Природные добавки
К этой группе добавок относятся прежде всего вулканические породы (туфы, пеплы, трассы и др.). Позднее этот термин был распространен и на вторую группу природных добавок — осадочные породы (диатомит, трепел, опока), иногда он применяется и для всех активных МД.
Сегодня использование природных минеральных добавок не имеет смысла, так как имеются качественные отходы промышленности, уже находящиеся в измельченном состоянии и к тому же требующие утилизации.
Промышленные отходы
В качестве МД используют различные виды отходов, но наиболее важными являются:
- золы ТЭС;
- микрокремнезем.
Обособленное положение занимают доменные шлаки. В отличие от пуццолановых добавок они содержат повышенное количество СаО (35-50%) в виде низкоосновных силикатов, поэтому способны к некоторому самостоятельному твердению. Их активность является не пуццолановой, а скрытогидравлической, пробуждаемой уже небольшими добавками извести.
Кристаллический кремнезем — кварц — при обычных температурах инертен по отношению к извести. Он активизируется только при автоклавной обработке.
Последняя содержит глинистые вещества, кварц, карбонатные породы. При их обжиге и образуется зола. В топке органическая часть угольных частичек в основном сгорает. Быстрое охлаждение при выносе из топки приводит к образованию из расплава главным образом стекловидной фазы. Зола сухого удаления имеет более высокие и стабильные свойства. Она и используется в бетонах.
Химический состав зол характеризуется содержанием SiO2 35-60%, А1203 15-35%, Fe20, 1-20%, СаО 1-30%, в меньших количествах находятся MgO, SO3, щелочи и другие соединения. В зависимости от содержания СаО золы делятся ни низкокальциевые (кислые) и высококальциевые (основные). Последние содержат 10—30% СаО, часть его остается в свободном (пережженом) состоянии. Это может приводить к неравномерному изменению объема при твердении цементно-зольных смесей и вызывает сложности при применении таких зол.
В качестве активных МД используется низкокальциевые золы (СаО =10%). Они состоят главным образом из алюмосиликатного стекла (80% и более), которое и определяет их пуццолановую активность. Кристаллическая составляющая незначительна и практически инертна.
Применение зол ТЭС в бетонах обеспечено нормативной базой: имеется стандарт и рекомендации.
Микрокремнезем — побочный продукт, образующийся при получении кремния и его сплавов (например ферросилиция). При становлении кварца (SiO2) до металлического кремния, происходящем при температурах порядка 2000 °С, образуется некоторое количество газообразного SiO. Он улетучивается из реакционного пространства и охлаждается. Окисляясь до SiO2, газ конденсируется в виде сверхмелких частичек микрокремнезема. Именно конденсацией из газовой фазы объясняются такие размеры его частиц. Они имеют средний размер порядка 0,1 мкм, т. е. примерно в 100 раз мельче частиц цемента и золы. Удельная поверхность микрокремнезема составляет 18000— 25000 см2/г против 2000—4000 см2/г для золы и цемента. Находясь в столь дисперсном состоянии и будучи аморфным, он обладает высокой пуццолановой активностью и является эффективным микронаполнителем, так как заполняет пустоты между зернами цемента.
Содержание SiO2 в микрокремнеземе составляет 85-98%. При его повышении качество микрокремнезема существенно улучшается. Его недостатком, ограничивающим расход в бетоне, является высокая водопотребность — на каждый килограмм введенной в смесь добавки расход воды возрастает в среднем на 1 л. Поэтому его обычно вводят совместно с суперпластификатором.
Микрокремнезем получают как в сухом виде, так и в виде суспензии. В связи со сверхвысокой дисперсностью его насыпная плотность составляет 0,15—0,2 т/м3, что вызывает сложности при его транспортировке. Поэтому он используется в уплотненных формах (гранулированный), либо в виде суспензии, например с 50% воды и плотностью порядка 1350 кг/м3. Последняя форма предпочтительна, так как диспергация пэанул, даже при длительном времени перемешивания, происходит неполно. Это уменьшает эффективность микрокремнезема.
Искусственные добавки
К искусственным минеральным добавкам относятся метакаолин и наносиликаты.
Метакаолин — продукт обжига каолиновых глин. Это высокодисперный порошок с размером частиц 1—5 мкм с большим содержанием аморфных SiO2 и А1203 (более 80%). Имеет высокую химическую активность, рассматривается как заменитель микрокремнезема. Метакаолин применяется в небольших дозировках: 6—10% от массы цемента. Он имеет высокую водопотребность, компенсировать которую приходится введением суперпластификатора. Но расход последнего также меньше, чем в бетонах с микрокремнеземом.
Наносиликаты — искусственно получаемые наночастицы аморфного кремнезема с удельной поверхностью примерно в 10 раз большей, чем у микрокремнезема, и минимальными размерами частиц порядка 10 нм. Это аэросил, осажденный кремнезем, коллоидный кремнезем. Они производятся для различных целей, но начинают применяться и для бетона.
