК-85 и МКУ-85 (SiO2 – 90-91%). Более высокая химическая чистота, пониженное содержание оксидов металлов и щелочей приводит к более высокой площади удельной поверхности и индексу активности. Сравнительные характеристики химического состава микрокремнезема кремниевого и ферросплавного производств приведены в таблице.
Микрокремнезем МК-85, 10 кг
Спецификация
Наименование: Микрокремнезем конденсированный МК-85
Производитель: ПАО «Новолипецкий металлургический комбинат» ( «НЛМК »)
Массовая доля микрокремнезема в перес. сух. прод.,%
Массовая доля воды, %
Насыпная плотность, кг/м 3
Сопутствующие товары
Добавка в бетон Микрокремнезем МК-85
Микрокремнезем является продуктом ферросплавного производства, и образуется в процессе выплавки ферросилиция и его сплавов.
По гранулометрическому составу средний размер частиц микрокремнезема примерно в 100 раз меньше среднего размера зерна цемента. При использовании микрокремнезема 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.
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
Применяется в качестве высокоактивной добавки к бетону. Предназначен для приготовления специальных бетонов высоких марок по прочности и водонепронецаемости, пенобетона, сухих строительных смесей, резины, керамики, черепицы, облицовочных плит и огнеупорных масс.
Добавление микрокремнезема способствует уменьшенному расходу цемента (до 200-450 кг/м³).
РАСХОД
Рекомендуемое количество микрокремнезема составляет:
ВЛИЯНИЕ МИКРОКРЕМНЕЗЕМА НА БЕТОН
В результате физического и химического воздействия происходит благоприятное изменение микроструктуры теста, связанное со значительным уменьшением пористости в зоне капиллярных пор. Изменение структуры пор в бетоне рассматривается многими исследователями как главный фактор влияния микрокремнезема на механические свойства и прочность бетона. Эти изменения находят свое отражение в снижении проницаемости бетона. Снижение водопроницаемости способствует повышению стойкости бетона к воздействиям агрессивных сред.
Высокие свойства микрокремнезема улучшают такие характеристики бетона, как прочность на сжатие, прочность сцепления и износостойкость, морозостойкость, химическую стойкость и значительно снижают проницаемость.
Пластические свойства
Рассеявшись, мельчайшие частицы микрокремнезема уплотняют и стабилизируют смесь и существенно снижают выступание воды и расслоение.
Прочность
Микрокремнезем 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 кг/см², а при использовании специальных высокопрочных заполнителей можно достичь прочности 300 кг/см².
Трещиностойкость
Добавление микрокремнезема обеспечивает повышение трещиностойкости бетона.
Щелочность
Микрокремнезем понижает уровень pH воды в порах цементного геля.
Проницаемость
Защита арматуры
Пониженная щелочность бетона с содержанием микрокремнезема должна ослаблять его устойчивость к карбонизации и хлоридам.
Морозостойкость
Химическое воздействие
Низкая проницаемость и низкое содержание свободной извести повышает устойчивость бетона к воздействию агрессивных химических веществ. Долгосрочные испытания показали, что по своей потенциальной устойчивости к сульфатам он равен сульфатостойкому портландцементу.
Ваша выгода.
Применение микрокремнезема в массовом строительстве также позволяет экономить до 40% цемента без ухудшения характеристик бетона и сокращать расход тепловой энергии при тепловлажной обработке изделий.
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 МК %:
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.
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.
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.
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/Rcж. Эти данные представлены в табл. И на рис. 3.
Влияние добавки МК на трещиностойкость мелкозернистого бетона состава 1:2. Возраст 28 суток
Микрокремнезем и метакаолин у мастеров и самоделкиных
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
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. см 2 /г.
Для сравнения можно привести значения удельной поверхности некоторых составляющих бетонной смеси. У тонкомолотого цемента (высоких марок) — 4500 см 2 /г, у доломитовой муки — 2900 см 2 /г, у молотого кварцевого песка — 1000 см 2 /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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
• 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).
• 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).
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.
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.
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 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):
стабилизатор (нитрилотриметиленфосфоновая кислота) 0,02-0,14
продукт конденсации бета-нафталинсульфокислоты с формальдегидом 0,02-0,14
Компоненты интенсивно перемешиваются до образования однородной суспензии 40-70%-ной концентрации.
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.
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.
Основные формы микрокремнезема.
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.
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.
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.
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%
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.
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.
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.
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.
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.
Использование микрокремнезема позволяет получать из рядовых материалов бетоны с высокими эксплуатационными характеристиками и уникальными конструкционными возможностями:
Стойкость к истиранию.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.