WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 |

ВЛИЯНИЕ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ НА ПРОЧНОСТЬ БЕТОНА (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

ENGLISH VERSION

 http://dh.ufacom.ru/Articlefiller.html

К.т.н. Ильдар Каримов

Адрес для контакта: 450071, Россия, г.Уфа, а/я 21, Башкирский государственный аграрный университет, Кафедра теоретической и прикладной механики, Телефон/факс: (3472) 308138, Email: dh@ufacom.ru

 

Данный литературный обзор освещает современные представления о влиянии тонкодисперсных минеральных наполнителей (ТМН) на прочность цементных бетонов.

  Изучению влияния ТМН на структуру и свойства цементного камня и бетона посвящено большое число работ в нашей стране и за рубежом. Сегодня общепризнано, что введение минеральных наполнителей в качестве самостоятельной составляющей бетонных и растворных смесей является одним из существенных резервов повышения экономичности цементных композиций по стоимости и расходу цемента и улучшения их строительнотехнологических свойств.

Однако, среди ученых нет единого мнения по механизму влияния минеральных наполнителей высокой дисперсности на структуру и свойства цементного камня и цементных бетонов. В частности, в последнее время активно дискутируется вопрос о природе так называемого “эффекта микронаполнителя”, который выражается в повышении прочности при введении в бетон инертных ТМН, а также может являться частью эффекта гидравлически активных наполнителей.

Согласно Высоцкому С.А. [7] к минеральным наполнителям для бетонов, а также для вяжущих материалов относятся природные и техногенные вещества в дисперсном состоянии, преимущественно неорганического состава, не растворимые в воде (основное отличие от химических добавок) и характеризуемые крупностью зерен менее 0,16 мм (основное отличие от заполнителей).

Обычно в качестве наполнителей используют побочные продукты различных производств. К таким производствам, где объем побочных продуктов достигает миллионов тонн в год, относятся тепловые электростанции, использующие в качестве топлива уголь или рисовую шелуху, а также металлургические печи, выпускающие чугун, сталь, ферросилиций и ферросплавы.

Рассмотрим факторы, которые считаются основными при оценке влияния ТМН на свойства цементного камня и бетона и, в частности, на прочность. Они связаны, как пишет В.С.Рамачандран [14], 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.

Как уже было сказано, существуют несколько точек зрения о природе “эффекта микронаполнителя”.

Согласно одной из них, микронаполняющий эффект проявляется при увеличении объемной концентрации тонкодисперсного наполнителя, приводящее к снижению пористости цементного камня в бетоне.

Введение наполнителей в бетонные смеси производится двумя принципиально различными способами: наполнитель вводится по объему взамен части цемента (содержание дисперсных частиц в смеси на меняется) и взамен части мелкого заполнителя кварцевого песка (вся вводимая добавка идет на увеличение содержания дисперсных частиц в смеси). Имеются также промежуточные варианты, когда добавка частично заменяет цемент, а частично песок. При этом пуццолановая активность проявляется при любых способах введения добавок, микронаполняющий эффект, лишь при росте содержания дисперсных частиц в смеси, считает А.Г.Зоткин [9].

Но при высокой степени наполнения после достижения его максимума происходит уменьшение прочности бетонов несмотря на продолжающееся снижение пористости цементного камня, вследствие, по [9], ухудшения сцепления наполненного цементного камня с заполнителем.

В.К.Власов [6] считает однако, что увеличение количества наполнителя выше оптимального приводит к разбавлению цементного камня наполнителем, к нарушению непосредственных контактов между гранулами клинкера и уменьшению прочности. При оптимальном количестве минерального наполнителя в бетоне структура цементного камня характеризуется оптимальным насыщением цемента наполнителем. Наглядным критерием этого состояния является достижение максимально плотной упаковки частиц в тесте, если частицы наполнителя значительно мельче частиц цемента, или достижение максимального насыщения цемента наполнителем без образования контактов частиц наполнителя между собой, если частицы наполнителя и цемента соизмеримы.



Такого же мнения придерживается С.С.Каприелов [12], который пишет, что в смешанной системе цемента с ультрадисперсным материалом важно, чтобы частицы ультрадисперсного материала не обволакивали поверхность новых фаз и не препятствовали образованию контактов срастания между кристаллогидратами. Это условие, пишет он далее, может быть соблюдено при оптимизации объемной концентрации ультрадисперсного материала в смешанной системе с учетом гидравлической активности микронаполнителя. Для инертного микронаполнителя оптимальной дозировкой может быть объем, сопоставимый с обьемом капиллярных пор и необходимый для заполнения соответствующих пустот, а также уплотнения структуры.

Эффект заполнения пустот является физическим фактором и наблюдается независимо от гидравлической активности ультрадисперсного материала. Однако увеличение дозировки сверх объема указанных пор в зависимости от гидравлической активности может привести к противоположным результатам. Приведенные С.С.Каприеловым [12] экспериментальные данные показывают, что при повышенном обьемном содержании инертного микронаполнителя эффект заполнения пустот и уплотнения структуры не может компенсировать негативного воздействия микронаполнителя на контакты срастания, поэтому прочность снижается.

Существует также мнение [21, 22, 26], что в основе "эффекта микронаполнителя" лежит свойство частиц тонкодисперсных наполнителей выполнять роль центров кристаллизации, т.е. ускорять начальную стадию химического твердения.

Так, исследования проведенные Ж.А.Ларби и Ж.М. Бижен [21] на цементном тесте с добавкой 20% кремнеземистой пыли (19300 см2/г, 95% SiO2) показали, что кремнеземистая пыль побочный продукт производства ферросилиция ускоряет гидратацию портландцемента и шлакопортландцемента уже в первые часы после затворения, когда кремнеземистая пыль является химически инертным наполнителем. На высокодисперсных субмикроскопических частицах кремнеземистой пыли происходит осаждение продуктов гидратации, причем эти частицы служат центрами нуклеации и кристаллизации. Через 1 сут гидратационного процесса на поверхности частиц происходит хемосорбция OH, Ca2+, K+, Na+ из жидкой фазы, что препятствует образованию кристаллизации эттрингита, а через 3 сут начинается пуццолановая реакция.

Этими же авторами в работе [22] проводились исследования цементного теста с добавлением высокодисперсного песка. Установлено, что при повышении дисперсности песка и росте его содержания в композиции скорость выделения Ca(OH)2 повышается. Это объяснено тем, что частицы песка служат подложкой для кристаллизации Ca(OH)2 из поровой жидкости. При росте водосодержания композиций перемещение ионов Ca2+ и OH к поверхности частиц песка облегчается, что приводит к интенсификации процесса образования и роста кристаллов Ca(OH)2.

Явление повышения прочности вяжущих при введении в их состав микронаполнителей, И.М.Красный [11], помимо гидравлической активности, также объясняет образованием наиболее мелкими зернами микронаполнителя (коллоидных размеров) центров кристаллизации в контактной зоне цемента. В отличие от авторов указанных выше публикаций, исследовавших главным образом образцы цементного камня, им проведены экспериментальные исследования прочностных свойств бетонов на вяжущих, включающих тонкодисперсные компоненты золу Ступинской ТЭЦ с удельной поверхностью 3440 см2/г и содержанием 1,8% CaO; золу Новосибирской ТЭЦ с удельной поверхностью 4800 см2/г и содержанием 26,8% CaO; диатомит Уренгойского месторождения и молотый речной песок с удельной поверхностью около 4000 см2/г.

Обнаружено, что при введении молотого песка и золы Ступинской ТЭЦ в мелкозернистые и обычные тяжелые бетоны в оптимальном количестве, их прочность увеличивается в 1,4...1,8 раза (при постоянном водоцементном отношении). А при введении в бетоны золы Новосибирской ТЭЦ и диатомита, их прочность возрастает в 1,9...2,6 раза даже при одновременном значительном увеличении водоцементного отношения. Хотя проведенные им опыты свидетельствуют о том, что смесь извести с молотым речным песком состава 1:3 в нормальных условиях не твердеет, а с золой Ступинской ТЭЦ обладает незначительной прочностью (1,1 МПа). И лишь при пропаривании образцов с добавкой золы Новосибирской ТЭЦ прочность их составляет 13,2 МПа. Обьяснить "эффект микронаполнителя" за счет только гидравлической активности невозможно, по причине значительного роста прочности бетонов (18,3...47,4 Мпа) В целях уточнения сущности "эффекта микронаполнителя", В.К.Власовым [5] проведен анализ описанных выше результатов исследований И.М.Красного, и высказано несколько замечаний.





В частности, В.К.Власов считает, что "эффект микронаполнителя" невозможно обьяснить образованием дополнительных центров кристаллизации, поскольку непосредственное их действие заключается в ускорении начальной стадии химического твердения, а многочисленные исследования и практика показывают, что у бетонов с такой добавкой, как зола ТЭС, темп роста прочности в начальные сроки твердения ниже, чем без золы, а в более поздние выше.

Автор работы [5] критикует также выявленную И.М. Красным связь водоцементного отношения и среднего расстояния между частицами цемента с количеством микронаполнителя, вводимого в ряде случаев за счет замены части цемента, а в ряде случаев за счет замены части мелкого заполнителя.

Проведенные В.К.Власовым [5] собственные экспериментальные исследования по введению в бетоны тонкодисперсных добавок золы гидроудаления ТЭС12 г.Москвы с удельной поверхностью 2950 см2/г; высококальциевой золыуноса от сжигания бурых углей КанскоАчинского бассейна с удельной поверхностью 4814 см2/г и молотого кварцевого песка с удельной поверхностью 1198 см2/г, позволили автору сделать вывод о том, что в основе "эффекта микронаполнителя" лежат как химические процессы (взаимодействие с продуктами гидратации цемента), так и физикохимические явления (влияние поверхностной энергии частиц добавок и др.).

В.Е.Крекшиным в работе [10] также установлено, что тонкодисперсные фракции песка (< 0,14 мм) обладают высокой поверхностной активностью.

В зависимости от природы и степени дисперсности поверхностная активность частичек наполнителя на начальных стадиях структурообразования может быть больше, меньше или равна поверхностной активности элементарных структурных элементов цемента. В связи с этим и его роль в формировании структуры может быть различной, т.е. частички наполнителя могут быть как активными центрами, вокруг которых группируются элементарные структурные элементы цемента, образуя по В.А.Выровому и В.И. Соломатову [15] кластеры смешанного типа "вяжущеенаполнитель" (Ff/Fc>1), так и самостоятельными источниками образования собственных кластеров (Ff/Fc<1), где Ff и Fc поверхностная активность частиц наполнителя и цемента.

В присутствии тонкодисперсных наполнителей происходит упрочнение контактной зоны между цементным камнем и заполнителем в бетонах.

Этот вывод делается в работах [14,17,19] на основе экспериментальных данных. В.С.Рамачандран [14] пишет, что в нормальных портландцементных бетонах зона контакта обычно менее плотная, чем массивное тесто, и включает большое количество пластинчатых кристаллов гидроксида кальция, у которых продольная ось перпендикулярна поверхности заполнителя. Следовательно, она более подвержена образованию микротрещин при растягивающих усилиях, возникающих при изменениях обычных условий температуры и влажности. Таким образом, контактная зона изза своей структуры является наиболее слабой зоной в бетоне и поэтому оказывает большое влияние на его прочность.

В работе [17] на компьютерной модели микроструктуры контактной зоны, изучено влияние на контактную зону минеральных наполнителей, например, кремнеземистой пыли и золыуноса. На основе статистического анализа данных показано, что введение инертных наполнителей в количестве <10% в бетонные смеси с В/Ц>0,4, практически не влияет на микроструктуру контактной зоны (кроме смесей с повышенным водоотделением).

Pages:     || 2 | 3 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.