Пластифицированные бетоны на модифицированных смешанных и специальных вяжущих минеральных добавках

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

1

ПЛАСТИФИЦИРОВАННЫЕ БЕТОНЫ НА МОДИФИЦИРОВАННЫХ СМЕШАННЫХ И СПЕЦИАЛЬНЫХ ВЯЖУЩИХ МИНЕРАЛЬНЫХ ДОБАВКАХ

1. МИНЕРАЛЬНЫЕ ДОБАВКИ ДЛЯ ЦЕМЕНТОВ

В настоящее время в России основной объем товарного цемента для бетонов общестроительного назначения приходится на бездобавочный портландцемент (ПЦ-ДО) и портландцемент с минеральными добавками (ПЦ-Д5 и ПЦ-Д20), выпускаемые в соответствии с ГОСТ 10178-85.

В качестве минеральных добавок (МД) для цементов и бетонов используются природные и техногенные вещества в дисперсном состоянии преимущественно неорганического состава, не растворимые в воде (одно из основных отличий от модификаторов цементных систем) и характеризуемые крупностью зерен менее 0,16 мм (основное отличие от заполнителей).

Мировая практика производства цемента все шире переходит на изготовление смешанных цементов, в состав которых входят минеральные добавки различного происхождения, так как это позволяет экономить природные сырьевые ресурсы за счет использования отходов других отраслей производства и топливо. Изготовление цементов с минеральными добавками позволяет также увеличить объемы производства цементов и бетонов на их основе (табл. 1).

Анализ и обобщение накопленных в России и за рубежом экспериментальных данных, позволили разработать классификацию минеральных добавок, согласно которой все МД разделены по степени эффективности в экономии цемента (Э_д): неэффективные с Э_д<10%, низкоэффективные с Э_д=10...40%, среднеэффективные с Э_д=41...70% и высокоэффективные с Э_д>70%.

Табл. 1. - Цементы с минеральными добавками и бетоны на их основе

Вид цемента	Марка цемента	Количество добавки, %	Количество цемента из 1 т клинкера, кг	Объем изготовляемого бетона разных классов на 1 т клинкера
				В 15	В 22,5	В 30
ПЦ-ДО	400	-	1000	258/3,9	350/2,9	472/2,1
ПЦ-ДО	500	-	1000	235/4,3	315/3,2	428/2,3
ПЦ-Д20	400	18	1220	264/4,6	355/3,4	525/2,3
ПЦ-Д20	500	10	1110	244/4,6	332/3,3	465/2,4
ШПЦ	300	50	2000	305/6,7	410/5,0	582/3,4
ШПЦ	400	40	1660	270/6,1	374/4,4	515/3,2
ШПЦ	500	30	1430	240/6,0	320/4,5	435/3,3

*Примечание: перед чертой - расход цемента в кг/м³, после черты - объем бетона в м³,

Комитетом 73-ВС РИЛЕМ предложена классификация минеральных добавок техногенного происхождения (табл. 2), в основу которой, в качестве основных критериев оценки эффективности минеральных добавок положены их пуццолановая и гидравлическая активность. Минеральные добавки, несмотря на их различную эффективность согласно представленной классификации, имеют близкий вещественный состав (оксид кремния, алюминия, железа, кальция и т.д.). Различия заключаются в соотношении компонентов, их минералогическом составе и степени дисперсности, обусловливающих преобладающий механизм их действия в цементных системах. Положение каждого вида техногенных материалов, представленных в рассматриваемых классификациях определяет совокупность физико-химических факторов.

В последние годы в связи с разработкой суперпластификаторов и комплексных модификаторов полифункционального действия открылись перспективы получения бетонов с уникальными свойствами за счет использования пылевидных отходов ферросплавного производства, создания новых видов вяжущих, получивших название "вяжущие низкой водопотребности" (ВНВ), и тонкомолотого цемента (ТМЦ) с использованием минеральных добавок природного и техногенного происхождения.

Табл. 2. - Классификация и характеристики минеральных добавок техногенного происхождения

Минеральная добавка	Критерии эффективности	Основной химический и минералогический составы	Физические характеристики
1. Быстро-охлажденные шлаки	Вяжущие свойства	Силикатное стекло (аморфный кремнезем), содержащее оксиды кальция, магния, алюминия. В небольшом количестве могут присутствовать кристаллические компоненты.	Не полностью подготовленный к применению материал представляет собой гранулы и содержит 5... 15% влаги. Перед применением высушивается и измельчается до частиц размером менее 45 мкм, частицы имеют шероховатую поверхность. Удельная поверхность - 350...500 м2/кг
2. Высоко-кальциевые золы уноса (Са>10%)	Вяжущие и пуццолановые свойства	Силикатное стекло (аморфный кремнезем), содержащее оксиды кальция, магния, алюминия. В небольшом количестве могут присутствовать кристаллические компоненты в виде кварца и СзА, а также свободная известь и периклаз. Содержание углерода -обычно меньше 2%	Содержит 10...15% частиц размером более 45 мкм. Больший процент частиц имеют сферическую форму с диаметром менее 20 мкм. Поверхность частиц в основном гладкая, но не такая чистая, как у низкокальциевых зол-уноса. Удельная поверхность - 300...400 м2/кг
3. Микрокремнезем; золы рисовой шелухи	Высокая пуццолановая активность	Микрокремнезем некристаллической (аморфной) модификации.	Представляет собой ультрадисперсный порошок, состоящий, в основном, из сферических частиц диаметром менее 0,5 мкм. Удельная поверхность - около 20000 м2/кг
		Кремнезем некристаллической (аморфной) модификации	Содержит, в основном, частицы размером менее 45 мкм, имеющие пористую поверхность. Удельная поверхность - около 60000 м2/кг
4. Низкокальциевые золы-уноса (СаО<10%)	Нормальная Пуццолановая активность	Силикатное стекло (аморфный кремнезем), содержащее оксислы алюминия и железа. В небольшом количестве могут присутствовать кристаллические компоненты в виде кварца, муллита, магнетита. Содержание углерода менее 5%, но иногда может быть 10%	Содержит 10... 15% частиц более 45 мкм. Больший процент частиц имеют сферическую форму с диаметром около 20 мкм. Удельная поверхность - 250...350 м2/кг
5. Медленно-охлажденные шлаки; золы гидроудаления, шлаки котельных	Слабовыраженные пуццолановые и вяжущие свойства	Кристаллические силикатные минералы и небольшое количество некристаллических компонентов	Дополнительно измельчаются для придания вяжущих и пуццолановых свойств. Измельченные частицы имеют шероховатую поверхность

2. БЕТОНЫ С КРЕМНЕЗЕМСОДЕРЖАЩИМИ ДОБАВКАМИ

2.1 ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОКРЕМНЕЗЕМА В ТЕХНОЛОГИИ

БЕТОНА

Использование ультрадисперсных отходов производства ферросплавов и кристаллического кремния в качестве активных микронаполнителей для бетонов в настоящее время является одним из наиболее эффективных путей решения важных задач строительной индустрии: получения высокопрочных, особо плотных и долговечных бетонов и железобетонных конструкций, сокращения энергоемкости производства бетона и, в необходимых случаях, экономии цемента.

Табл. 3. - Состав ультрадисперсных отходов производства

кремнийсодержащих сплавов

Вид и марка сплавов	Содержание компонентов, %
	SiO2	Ре2Оз	А12О	СаО	MgO	К2О+ Na2O	Сг2Оз	SO3	SiC	МпО	п. п. п.
Ферросилиций:	ФС90	92,0	1,5	1,5	1,0	1,5	1,0	-	-	-	-	1,2
	ФС65	80,0	3,0	2,5	3,0	0,5	2,0	-	2,7	3,0	-	3,0
	ФС45	73,0	3,6	3,5	4,5	5,0	2,3	-	3,0	2,0	0,5	3,5
Кристаллический кремний Кр 1	91,0	0,4	0,5	1,2	-	-	-	-	4,2	-	2,0
Ферросиликохром, ФСХ 40	66,1	2,2	1,3	0,4	14,6	-	2,2	-	-	-	2,0
Силикомарганец, СМ 20	33,8	2,3	3,9	4,6	4,0	2,4	-	3,4	-	39,1	1,6

Эти отходы представляют собой конденсированные аэрозоли и по общепринятой классификации относятся к категории дымов. Высокая эффективность выделяет их в ряду других активных минеральных добавок для бетонов.

Химический состав отходов, улавливаемых фильтрами систем сухой газоочистки плавильных печей, определяется видом и маркой сплавов (табл. 3). Они содержат ультрадисперсные частицы сферической формы со средним диаметром 0,1 мкм и удельной поверхностью 12...25 м²/г и выше. Насыпная плотность собранного с фильтров материала - 150...250 кг/м³, основной компонент - кремнезем.

Первые сведения о применении микрокремнезема (МК) в современной технологии бетона относятся к началу 50-х годов, когда усилиями специалистов Норвежского Технического Университета была показана принципиальная возможность и эффективность улучшения комплекса технически важных свойств бетонов введением в их состав ультрадисперсных отходов металлургического производства, содержащих кремний.

В это же время для решения практической задачи - производства тюбингов для тоннелей в районе Осло - микрокремнезем вместе с другими добавками к цементу был использован с целью обеспечения стойкости бетона в условиях воздействия жидкостей, содержащих сульфаты и слабые кислоты. Результаты оценки свойств этого бетона после 20 лет эксплуатации оказались положительными.

Первое подкрепленное технической документацией массовое применение МК для бетона строительных конструкций металлургического комбината в Фискаа (Норвегия) осуществлено в 1971 г.

С середины 70-х годов в скандинавских странах расширяются исследования и практика применения кремнеземсодержащих добавок в бетоне. На предприятии в Готенберге (Швеция), а также на нескольких заводах в Норвегии и Дании организовано крупномасштабное производство бетонных смесей с МК для возведения монолитных конструкций. Исследования в Исландии привели к организации производства цемента с добавкой 7,5% МК, что, по мнению авторов, позволяет предохранить бетон от коррозии при наличии в цементе свободных щелочей.

В США в 1983 г. установлены основные технические требования к микрокремнезему и бетону на его основе. В Канаде в 1989 г. организовано производство бетонных смесей с МК. Важной вехой в применении микрокремнезема явился успешный опыт Японии, где с учетом нормативов США возведены морские платформы из конструкционного легкого бетона.

Требования к МК и к бетонам из него регламентируются нормативами ряда стран. Так, согласно стандарту Норвегии NS 3045 количество диоксида кремния в МК должно быть не меньше 85%, а дозировка самой добавки в бетон - не выше 10% массы цемента. Аналогичные показатели установлены нормативами и других стран, хотя в отдельных случаях предельная дозировка МК определяется в 15%.

На территории бывшего СССР МК в бетоне применяется с середины 80-х годов. Следует отметить, что в России, Казахстане и на Украине заводы по производству ферросплавов и кристаллического кремния ежегодно получают около 100... 120 тыс. т ультрадисперсных отходов, что составляет примерно четверть объема, улавливаемого системами газоочисток на всех аналогичных производствах в мире.

В настоящее время в мире построен ряд уникальных объектов с применением МК. Проблеме использования МК посвящено обширное научное исследование Селлеволда (1987) подготовленное для Международного совещания в Монреале, обзор наиболее важных работ по проблеме применения МК в бетоне был представлен на Международных конференциях KAHMET/ACH(CANMET/ACI) в 1983, 1986, 1989, 1995, 1997 гг., а также в ходе работы нескольких национальных и международных рабочих совещаний в Скандинавии, Северной Америке и Франции. Быстрота, с которой МК завоевал внимание как научных кругов, так и специалистов-практиков, может быть отнесена за счет уникальных свойств материала, которые делают сочетание его с портландцементом весьма эффективным.

2.2 ФАКТОРЫ, ОБУСЛАВЛИВАЮЩИЕ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

ДЕЙСТВИЯ МИКРОКРЕМНЕЗЕМА В ЦЕМЕНТНЫХ

СИСТЕМАХ

В исследованиях, проведенных С.С. Каприеловым и А.В. Шейнфельдом при участии Ф.М. Иванова и Батракова, оценка эффективности микрокремнезема выполнялась с использованием ультрадисперсных отходов ферросплавных заводов, производящих кристаллический кремний, сплавы ферросилиция, ферросиликохрома, феррохрома и силикомарганца (табл. 4).

Табл. 4. - Характеристика ультрадисперсных отходов различных

производств, примененных в исследованиях

Содержание SiO2, %	Удельная поверхность, М2/Г	Средний размер частиц, мкм	Гидравлическая активность** СаО, мг/г, при	Насыпная плотность, кг/м3	Водопотребность, %
В сплавах	В отходах*	По адсорбции азота	По прониканию ртути
					85°С	20°С
74...98	90/90	20,2	24,5	0,25	102	500	260	40

* Перед чертой приведено общее количество SiO2, за чертой - количество аморфной модификации.

**Гидравлическая активность при 85°С определялась в суточном возрасте бетона, при 20°С - в возрасте 28 сут.

По данным рентгенофазового анализа диоксид кремния в образце представлен в основном аморфной модификацией. Известно, что аморфный кремнезем играет важнейшую роль в механизме взаимодействия активных микронаполнителей с гидратирующимися минералами цемента. Однако один этот показатель не достаточно объективно отражает степень эффективности микронаполнителей. Не менее существенно значение таких характеристик, как гидравлическая активность, удельная поверхность и гранулометрический состав, определяющих водопотребность и, соответственно, расход модификаторов водоредуцирующего действия.

Для гранулометрического состава отходов характерна однородность частиц по размеру (средний диаметр частиц микрокремнезема ~0.03 мкм), как для конденсированных аэрозолей. От дисперсности зависит водопотребность, которая возрастает с увеличением удельной поверхности.

Указанные характеристики, в конечном счете, определяют основные свойства бетонных смесей и бетонов. Весьма важен учет расхода такого обязательного компонента бетонных смесей с микронаполнителем, как суперпластификатор.

Рис. 1. - Зависимость прочности бетонов от дозировки

микронаполнителя при замещении части цемента

Активность МК как сорбента по отношению к суперпластификатору С-3 также неодинакова и возрастает с увеличением его дисперсности, а также содержания таких окислов, как А1₂О₃, CaO, MgO и Сг₂О₃. Введение МК взамен части цемента приводит к естественному уменьшению в составе вяжущего минералов С₃А и C₃S, обладающих наибольшей адсорбционной способностью. Однако, адсорбция суперпластификатора возрастает по мере увеличения дозировок МК (рис. 2) и превосходит расчетную, теоретически предполагаемую, вычисленную по адсорбционным способностям МК и цемента. Это объясняется увеличением количества образующихся высокодисперсных новообразований - гидросиликатов кальция, способствующих энергичному поглощению суперпластификатора из раствора.

Рис. 2. - Адсорбция суперпластификатора С-3 на микрокремнеземе к

массе адсорбента (а) и к его поверхности (б)

Рис. 3. - Влияние микронаполнителя на оптимальные дозировки

суперпластификатора С-3 для равноподвижных смесей

Анализ многочисленных экспериментальных данных по влиянию микрокремнезема на свойства цементных систем позволил разработать классификацию добавок на основе сравнительной эффективности МК разных кремнийсодержащих сплавов. За критерий их активности принят коэффициент эффективности К_э, который учитывает комплекс факторов, влияющих на свойства бетона, - расход цемента, суперпластификатора и микрокремнезема, а также природу последнего. Рассчитанные коэффициенты эффективности явились основой приведенной на рис. 4 зависимости для бетонов нормального твердения и пропаренных, из которых следует, что эффективность микрокремнезема неодинакова и зависит от его количества в бетонах.

Рис. 4. - Зависимость коэффициентов эффективности от количества

микронаполнителя

2.3 ТРАНСПОРТАБЕЛЬНЫЕ ПОЛУФАБРИКАТЫ ИЗ

МИКРОКРЕМНЕЗЕМА

Важной проблемой в технологии применения МК является отпускная форма материала. Зарубежный опыт свидетельствует о том, что металлургические предприятия поставляют потребителям МК в различной отпускной форме. Каждая из них имеет достоинства и недостатки, которые проявляются в зависимости от условий применения добавок.

Первый опыт применения был связан с использованием неуплотненного пылевидного МК с насыпной плотностью 150...250 кг/м³ и транспортированием его в специальных жестких контейнерах. Такие обстоятельства предопределяли высокую транспортную стоимость, а также усложняли перегрузку и подачу материала в технологические линии потребителей.

С 1982 г. в Скандинавии, а впоследствии и в других странах эта проблема решается путем приготовления полуфабрикатов в двух отпускных формах: в виде сухого порошка и водной суспензии.

В США разработана технология производства уплотненного сухого МК плотностью 560...640 кг/м³, а также в виде суспензии плотностью ~1315 кг/м³, содержащей 40...50% твердой фазы.

Способы приготовления порошкообразного материала с насыпной массой 450...500 кг/м³, т.е. вдвое большей, чем у исходного материала, предполагают технологию его получения гранулированием в псевдосжиженном слое. Этот способ, приоритет в открытии которого принадлежит Норвежской фирме "Елкем" (Elkem), является довольно распространенным. Особенность способа заключается в том, что МК после фильтров перегружается в большие емкости и подвергается обработке потоком воздуха в течение 8...10 ч. Процесс гранулирования - периодичный.

Существует другой способ получения порошкообразного материала с насыпной плотностью 450...500 кг/м³, разработанный в России, который заключается в уплотнении МК на вальцевых прессах. Особенность способа - непрерывность процесса уплотнения, во время которого в материал могут вводится модификаторы, необходимые для одновременного улучшения комплекса технически важных свойств.

Следует, однако, отметить, что уплотненный или гранулированный МК обладает несколько меньшей пуццолановой активностью, чем исходный материал.

Техническими условиями на микрокремнезем конденсированный (ТУ 5743-048-02495332-96) в зависимости от содержания в нем диоксида кремния (SiO₂) устанавливаются следующие марки: неуплотненный - МК-85, МК-65, уплотненный - МКУ-85, МКУ-65, в виде суспензии - МКС-85.

Табл. 5. - Нормируемые показатели для микрокремнезема

№	Показатель	Нормы для марок микрокремнезема
		Неуплотненного	Уплотненного	суспензии (пасты)
		МК-85	МК-65	МКУ-85	МКУ-65	МКС-85
1	Внешний вид	Ультрадисперсный порошок серого цвета	Мелкозернистый порошкообразный материал серого цвета с размером агрегатов до 0,5 мм	Текучая жидкость темно-серого цвета
2	Массовая доля микрокремнезема конденсированного в пересчете на сухой продукт, %, не менее	97	97	90	90	40
3	Массовая доля воды, %, не более	3	3	10	10	60
4	Массовая доля потерь при прокаливании (п.п.п.),%, не более	3	5	3	5	5
5	Массовая доля диоксида кремния (SiCh), %, не менее	85	65	85	65	85
6	Массовая доля свободных щелочей (Na20, КзО), %, не более	2	2	2	2	2
7	Массовая доля оксида кальция, %, не более	3	5	3	5	3
8	Массовая доля серного ангидрида, %, не более	0,6	0,6	0,6	0,6	0,6
9	Удельная поверхность микрокремнезема конденсированного, м2/г, не менее	12	12	12	12	-
10	Индекс активности К, %, не менее	95	90	95	90	95
11	Насыпная плотность микрокремнезема конденсированного сухих форм, кг/м3	150...250	150...250	280...500	280...500	-
12	Плотность водной суспензии (пасты), кг/м3, не менее	-	-	-	-	1280
13	рН 5%-ной водной суспензии, не менее	-	-	-	-	7

Примечания:

1. В пунктах 4,5,6,7,8 нормы для суспензий (пасты) приведены в пересчете на сухое вещество.

2. Индекс активности К микрокремнезема определяют по формуле:

К=К'_сж/К"сж*100,

где К'сж прочность на сжатие растворных образцов с использованием 90% цемента и 10% микрокремнезема (по массе вяжущего), МПа; К"_Сж - прочность на сжатие растворных образцов с использованием 100% цемента, МПа.

Цифровой индекс в маркировке указывает на минимально допустимые количества SiO₂.

По физико-химическим показателям микрокремнезем должен удовлетворять требованиям и нормам, приведенным в табл. 5.

2.4 ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЗМА ДЕЙСТВИЯ

МИКРОКРЕМНЕЗЕМА В ЦЕМЕНТНЫХ СИСТЕМАХ

минеральный цемент бетон микрокремнезем

Различными специалистами микрокремнезем определяется по разному, а именно:

тонкодисперсный порошок, диаметр частиц которого в 100 раз меньше, чем у портландцемента;

тонкодисперсный порошок, состоящий практически только из частиц сферической формы, получающихся при конденсации паров SiO;

тонкодисперсный порошок, содержащий аморфные частицы SiO₂, полученные при ускоренной конденсации газообразного SiO, который быстро окисляется при соприкосновении с воздухом в охлажденной части печи;

порошок, полученный на основе совершенно чистого SiO₂ и состоящий из сферических аморфных частиц, в которых содержание SiO₂ колеблется от 85 до 95%.

В мировой литературе существует значительное количество публикаций по выяснению механизма действия МК в цементных системах. Большинство исследователей склонны отнести эффект МК за счет особых свойств этого материала.

По мнению многих авторов, улучшение удобоукладываемости, достигнутое в бетонах с низким В/Ц, объясняется тем фактом, что при введении определенного количества суперпластификатора легкие частицы МК могут заменять некоторое количество воды между флокулированными цементными зернами. Ларрард использовал модель Фарриса, чтобы показать, как мелкие частицы МК позволяют достичь уплотнения цементной пасты. Он считает, что высокодисперсные сферические частицы МК заполняют пустоты между более грубыми цементными частицами, которые также могут быть заполнены водой.

Некоторые исследователи заостряли внимание на выдающихся пуццолановых свойствах МК. По их мнению, МК может считаться даже суперпуццоланом, гораздо более эффективным и быстродействующим, чем другие виды пуццоланов. Регурд, а также авторы более поздних работ показали, что не все частицы микрокремнезема реагируют в одно и тоже время. С помощью сканирующего электронного микроскопа было показано, что одни частицы МК растворяются в течение 24 ч, тогда как другие не вступают в реакцию даже через месяц после затворения.

Полное отсутствие пиков портландита на рентгеновской дифрактограмме гидратированной цементной пасты и отсутствие гексагональных игольчатых образований портландита при исследовании микрошлифов позволяют сделать вывод о том, что весь портландит, образованный в ходе гидратации C₃S и C₂S соединился с высокоактивными частицами МК, формируя C-S-H. Подобное отсутствие пиков портландита указывает на то, что его кристаллы слишком малы или плохо сформированы, чтобы создать четкую дифракцию в рентгеновских лучах. Сходная ситуация видна при рассмотрении изображений, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа, где кристаллы портландита так малы, что находятся за пределами разрешающей способности. При тщательном изучении бетона, приготовленного в производственных условиях и имеющего прочность 100 МПа, обнаружили фактически несколько игольчатых кристаллов более или менее хорошо закристаллизованного портландита.

В исследовании, Хорами и Аитеина с помощью дифференциальной термогравиметрии продемонстрировано, что для жидких цементных композиций, содержащих МК, характерна потеря массы портландита при 450°С, однако, эта потеря оказывается меньше, чем для композиций, не содержащих МК.

Мехта объясняет отсутствие больших кристаллов портландита тем, что каждая частица МК действует как центр кристаллизации.

Положительное действие микрокремнезема объясняется значительным улучшением микроструктуры гидратированных цементных паст, особенно вблизи заполнителя. Отмечается, в частности, что прочность контактной зоны возрастает с увеличением количества введенного МК.

С. Саркар и П. Аитсин, отмечают лучшее сцепление цементного камня с заполнителем в бетоне, содержащем микрокремнезем, чем без него, за счет перехода извести, окружающей зерна заполнителя, в более стабильные гидросиликаты.

На повышение качества контакта в системе "вяжущее - заполнитель" при введении микрокремнезема указывают сравнительные исследования, проведенные А. Голдманом и А. Бентуром в Израильском Технологическом институте, по изучению прочности, пористости бетона, содержания свободной извести в цементных пастах и бетонах, а также микроструктуры контактной зоны бетонов без и с 5...15% МК. Ими показано, что упрочняющий эффект МК пропорционален количеству МК и сравним с таковым от снижения В/Ц при введении в смесь суперпластификаторов. В основном этот эффект обеспечивается улучшением сцепления матрицы с заполнителем, которое в свою очередь связано с формированием менее пористого переходного слоя в бетонах с МК, состоящего из плотного геля C-S-H(I) вместо рыхлых кристаллов С-Н и эттрингита в контрольных составах.

Положительное воздействие МК отнесено некоторыми авторами за счет сокращения водоотделения в теле бетона, которое обычно происходит при образовании под частицами заполнителя водных прослоек, ухудшающих прочность контактной зоны. Это приводит к снижению пористости и увеличению адгезии. Ларрард оценивал положительное влияние МК с помощью модифицированной им формулы Ферет, которая верна для высокопрочных бетонов из подвижных бетонных смесей с В/Ц ниже 0,4.

В настоящее время можно считать установленным, что высокая активность МК, влияющая на процессы гидратации, структурообразования и, в конечном счете, структуру затвердевшего цементного камня и бетона, обусловлена наличием диоксида кремния аморфной модификации и характером ультрадисперсных частиц (сферическая форма).

Основным фактором в механизме действия МК является реакция взаимодействия диоксида кремния и гидроксида кальция с образованием низкоосновных гидросиликатов типа CSH (I) и соотношением CaO/SiO₂ от 0,9 до 1,3.

МК может реагировать и с другими цементирующими фазами, ускоряя превращение эттрингита в моносульфат, а также гидрогранат C₃AS_xH₆._2x.

Получены данные по кинетике взаимодействия Са(ОН)₂ с МК при температуре 100°С. После 24 ч гидратации количество не вступившего в реакцию СаО практически не зависит от температуры и составляет 3...8%. При 90°С через 2,5 ч в реакцию с SiO₂ вступает 68...95% СаО (от начального количества), а при температуре 55°С за то же время - только 25...55% СаО.

Введение в цементную систему микрокремнезема существенно изменяет характер кристаллизации гидратных фаз.

Интересные данные получены и в системе "микрокремнезем-портландцемент". Так, с увеличением дозировки микрокремнезема и содержания в нем SiO₂ возрастает степень гидратации портландцемента. Соответственно увеличивается содержание низкоосновных гидросиликатов кальция, что, в свою очередь, ведет к повышению прочности цементного камня (рис. 5), Росту степени гидратации, содержания C-S-H(I) и прочности цементного камня способствует повышение дозировки суперпластификатора (рис. 6). При этом некоторое замедление степени гидратации в период от 7 до 14 сут. связано, видимо, с экранирующим эффектом избыточного количества суперпластификатора в ранние сроки.

Рис. 5. - Влияние количества МК на степень гидратации цемента (а),

относительное количество C-S-H(I) (б) и прочность цементного

камня (в)

1 - эталон (К); 2 - МК=10%; 3 - МК=20%, 4 - МК=30%

Рис. 6. - Влияние дозировки СП С-3 на степень гидратации цемента (а),

относительное количество CSH(I) (6) и прочность цементного

камня (в)

1 - СП - 1,3%; 2 - СП - 2,0%

Общая тенденция изменения относительной прочности камня в зависимости от дозировки УДМ в системе и изменения содержания C-S-H(I) видна на рис. 7. Преобладание в структуре цементного камня этого малорастворимого и устойчивого кристаллогидрата является необходимым условием существенного повышения прочности и стойкости бетона. Однако, изменение фазового состава камня в сторону увеличения содержания C-S-H(I) является необходимым, но недостаточным условием резкого упрочнения структуры. Важно, чтобы частицы УДМ, не участвовавшие в пуццолановой реакции, не обволакивали поверхность новых фаз и не препятствовали образованию контактов срастания между кристаллогидратами C-S-H(I). Это условие может быть соблюдено при оптимизации дозировки УДМ в смешанной системе с учетом пуццолановой активности микронаполнителя.

Рис. 7. - Изменение содержания C-S-H(I) и относительной прочности

камня в зависимости от дозировки УДМ по отношению к вяжущему

Взаимодействие частиц МК с продуктами гидратации цемента начинается на ранних стадиях твердения бетона и практически заканчивается в 28-суточном возрасте. При повышенных температурах (до 100°С) взаимодействие SiO₂ и СаО может полностью завершиться в процессе тепловлажностной обработки.

При автоклавной обработке введение в состав смеси ультрадисперсного МК в количестве 10% массы кремнеземистого компонента приводит к изменению фазового состава цементного камня, увеличению на 30...40% количества кристаллов низкоосновных гидросиликатов и соответственно контактов между ними в единице объема материала. Процесс образования хорошо закристаллизованной структуры, представленный низкоосновными гидросиликатами кальция, завершается формированием тоберморита, а сам материал характеризуется высокой прочностью и низкой теплопроводностью. Сферическая форма тонкодисперсных частиц МК проявляется уже на стадии приготовления бетонной смеси, изменяя ее реологические характеристики, а затем - на стадии уплотнения свежеуложенного бетона и формирования начальной структуры цементного камня.

Известно, что реологические характеристики таких цементных систем могут быть получены при анализе зависимости разрушения структуры от скорости деформации системы (напряжения сдвига) и описаны моделями Ньютона или Шведова-Бингама.

На реологические характеристики бетонной смеси основное влияние оказывают свойства цементного теста. Существует ряд моделей, описывающих реологические свойства бетонной смеси как функции от вязкости цементного теста, эти свойства, в свою очередь, зависят от дозировки СП, формы и размеров частиц цемента, его минералогического состава, количества и удельной поверхности МК, вод цементного отношения, времени, прошедшего после затворения, режима перемешивания, интенсивности внешних воздействий.

Рассматривая систему "портландцемент - микрокремнезем - суперпластификатор - вода" (ПЦ-МК-СП) с позиций реологии, следует выделить "область сверхтекучести" с содержанием МК 10...20%, в пределах которой вязкость и сопротивление сдвигу постоянны и достигают своих минимальных значений (рис. 8.). Анализ этих данных показывает, что для получения изореологических составов цементных суспензий в широком диапазоне изменения содержания микрокремнезема дозировку СП следует принимать, в соответствии с расходом МК (по существу, речь идет о комплексном модификаторе МК-СП).

Сравнение реологических характеристик систем ПЦ и ПЦ-МК-СП при различных В/Ц (или В/В) позволяет оценить эффект МК как микронаполнителя, так называемый, "МК-СП эффект". Так, предельное разжижение ПЦ системы в пределах времени до 1 ч наступает только при В/Ц=0,4, тогда как для пасты ПЦ-МК-СП - отношение В/В равно 0,3, что позволяет получать системы с минимальной вязкостью при меньшем В/В. Следует отметить, что напряжения сдвига ПЦ системы при В/Ц=0,25 существенно выше чем системы ПЦ-МК-СП при В/В=0,2, что обеспечивает получение более текучих паст ПЦ-МК-СП при меньшем В/В.

Рис. 8. - "МК-СП эффект" в системе "портландцемент -

микрокремнезем - суперпластификатор - вода". Дозировка СП С-3 -

10% массы микрокремнезема, В/В=0,3

1 - время после затворения системы 5 мин;

2 - то же 15 мин;

3 - то же 30 мин;

4 - то же 60 мин

Табл. 6. - Объем пор в зависимости от уровня дисперсности и вида

пористости, %

Технологическая пористость при макроскопическом (40 мкм</<<2-103 мкм) уровне дисперсности	Капиллярная пористость при уровне дисперсности	Гелевая пористость при надмолекулярном (1*10-3 мкм<1< 5*10-3 мкм) уровне дисперсности	Общая технологическая пористость при уровне дисперсности (2*103..1*10-3)
	Микроскопическом (<1*10-3 мкм<<1<10-1 мкм)	Субмикроскопическом (5*10-3 мкм< 1<1*10-1 мкм)	Общая капиллярная пористость (5*10-3 мкм< 1<40 мкм)
2,9	1,6	7,4	9,0	21,6	33,5

Изменение гелевой и капиллярной пористости является следствием того, что увеличиваются степень гидратации цемента и количество низкоосновных гидросиликатов кальция C-S-H(I). Эта тенденция усиливается при увеличении удельной поверхности МК, а также его дозировок в составе цементного камня. Дозировка суперпластификатора заметного влияния на дифференциальную пористость не оказывает.

Микроструктурные исследования продуктов гидратации алита с МК показали, что образование дополнительных гидросиликатов типа C-S-H(I) сопровождается ускорением гидратации, уменьшением содержания Са(ОН)₂, увеличением количества химически связанной воды и удельной поверхности формирующегося камня. В образцах (C₃S+MK) наблюдался непрерывный рост степени дисперсности новообразований, в то время, как в чистом C₃S данный показатель снижался. Это подтверждает, что введение МК обусловливает образование тонкодисперсной составляющей с высокоразвитой поверхностью и большим числом контактов срастания, т.е. образование более однородной и менее напряженной структуры.

Аналогичные данные получены специалистами Норвегии, а также Канады, которыми показано, что при неизменном водоцементном отношении увеличение дозировки МК не изменяет общую пористость цементного камня, но влияет на распределение пор по размерам, снижая долю капиллярных пор.

Сравнение влияния микрокремнезема и золы-уноса на структуру цементного камня в возрасте 90 сут показало, что общая пористость образцов, включая контрольный без микронаполнителя, примерно одинакова. Но в контрольном образце поры с диаметром более 0,1 мкм занимали 50% общего объема, а в образце с МК таких пор оказалось не более 10%. Зола-унос также снижает капиллярную пористость ("утончает" структуру), но в значительно меньшей степени, чем МК.

С изменением характера капиллярной пористости связано, в том числе, повышение прочности и плотности бетона с МК: менее компактные продукты пуццолановой реакции - фазы C-S-H(I) заполняют крупные поры, превращая их в мелкие и "залечивают" микротрещины в зоне контактов. В частности, Трофимов Б.Я. констатирует снижение почти в 3 раза показателя среднего размера открытых капиллярных пор при введении в бетон 10% МК.

Попытку разделить химический и физический эффекты МК, сказывающиеся на деформативно-механическом поведении бетона во времени, предприняли Р. Детливер и П. Мехта, определяя через 7 и 28 сут прочность на сжатие и модуль упругости бетонных образцов, изготовленных на чистом цементе, а также с заменой 10% его количества на МК и сажу. Сажа с физической точки зрения аналогична МК, но не является пуццоланом. Исследователями установлено, что в ранние сроки твердения (до 7 сут) влияние МК на прочность обусловлено, главным образом, физическим эффектом, связанным с лучшей упаковкой зерен вяжущего с наполнителем и "облагораживанием" структуры продуктов гидратации. К 28 сут проявляется и химический эффект МК, состоящий в повышении прочности бетона с МК на 15% по сравнению с прочностью бетона без наполнителя и с сажей. Модуль упругости, характер кривых СГ-Е образцов бетона, в свою очередь, подтверждают наибольшую способность МК увеличивать вязкость контактного слоя, что особенно важно для предотвращения трещинообразования в этом наиболее слабом месте структуры бетона. По-видимому, "эффект микронаполнителя" в бетоне имеет двойную природу: химическую, связанную с взаимодействием с продуктами гидратации портландцемента, и физико-химическую, связанную с переорганизацией структуры цементного камня и контактной зоны.

2.5 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОННОЙ СМЕСИ И

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОНОВ С МК

Полученные данные о влиянии микрокремнезема на свойства цементного теста, бетонной смеси и бетона показали реальную возможность экономии цемента до 40%. Однако высокая дисперсность МК предопределяет повышенную водопотребность смеси, что влечет за собой ухудшение структурно-механических свойств цементного камня и прочностных характеристик бетона. Негативное влияние избыточного количества воды проявляется при дозировке МК выше 15% общей массы вяжущего при соответствующем увеличении водопотребной бетонной смеси более чем на 25%.

По данным Селлеволда на каждый килограмм МК в составе бетонной смеси необходимо введение одного литра воды. Обязательным компонентом, необходимым для компенсации возросшей в результате использования МК водопотребности, является суперпластификатор. Исследование СП С-3 как водоредуцирующего компонента показывает, что его введение в смесь позволяет существенно снизить ее водопотребность и повысить прочность бетона до 35% несмотря на сокращение доли цемента в общей массе вяжущего на 40% (рис. 9). Основные свойства бетонных смесей и бетонов с МК, выявленные в процессе проведения многочисленных опытов, приведены ниже на примере испытаний наиболее характерных образцов (табл. 7).



Рис. 9. - Изменение прочности бетона в зависимости от количества

замещенного микрокремнеземом цемента. 1 - бетон без

суперпластификатора; 2 - то же с суперпластификатором

Следует отметить, что бетонные смеси с ультрадисперсным активным наполнителем обладают лучшей удобоукладываемостью, чем обычные смеси такой же подвижности. Тиксотропные свойства таких смесей наглядно проявляются с увеличением дозировки МК, что с успехом может быть использовано для отработки высокопроизводительных процессов формования конструкций, например, с немедленным распалубливанием.

Кинетика твердения бетонов с МК в нормальных условиях характеризуется интенсивным нарастанием прочности в интервале от 7 до 20 сут. Очевидно, это связано с тем, что именно в этот период в процессе фазовых превращений в портландцементном камне выделяется основная масса гидроксида кальция, которая связывается с основным компонентом МК - ультрадисперсным кремнеземом аморфной модификации, образуя низкоосновные гидросиликаты кальция мелкокристаллической формы типа C-S-H.

При твердении в условиях ТВО на прочность бетона существенно влияет температурный режим: с повышением температуры изотермического прогрева прочность возрастает и сразу после тепловлажностной обработки может достигать 90% марочной, что объясняется повышением реакционной способности двуокиси кремния с увеличением температуры щелочной среды.

Табл. 7. - Свойства бетонных смесей и бетонов при использовании МК в присутствии суперпластификатора С-3

Образец	Состав смеси, кг/м3	В/(Ц+ +МК)	С-3, % (Ц+МК)	ОК, см	Прочность на сжатие, МПа/%, после	Относительный расход цемента, % общей массы вяжущего
	Ц	МК	П	Щ
								ТВО	28 сут. нормального хранения
1	367	-	735	1100	0,51	0,5	6	28/100	37,8/100	100
2	300	-	750	1155	0,57	0,6	8,5	24,8/89,6	28,8/76,2	81,8
3	273	27	690	1144	0,57	0,6	8	29/103,5	32,0/84,9	74,9
4	251	49	671	1120	0,59	0,8	8	32,4/115,7	35,1/93	68,4
5	230	70	688	1079	0,59	1	6,5	36/127,6	39,3/104,9	62,7
6	302	31	680	1150	0,53	0,8	5	35/125	38,1/100,9	81,9
7	300	63	612	1138	0,53	0,9	5,5	39,1/139,6	43,0/113,9	81,8
8	240	-	835	1115	0,87	-	4,5	10,2/100	17,2/100	100
9	157	34	833	1108	0,9	1,1	4,5	14,7/144,2	19/110,5	65,4

Примечания:

1. Образцы 1-7 приготовлены на портландцементе марки 400 Усть-Каменогорского завода, образцы 8 и 9 - на шлакопортландцементе марки 400 Карагандинского завода.

2. Режим ТВО 2+3+5+2 ч при температуре 90°С

Бетонные смеси, содержащие МК, менее подвержены расслоению, особенно в присутствии суперпластификатора. По данным Ташибана бетонные смеси с МК, имеющие водовяжущее отношение 0,25 и подвижность 230 мм, показали такую же устойчивость к расслоению, как не содержащие МК бетоны с водовяжущим отношением 0,55 и подвижностью 85 мм. Однако при применении долговременной вибрации бетоны могут расслаиваться даже при наличии МК, в особенности при большой подвижности.

Так как МК существенно сокращает водоотделение, возрастает риск возникновения пластической усадки, который усиливается при ускорении испарения воды. Обусловленный этим процесс образования трещин может начаться сразу после формования изделий и продолжаться вплоть до начала схватывания бетонной смеси. Джонсон и Селлеволд установили, что подобное растрескивание достигает критического предела перед началом схватывания бетонной смеси.

Для уменьшения растрескивания при пластической усадке необходимо использовать различные покрытия бетона, предотвращающие быстрое испарение воды.

Каретте и Мальхотра, а также Оккенхауг отмечают, что для достижения требуемого воздухововлечения бетонных смесей с МК необходима повышенная дозировка модификаторов воздухововлекающего действия, которая, однако, может быть снижена при использовании суперпластификатора. Айтин и Везина обращают внимание на возможность потери вовлеченного воздуха в процессе приготовления и укладки бетонной смеси. По их данным бетонные смеси с МК и СП характеризуются удлиненными сроками схватывания в сравнении с бетонными смесями без них.

Ярен показал, что существует оптимальное содержание МК в составе смешанного вяжущего для достижения максимальной прочности. Суперпластификаторы, используемые в сочетании с микрокремнеземом для снижения количества воды затворения, позволяют увеличить прочность и долговечность бетонов с МК.

Прирост прочности на сжатие, обусловленный заменой части цемента на МК, зависит от возраста бетона, а также от расхода цемента, микрокремнезема и водовяжущего отношения. Мальхотра приводит данные о том, что МК, введенный в состав бетона в количестве 5, 10 и 15% массы цемента при водовяжущем отношении 0,6, не вызвал значительного повышения прочности на сжатие ранее, чем в возрасте 3 сут. Однако было отмечено, что прочность в возрасте до 3 сут увеличивается для таких бетонов при водовяжущем отношении 0,4. Бентур и Голдшен и считают, что повышение прочности бетона за счет введения МК имеет место не ранее, чем по истечении 1 сут твердения.

Холланд и Гьорв исследовали соотношение между прочностью на растяжение и прочностью на сжатие бетонов с МК в различные сроки твердения. Результаты позволили предположить, что это соотношение свойственно и бетонам без МК. Аналогичные данные были получены Холландом для бетонов, содержащих 5...10% МК и суперпластификатор.

Де Ларрард отмечает, что с увеличением прочности уменьшается трещинообразование при высушивании и может совсем отсутствовать при содержании МК в составе вяжущего в количестве более 7%. Устойчивость к трещинообразованию при высушивании бетонов объясняется их высокой прочностью на растяжение.

Вольсейфер исследовал трещинообразование высокопрочных бетонов, содержащих МК. Было установлено, что в течение 4 месяцев твердения бетоны, содержащие МК, имели меньшие деформации трещинообразования, чем бетоны без МК.

Ташибана отмечает, что трещиностойкость высокопрочных бетонов с МК ниже, чем бетонов без МК при водовяжущем отношении 0,22...0,28 и содержании МК в составе вяжущего в количестве 10%, и составляет 0,42.

Было изучено положительное воздействие МК на усадку при высушивании. Исследуемые бетонные смеси содержали 0;10 и 20% МК в составе вяжущего. Авторы приводят данные о том, что в течение 4 месяцев испытаний бетоны с МК при водовяжущем отношении больше 0,6 имеют такую же усадку при высушивании, как и бетоны без МК. Бетоны с МК при водовяжущем отношении менее 0,6 имеют меньшее значение усадки при высушивании.

Влияние МК на усадку при высушивании зависит от начального периода твердения. Вольсейфер [91] определял усадку высокопрочных (более 100 МПа) бетонов с МК и без него. Результаты исследований показывают, что большая усадка присуща бетонам, содержащим МК и твердевшим во влажных условиях в течение одних суток; при твердении свыше 14 сут усадка уменьшается.

Ташибана исследовал процесс усадки при высушивании бетонов, содержащих в составе вяжущего 10% МК при водовяжущем отношении 0,22...0,28, в течение 1 года. Для бетонов с МК усадка составляла от 540*10^-6...610*10^-6 в сравнении со значением 930*10^-6 для бетонов без МК. Каретте и Мальхотра [53] приводят данные о том, что бетоны, содержащие в составе вяжущего 0...15% МК и СП, при водовяжущем отношении 0,4 имеют равные значения усадки после 420 сут высушивания.

Была дана оценка эффективности применения микрокремнезема в зависимости от вида водоредуцирующих компонентов и их количества в составе бетона. Исследования проводили на бетоне с использованием микрокремнезема, модификаторами служили пластификатор ЛСТ и суперпластификаторы С-3 и МФ-АР.

Из рис. 10 видны тенденции повышения (до определенного предела) прочности бетонов одинакового состава с увеличением количества пластификаторов и снижение ее с дальнейшим ростом дозировок. Изменение прочности, зависящее от вида пластификаторов, характерно как для образцов, подвергавшихся ТВО, так и твердевших в нормальных условиях.

В проведенных экспериментах прочность бетона максимально увеличивается при введении ЛСТ в количестве 0,5% массы вяжущего. При этой дозировке прирост прочности достигает 13%, но бетонные смеси имеют недостаточную подвижность (ОК=0). Сравнительно удобоукладываемые смеси (ОК>3 см) можно получить при введении ЛСТ более 1%, однако, это значительно снижает прочность бетона по сравнению с контрольным составом. Так, при ОК=8 см с введением 1,4% ЛСТ прочность снизилась на 30%, а для более пластичных смесей (ОК=14 см) с введением 1,7% ЛСТ снижение прочности составило до 50% по сравнению с контрольным составом (без добавки, ОК=0 см).

Рис. 10. - Влияние вида и количества пластификаторов на прочность

пропаренных бетонов

1, 2, 3 - соответственно добавки С-3, ЛСТ, МФ-АР. Содержание МК - 20% массы цемента. Состав бетона, кг/м³: Ц - 285, МК - 57, П - 678, Щ - 1111, В - 169

0,8% МФ-АР позволяет получить 12%-ный прирост прочности, придавая смеси подвижность 1 см. Улучшение удобоукладываемости бетонных смесей, так же как и в случае с ЛСТ, сопряжено со снижением прочности бетона, однако ОК=6 см можно достичь введением 1,4% МФ-АР. При этом прочность бетона оказывается на уровне контрольной, но при повышении подвижности смеси до ОК=14 см она снижается на 25%.

Суперпластификатор С-3 более заметно влияет на свойства бетонных смесей и бетонов при введении его в количестве 2,5% массы вяжущего достигается прочность на 30% выше, чем у контрольного состава, при достаточно высокой подвижности смеси.

Сравнение полученных данных показало, что эффективность микрокремнезема значительно возрастает при его введении в состав бетонов совместно с С-3. Следует отметить возможность повышения прочности бетона при существенном росте подвижности бетонных смесей по мере увеличения дозировки суперпластификатора С-3, что объясняется большей степенью пептизации суспензий из цемента с МК и благоприятными условиями гидратации вяжущего и структурообразования цементного камня.

Использование выявленных закономерностей имеет важное практическое значение для получения бетонов со сниженным расходом цемента при разных дозировках микрокремнезема, в том числе бетона повышенной прочности.

Результаты экспериментов свидетельствуют о приросте прочности по мере увеличения количества МК и суперпластификатора в составе бетонов (рис. 11). Оптимальные с точки зрения повышения прочности бетона и подвижности смесей дозировки суперпластификатора зависят от количества МК и содержания диоксида кремния в нем (табл. 8).

Рис. 11. - Влияние дозировок МК и суперпластификатора С-3 на

прочность бетонов после ТВО (а) и подвижность бетонных смесей (б)

1, 2, 3, 4 - МК - соответственно 10;20;30;40% массы цемента. Пропаривание осуществлялось по режиму пропаривания 4+3+6+2 ч, 1_ИЗ=85°С.

Табл. 8. - Составы и прочность бетонов с добавками МК и суперпластификатора С-3 (данные А.В. Шейнфельда)

Маркировка состава	Дозировка МК, % Ц	Состав бетона, кг/мЗ	Дозировка СП С-3 в бетонных смесях, % (Ц+МК)	В/Вяж	ОК* см	Прочность бетона нормального твердения, МПа
		Ц	МК	П	Щ	В
							без добавок	с добавкой МК
О	-	425	-	690	ИЗО	182	_	_	0,43	3	40
К	-	350	-	740	1175	154	0,5	_	0,44	3	40
1	10	315	32	725	1175	154	-	0,5	0,44	2...4	44...50
2	20	290	60	720	1175	154	-	0,6	0,44	2...4	46...56
3	30	270	80	715	1175	154	-	0,7	0,44	2...4	50...62
4	-	620	-	805	745	198	-	-	0,32	0	60
5	20	400	80	630	1115	153	-	_	0,32	0	75
6	20	400	80	645	1145	134	_	2,0	0,28	4	100
7	20	400	80	645	1150	137	-	-	0,28	6	82

* Приведена подвижность бетонных смесей со щебнем фракции 5...10 мм.

Результаты экспериментов подтверждены испытаниями бетонов в производственных условиях Абагурского завода ЖБИ Кузбассшахтостройиндустрии для опытных партий тюбингов и кессонных затяжек. Бетоны готовились на портландцементе марки 400 Топкинского завода (режим ТВО 3+2+8+2 ч при t_H3 =80°С). Анализ полученных данных показывает [41], что при установленных нормах расхода цемента, используя микрокремнезем и С-3 в оптимальных дозировках, можно через 24 ч нормального твердения получить бетоны прочностью на сжатие 26...29 МПа, а сразу после ТВО - прочностью 80...100 МПа. Это открывает перспективу создания беспропарочной технологии выпуска железобетонных конструкций, получения высокопрочных бетонов на рядовых портландцементах и существенной экономии цемента.

Были приведены результаты исследования влияния МК на кратковременные и длительные деформативные характеристики бетона и определение с этих позиций оптимального количества микронаполнителя в составе бетонных смесей.

Результаты кратковременных испытаний показывают (табл. 9, рис. 12), что при замещении 28,5% цемента на МК прочность бетона оптимального состава не снижается по сравнению с контрольным (состав №1). При этом повышается коэффициент призменной прочности и снижается начальный модуль упругости, который отличается от нормативов, предусмотренных СНиП 2.03. 01-84, на 14,0%. Бетон с МК при уровне нагружения, близком к разрушающей нагрузке (0,9 R_B),имеет продольные и поперечные деформации, превышающие соответствующие значения для контрольного бетона. Деформации увеличиваются соответственно увеличению расхода микронаполнителя в составе бетона, т.е. введение МК изменяет предельную растяжимость и сжимаемость бетонов. При этом верхняя граница области развития микротрещинообразования R_B^crc, соответствующая увеличению коэффициента поперечной деформации до 0,5, у бетонов состава №2 по абсолютному значению остается достаточно высокой:

R_B^crc=0,89R_B. Результаты исследования процессов усадки и набухания бетонов, твердевших в нормальных условиях, показывают (рис. 13), что усадочные деформации в образцах №1 (контрольном) и №2 (с расходом МК 116 кг/м³), стабилизируются к 100 сут. При этом деформации в бетонах с МК в 5 раз меньше, чем в контрольных образцах. В образце состава №3 с повышенным количеством МК (142 кг/м³) усадочные деформации не наблюдаются. Более того, уже в начальные сроки твердения проявляется небольшое расширение, которое сохраняется на постоянном уровне и в последующие сроки.

После стабилизации усадочных деформаций бетоны с МК при погружении в воду проявляют повышенную способность к набуханию. Деформации набухания увеличиваются с повышением количества МК в составах бетонов (образцы №2 и №3). Этому способствует повышенное водопоглощение бетонов с микронаполнителем: например, образцы с повышенным содержанием вяжущего, в том числе МК (состав №3) в процессе испытаний поглотили воды на 27% больше контрольных.