Влияние на активните минерални добавки върху свойствата на цимента и бетона

Производителите на бетон се интересуват предимно от въпроса: как различните видове активни минерални добавки влияят върху свойствата на портландцимента?

Основният компонент на материалния състав на портландцимента е портландциментовият клинкер.

В съответствие с изискванията на приложение А GOST 30515-97 „Цименти. Общи спецификации, активна минерална добавка към цимента се счита за такава минерална добавка, която във фино раздробено състояние има хидравлични или пуцоланови свойства.

Портланд циментовият клинкер е продукт, получен чрез изпичане преди синтероване или топене на суровина с правилния състав и съдържаща главно високоосновни силикати и (или) високо- или нискоосновни калциеви алуминати.

Суровината за производството на портландцимент е варовик или мергел и глина.

Химическото взаимодействие на цимента с водата е придружено от образуването на кристални хидрати с различна форма, които са трудно разтворими в прясна и минерализирана вода и са устойчиви на атмосферни фактори. В резултат на хидратация на клинкерни минерали се образува циментов камък с уникални свойства, което позволява да се получи висококачествен изкуствен камък с определена форма и размер, т.е. бетонен продукт, от разрушени скали (пясък, трошен камък, камъчета) с оптимизиран зърнен състав [1–4].

Взаимодействието на зърнения портландцимент с вода започва веднага след смесването. Определено количество кристални хидрати, образувани в началния период на хидратация, позволява да се получи пластично и обработваемо циментово тесто, което прави възможно формирането на бетонови изделия.

В резултат на протичащата реакцияхидратация, постепенно се образува плътен и издръжлив циментов камък.Основният и най-полезен компонент на камъка са влакнести люспести или дребнозърнести каменни хидросиликати с обща формула CxSyHz.

В науката за цимента са приети следните обозначения: C - CaO, S - SiO2, H - H2O, A - Al2O3.

Колкото по-ниска е основността на хидросиликатите, толкова по-пълно се използва тяхната потенциална химическа енергия, вложена в клинкера, толкова по-издръжлив и по-здрав е образуваният циментов камък. По време на хидратацията на калциевите силикати се образува Ca (OH) 2, най-разтворимият и химически активен и следователно уязвим компонент на циментовия камък.

Хидратацията на калциевите алуминати и алуминоферити в присъствието на гипс води до образуването на етрингит, който при последващо втвърдяване се трансформира в моносулфатната форма C4ASH12. Получените хидроалуминати и калциеви хидросулфоалуминати допринасят за бързото образуване на структурата на устойчив изкуствен камък в началния период на втвърдяване на цимента. Хидроалуминатите претърпяват и други фазови трансформации с образуването на кубични хидрогранати, които отслабват структурата на камъка.

След химично свързване, изпаряване и осмотично засмукване на водата в цимента, а оттам и в бетонния камък се образува развита система от пори. Основните експлоатационни свойства на създадения изкуствен камък, като издръжливост, устойчивост на замръзване, устойчивост на корозия, здравина, определят структурата на камъка и неговото пространство на порите: размерът и формата на порите, техният брой и форма на връзка помежду си. В големи пори водата замръзва при температури до -20°C, в малки пори - до -50°C или изобщо не замръзва при климатичните условия на експлоатация в България. Това явление се дължи на различни стойности на налягането вътре в порестия камък. По-малкотопорите, толкова по-плътен и по-силен е създаденият камък.От своя страна размерът и броят на порите зависят от минералогичния състав на клинкера, съотношението вода-цимент и повърхностното напрежение на границата.

Портландциментът обикновено съдържа до 1% алкални оксиди.

Тяхната миграция към повърхността на бетона и по-нататъшното им карбонизиране са една от основните причини за образуването на ефлоресценция по повърхността на втвърдения бетон. Определящият фактор при образуването на ефлоресценция обаче е плътността на бетонната каменна конструкция.

Образуването на плътно опаковане чрез оптимизиране на съотношението между едър и фин добавъчен материал определя свойствата на структурата на формирания изкуствен камък, като се вземат предвид: обемната и средната плътност на добавъчните материали, коефициентът на разширение на едрите добавъчни зърна с разтвор, празнината на едрия добавъчен материал и повърхностните свойства на специфичните видове суровини на бетонната смес.

Просто казано: изсипваме максималния възможен брой сравнително големи (с билярдна топка) камъни в контейнера, изсипваме натрошен камък отгоре, разклащаме го - натрошен камък запълва празнините между камъните. Изсипваме кварцов пясък, разклащаме го - пясъкът запълни празнините между развалините. Изсипваме цимент, разклащаме го - циментът запълни празнините между пясъчните зърна. Изсипете пигмента, разклатете го - пигментът е запълнил празнините между зърната цимент. Тоест компонентите се изсипват, започвайки от голяма фракция и завършвайки с малка. В този случай всички компоненти трябва да са сухи. При наличие на вода над 0,3% няма да настъпи максималното проникване на по-малките компоненти на суровата смес в празното пространство между по-големите, тъй като в допълнение към процеса на хидратация на цимента, който ще започне веднага след контакта на цимента и водата, силите на повърхностно плъзгане на материалите ще бъдат изравнени от силите на триене. Защотобетонови заводи получават бетонова смес с ниско качество.

Правилният процес на приготвяне на бетонна смес се основава на оптималното съотношение на компонентите на бетоновата смес, при стриктно спазване на физическата закономерност на опаковането на зърната и частиците, при условие че междузърнестият обем е запълнен и всички по-големи зърна се раздалечават от зърна или частици с по-малък размер, както и всички зърна и частици се раздалечават от водни слоеве.

В бетонните заводи понякога мокър пясък се излива в мръсен бетонобъркачка, след това се излива натрошен камък, цимент и вода, тоест всичко се прави неправилно. Но е невъзможно да го направите правилно, тъй като остриетата за принудително смесване на бетоновата смес не достигат дъното на миксера и не купуват сух пясък и чакъл - това е икономически неизгодно. Изгодно е да направите грешна бетонна смес. Всъщност във всяка фабрична технологична схема за приготвяне на бетонова смес няма достатъчно високоскоростен миксер за смесване на сухите компоненти на сместа, преди да се намокри с вода.

Пластмасовият бетон трябва да се смесва в обратен ред: вода, цимент, пясък, натрошен камък. В същото време бетонобъркачката трябва да е херметична. При производството на декоративна бетонна смес във водата може да се въведе разтворима форма на алкално- и светлоустойчиви оцветители, т.е. бетонната смес може да бъде оцветена с „цветно мастило“. Тази практика съществува при производството на цветни тротоарни плочи.

По-целесъобразно е да се въведе неразтворима форма на оцветяващо вещество, пигмент, под формата на тонираща паста в готовата бетонна смес с допълнително смесване.

При производството на бетонова смес най-важният и значим от икономическа гледна точка е факторът на недостатъчното използване на химическата енергия на портландцимента, което се изразява в преразхода му за единица якост на бетона.

общполезно свойство на химичните реакции е тяхното по-пълно протичане. Например, ако едно от образуваните нови вещества се отстрани от реакционната сфера поради свързването му в слабо разтворимо съединение, като Ca (OH) 2, образувано в резултат на реакцията на хидратиране на C3S, се свързва с активен силициев диоксид или алумосиликатно стъкло на минерална добавка. Активните минерални добавки имат общо свойство - способността за киселинно-алкално взаимодействие с калциев хидроксид с образуването на практически неразтворими хидрати, което допринася за увеличаване на количеството на хидросиликатите и намаляване на тяхната основност, което е изключително важно за образуването на плътен и издръжлив камък, което му дава способността за дълготраен растеж на якостта.

Благодарение на разглежданите процеси портландциментът, който съдържа освен портландциментов клинкер и гипс, активна минерална добавка, постепенно се сравнява по сила с портландцимент без добавки, а след това дори го превъзхожда по този показател.Това елиминира ефлоресценцията и алкалната корозия на бетона, а също така повишава неговата сулфатна устойчивост.

1. ГОСТ 27006-86. Бетон. Правила за избор на отбор.

2. Pat. 2005699 RF, C 1, 5 C 04B 28/00. Метод за проектиране на състава на смес от пясъчен бетон.

3. Pat. 2005700 RF, C 1, 5 C 04B 28/00. Метод за проектиране на състава на смес от лек бетон.

4. Pat. 2014305 RF, C 1, 5 C 04 B 28/00 Метод за определяне на консумацията на фини и едри добавъчни материали в бетонова смес.