Прочность бетона с минеральными добавками

В то же время прочностные эффекты добавки будут различными в зависимости от того, взамен какого компонента бетона она вводится. Эволюцию взглядов на способы введения МД наглядней всего можно проследить на примере золы ТЭС.

Зола ТЭС была первой добавкой, широко применяемой в бетонах, начиная с середины прошлого века. При этом можно выделить два этапа ее применения.

На первом из этапов зола вводилась взамен цемента и рассматривалась как часть вяжущего. Прочность бетона при этом снижалась, а интерпретация результатов была затруднена. В итоге примешались лишь небольшие дозировки золы, порядка 5-10% от массы цемента, что не давало значительного технического эффекта Следует отметить, что содержание минеральных добавок при таком подходе возрастает с увеличением расхода цемента.

В дальнейшем от этой концепции отказались и стали рассматривать золу как независимый компонент бетона. Это позволило вводить ее в гораздо больших количествах при одновременной замене цемента и песка, что повысило эффективность и привело к широкому практическому применению золы в бетоне. Чтобы определить пропорции замены, нужно получить исходную информацию о прочностном эффекте золы. Лучше всего это сделать при ее введении взамен песка. В этом случае наблюдаются наибольшие прочностные эффекты и выраженные оптимумы прочности.

Наблюдается экстремальный характер изменения прочности при введении золы: сначала она увеличивается, но, достигнув максимума, начинает снижаться. Рост прочности тем больше и оптимальный расход золы тем выше, чем меньше содержание цемента в бетоне. И наоборот: при высоких расходах цемента введение золы вызывает снижение прочности.

Просуммировав оптимальные расходы золы и соответствующие им расходы цемента, можно видеть, что содержание дисперсных частиц (цемент + зола) в бетонах максимальной прочности составляет примерно постоянную величину: 420-480 кг/м³.

Золы повышенной дисперсности и пониженной водопотребности дают более высокие прочностные эффекты. Они в ряде случаев оказывались эффективными и при высоких расходах цемента. В то же время время влияние дисперсности зол на прочность оказывается относительно небольшим. При росте их удельной поверхности с 2000-3000 см2/г до 4000-5000 см2/г прочность бетона увеличивалась на 5—20%. Домолотые золы дают несколько больший прирост прочности.

В среднем можно считать, что введение оптимальных количеств золы повышает прочность бетонов от 20% при средних расходах цемента до 70% при низких. В равнопрочных бетонах экономия цемента увеличивается с уменьшением прочности бетона, достигая 60—80 кг/м³ при прочности 20-15 МПа. Но это справедливо при расходах золы, соответствующих оптимуму прочности, т. е. достигающих 200 кг/м3. При обычно применяемых расходах золы 100-150 кг/м³ экономия цемента составит до 50—60 кг/м³.

Прочностные эффекты других групп минеральных добавок обычной дисперсности определяются сочетанием их свойств (дисперсность, водопотребность, пуццолановая активность). Как и для зол, они зависят от расхода цемента в исходном бетоне, уменьшаясь, а затем и исчезая при его росте.

Кинетика роста прочности бетонов с золой по сравнению с бездобавочным бетоном существенно изменяется. Как уже отмечалось выше, для зол пуццолановая реакция начинается поздно и в течение первого месяца твердения протекает медленно. Ранняя прочность бетонов с золой ниже, чем бездобавочных бетонов той же стандартной прочности. Это может создавать проблемы при необходимости быстрого получения распалубочной прочности. Для ее достижения иногда приходится снижать дозировку золы.

В то же время основная часть пуццолановой реакции приходится на возраст более 30 суток. Соответственно, и рост прочности бетонов с золой и другими активными добавками в поздние сроки — до 3-6 месяцев и даже до 1 года — протекает более активно, чем у обычных бетонов.

Микрокремнезем начал вводиться в бетоны с 70-х годов прошлого века. Он отличается от зол значительно большей дисперсностью и химической активностью. Поэтому проявляет дополнительный эффект — заполняет пустоты между зернами цемента (чего не происходит с золами обычной дисперсности).

В то же время микрокремнезем имеет высокую водопотребность (до 100%). Это в большой степени обесценивает его положительные свойства. В итоге при введении микрокремнезема происходит примерно такое же повышение прочности, как и для зол ТЭС. Поэтому микрокремнезем вводят в бетоны совместно с суперпластификатором. Часто дозировка последнего подбирается такой, чтобы водопотребность смеси не менялась. Кроме меньшей водопотребности, суперпластификатор обеспечивает и разрушение флокул микрокремнезема, которые вследствие его высокой дисперсности образуются еще в большей степени, чем в цементе.

При этом применение микрокремнезема ограничивается высокой стоимостью, тем более при одновременном введении суперпластификатора. Применять его в обычных бетонах нет смысла (для этого есть дешевые золы). «Ниша» микрокремнезема — получение бетонов высокой прочности. Так как расход цемента сверх 400—500 кг/м³ увеличивать нецелесообразно, основным путем дальнейшего повышения прочности таких бетонов является введение суперпластификаторов и микрокремнезема.

При введении в бетон микрокремнезема, как и зол, наблюдается максимум прочности. Оптимальное его количество находится в пределах 15—30% от массы цемента. Но обычно используются меньшие дозировки: 10—15%. Причиной является активное связывание микрокремнеземом Са(ОН)₂. При больших его расходах возможно полное исчезновение «щелочного фонда» и нарушение защитного действия бетона по отношению к арматуре.

Для бетона с В/Ц = 0,5 (ОК = 6 см) замена 10% цемента при одновременном введении суперпластификатора для пяти видов отечественного микрокремнеза привела к росту прочности на 14-34%. При 20% замене рост прочности составил 25-50%.

Инертные добавки, во-первых, дают меньший прирост прочности, чем золы, а во-вторых, эффективны для более узкого диапазона составов бетона, в основном низкой прочности. Так, молотый песок (часто используемый как эталонная инертная добавка) не давал прироста прочности в бетонах с расходами цемента >300 кг/м³.