Минеральные добавки к бетону

Как известно, бетон состоит из 3-х основных компонентов:

• Цемент
• Заполнитель (щебень, песок)
• Вода

Для улучшения качеств и/или удешевления бетонной смеси в нее также добавляют как модифицирующие (химические), так и минеральные добавки. Виды, состав, а также преимущества и недостатки именно минеральных добавок мы рассмотрим в данной статье.

Сразу стоит отметить, что те же самые минеральные добавки используются при производстве цемента. Причем в отличие от «бетонщиков» производители цемента имеют обширный опыт применения минеральных добавок. Поэтому при рассмотрении того или иного вида активных минеральных добавок я буду чаще ссылаться именно на практику цементной промышленности.

Нормативная база.

Основным нормативным актом, регулирующим применение минеральных добавок в бетонных смесях, является ГоСТ Р 56592-2015 «Добавки минеральные для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия». Также стоит обратить внимание на:

• ГоСТ Р 56196-2014 «Добавки активные минеральные для цементов. Общие технические условия», где в п.п. 4.1.1 и 4.1.2 как раз и приведен список основных минеральных добавок,
• ГоСТ Р 56178- 2014 «Модификаторы органо-минеральные типа МБ для бетонов, строительных растворов и сухих смесей. Технические условия»,
• ГоСТ 31108-2020 «Цементы общестроительные. Технические условия»,
• ГоСТ 25818-2017 «Золы уноса тепловых электростанции для бетонов. Технические условия» и
• ГоСТ 3476-2019 «Шлаки доменные и электротермофосфорные гранулированные для производства цементов».

Обычно все минеральные добавки делят на активные и инертные. Последние применяются в качестве микронаполнителя и в химическое взаимодействие с цементом не вступают.

Активные же минеральные добавки, взаимодействуя с химическими соединениями цемента, приобретают свойства:

• вяжущие или гидравлические (твердеет в бетоне после затворения водой за счет связывания оксида кальция),
• пуццоланические (связывает водорастворимый гидроксид кальция в прочный гидрат силиката кальция, что увеличивает плотность и, как следствие, прочность бетона),
• расширяющиеся (компенсирует усадку или вызывает самонапряжение в бетоне).

Рассмотрим основные применяемые активные минеральные добавки.

Микрокремнезем.

Ультрадисперсный материал, состоящий из сферических частиц размером менее 1 мкм с удельной поверхностью не менее 12000 м2/кг, образующийся в процессе конденсации и очистки газов при производстве ферросилиция и кристаллического кремния. Наиболее популярная минеральная добавка. Состоит в основном из диоксида кремния SIO2. Обладает ярко выраженными пуццоланическими свойствами. Очень эффективно влияет на свойства смеси – приводит к уменьшению расхода цемента вплоть до коэффициента замещения 2 к 1 (одна часть микрокремнезема заменяет 2 части цемента). Применяется в основном для получения бетонов высоких классов прочности.

Преимущества:

• повышает марку прочности бетонной смеси
• повышает морозостойкость,
• повышает водонепроницаемость,
• повышает химическую стойкость.

Недостатки:

• высокая цена,
• увеличенная водопотребность, что вынуждает более активно использовать пластификаторы нового поколения (на основе поликарбоксилатов).

Метакаолин

Искусственный порошкообразный материал, продукт обжига с последующим помолом обогащенных каолиновых глин. Размер частиц – 1-5 мкм, удельная поверхность - около 1500 м2/кг. Состоит в большей части из оксидов алюминия и кремния. Схож по свойствам с микрокремнеземом, хотя и не настолько эффективен. Также обладает высокой пуццолановой активностью, что обуславливает его применение в производстве бетонных смесей высоких классов прочности.

Преимущества и недостатки те же самые, что и для микрокремнезема, только в меньшей степени.

Тонкомолотый гранулированный шлак.

Является побочным продуктом производства при выплавке железной руды в доменной печи. Гранулированный шлак молят до достижения размеров менее 0,08 мм и удельной поверхности не менее 450 м2/кг. Состоит в большей части из оксидов кальция, кремния, магния и алюминия. Имеет ярко выраженные гидравлические свойства, которые раскрываются при активации щелочами или сульфатами, содержащимися в цементе. Коэффициент замещения цемента – примерно 1 к 1. Используется в дорожном, мостовом строительстве, а также при заливке объемных конструкций из-за более плавного набора прочности и как следствие подъема температуры при химической реакции в бетоне.

Преимущества:

• повышает водонепроницаемость,
• повышает химическую стойкость,
• уменьшает усадку бетона,
• низкая цена.

Особенности:

• бетонная смесь с добавлением гранулированного шлака медленнее набирает прочность в первые 7 дней, что необходимо учитывать при монолитных работах.
• жби и бетон, выполненные с использованием шлаков, как правило имеют меньшую морозостойкость, чем изначально, если подвергались тепловлажностной обработке (пропарке). По какой-то причине при естественном отвердевании морозостойкость наоборот - повышается.

Золы уноса.

Тонкодисперсный продукт, который образуется при сжигании угля в топках котлов тепловых электростанций и осаждается на улавливающих устройствах дымовых труб. Размер частиц – до 100 мкм. Удельная поверхность - не менее 150 м2/кг. Заменяет цемент 1 к 1. Имеет большой разброс характеристик, как по минеральному составу, так и по размеру частиц и удельной поверхности, что затрудняет практическое использование.

Золы уноса редко применяют даже цементники, прежде всего из-за плохого качества добавки. Разброс характеристик требует постоянного контроля и изменения состава смеси, что усложняет работу с этой добавкой. Руководители станций обычно воспринимают золы уноса как побочный продукт и предпочитают просто выбрасывать, а не вкладывать деньги и силы в доведение до нормируемого состояния.

Преимущества:

• повышает водонепроницаемость,
• уменьшает усадку бетона,
• повышает химическую стойкость,
• низкая цена.

Недостатки:

• разброс характеристик

Особенность:

• бетонная смесь с добавлением золы уноса медленнее повышает температуру и набирает прочность в первые 7 дней, что необходимо учитывать при монолитных работах.

Известняковая мука

Продукт дробления (помола) известнякового щебня. Состоит на более чем 95% из карбоната кальция СаСО3 и карбоната магния М gCO3, в связи с чем имеет ярко выраженные вяжущие свойства. Для использования в бетонной смеси требует помола до достижения удельной поверхности цемента или выше (300-500 м2/кг). Учитывая низкую цену известняковой муки, она могла бы стать отличной добавкой в бетон с коэффициентом замещения цемента 1 к 1 для бетонов классов до В-20 и с коэффициентом 1 к 0,7 для более прочных бетонов.

Однако не все так просто. Для получения бетона с хорошими показателями удобоукладываемости в смесь необходимо добавлять пластификаторы. Так вот исследования (см., например, статью «Оценка взаимодействия добавок в бетоне» Енджиевская Е.Г.) показали, что взаимодействие известняковой муки со всеми наиболее применяемыми группами пластификаторов (ЛСТ, СНПФ, PSE) приводило к большому газообразованию, что значительно снижает марку прочности бетона. При этом такого же взаимодействия с кремнесодержащими добавками, например, микрокремнеземом или метакаолином не наблюдается.

Вывод.

С одной стороны использование минеральных добавок может приводить как к повышению качества бетонной смеси, так и к экономической выгоде. А с другой стороны по факту мы имеем либо завышенные цены на «хорошие» добавки (микрокремнезем, метакаолин), что приводит к ограниченному использованию только в сложных, дорогостоящих объектах, таких как Москва-сити, Лахта-центр, либо незаинтересованность производителей добавок во вложении средств в унификацию продукции. Также остро стоит вопрос дальнейшего изучения взаимодействия минеральных добавок различных производителей с органическими модификаторами, без которых современный бетон невозможен. К сожалению, ГоСТ Р 56178- 2014 этот вопрос никак не захватывает.

Большинство сходятся во мнении, что будущее отрасли именно за многокомпонентными составами – помимо основных компонентов в бетон будут включать один или несколько микрогранулированных минеральных заполнителей, а также органические добавки. Однако до полномасштабного внедрения по единой проверенной методике предстоит еще очень много работы.