Использование минеральных добавок в технологии монолитного бетона и производстве сборного железобетона И. В. Коваль, канд техн наук, заместитель генерального директора по науке «Полипласт Северо-запад»

Таблица 1.

Минеральная добавка	Тип добавки	Изменение активности вяжущего Ra при вводе минеральной добавки в количестве…от массы вяжущего (коэффициент изменения активности KRa)
		5%	10%	15%	20%	30%
МКУ-85	АМД	1,1	1,2	1,25	1,25	1,25
МКУ-95	АМД	1,15	1,25	1,3	1,3	1,3
Шлак молотый	АМД	1,03	1,05	1,03	1,0	0,9
Зола уноса	АМД	1,05	1,1	1,15	1,0	0,95
МП порошок	ИМД	1,05	1,0	0,85	0,80	0,65
Доломитовая мука	ИМД	1,00	0,95	0,80	0,75	0,65

Несмотря на нерешенные в должной мере научно-технические проблемы, например влияние количества минералогии АМД и ИМД на нормируемые показатели долговечности бетона (морозостойкость, сульфатостойкость, коррозионная устойчивость) можно сформулировать практические количественные ограничения по их вводу. При повышенных расходах АМД и ИМД в составе цементного вяжущего и высоком замещении доли цемента существует возможность снижения РН в цементном камне ниже 10…11, что может негативно сказаться на пассивном состоянии арматуры при эксплуатации железобетонной конструкции. Влияние некоторых видов и дозировок МД может быть негативным.
Например, для АМД микрокремнезема (microsilica) предельная величина введения в состав вяжущего не более 15%. При этом эффективные дозировки МК в пределах 8…10%. Минимальное количество микро­кремнезема на пределе возможностей определения качественных изменений характеристик смесей и бетонов для большинства строительных лабораторий составляет не менее 4…5% от МВяж.
Следует отметить, что ЕN206-1 [5, 6] рекомендует принимать максимальное количество микрокремнезема не более 11% от массы вяжущего. Считается, что данное количество кремнезема может химически связываться в прочные нерастворимые новообразования за счет последующей перекристаллизации продуктов гидратации «первой волны», а остальное количество кремнезема свыше 11% будет отнесено к инертному наполнителю (ИМД).
Для шлака молотого (slag) дозировки находятся в пределах 10…30% от массы вяжущего в составе бетона. Многие исследователи и собственные испытания показывают, что введение шлака молотого в товарном бетоне замедляет кинетику набора прочности бетона на сжатие до 20…30% в суточном и до 10…15% в трехсуточном возрасте относительно «чистого цементного» состава бетона. При этом в 7-ми суточном возрасте отличия в кинетике практически не наблюдаются.
Оптимальное количество шлака молотого (по производственному опыту) не должно превышать 15…20% для «всепогодных массовых» составов товарного бетона классов В25…В30 (включая период осени и весны с пониженными температурами окружающей среды плюс 5…10°С).
При этом для теплого периода производства бетонных работ с апреля по сентябрь (средняя полоса России) эффективно сезонно увеличивать расход шлака до 30…35%.
Более осторожно следует использовать золы-уноса. Это связано с влиянием АМД на прочность в ранних и умеренных сроках (1…7 сутки) твердения бетона относительно «чистых» цементных бетонов. Влияние существенно превышает некоторое замедляющее действие шлака в составе смешанного вяжущего на кинетику набора прочности.
Отмечается, как правило, резкое снижение показателей прочности бетонов на сжатие в диапазоне от 1 до 7-х суток с величиной от 30…40% (в 7 суток) до 60…80% (в возрасте одних суток). Однако, начиная с 14-ти суточного возраста наблюдается выравнивание, и уже к 28-ми суточному возрасту расчетные показатели прочности бетона обеспечиваются в полном объеме.
В этой связи количество золы-уноса для «всепогодных» составов бетонов класса В25…В30 может быть рекомендовано до 10…12% от массы вяжущего и увеличено до 15…20% для сезонных «летних составов» бетонов с апреля до сентября. Однако для композиций специальных бетонов для массивных конструкций или высокопрочных бетонов с ограничением тепловыделения и трещинообразования можно допустить эффективное применение до 30% золы-уноса и до 40% шлаков молотых.
Можно ли комбинировать, применяя одновременно один-два вида АМД в сочетании с инертной ИМД и собственно цементом?
Можно и необходимо, например, при проектировании самоуплотняющихся бетонов (SSC) повышенных классов по прочности В45…В50 для массивных конструкций, высокопрочных и особо высокопрочных бетонов (UHPC) классов В60…В120 с ограничением трещинообразования и для решения некоторых других задач современного строительства. На практике часто встречаются сочетания: цемент+микрокремнезем+шлак или цемент со шлаком и инертной минеральной добавкой.
Как влияет использование АМД или инертной МД на показатели активности вяжущего?
Подобная информация всегда используется для расчетов проектной прочности бетона по существующим функциональным зависимостям. Без данной оценки затруднительно провести нормальный подбор состава с минеральной добавкой. Строго говоря, необходимо использовать нормативные методики оценки активности [3, 4]. Однако в ряде случаев отмечается явный недостаток времени на техническое проведение данных экспериментов, требующих оценки в проект­ном возрасте 28 суток. В этом случае допускаем использование следующих обобщенных рекомендаций по оценке изменения активности смешанного вяжущего Rа, пригодных для практических расчетов.
К примеру, применение микрокремнезема марки МКУ-85 в общем количестве вяжущего 5% ведет к увеличению активности вяжущего Ra примерно на 10%. Подобное увеличение для марки МКУ-95 с дозировкой в 5% от МВяж влияет на повышение прочности на 15%. Применение уже 10% МКУ-85 от МВяж позволит поднять величину Ra на 20%. Такое же количество МКУ-95 приведет к росту Ra минимум на 25%.
Использование шлака молотого в дозировке 10% от массы вяжущего увеличивает активность вяжущего в проектном возрасте на 5…7%. Увеличение дозировки до 20% ведет к сохранению фактической активности цемента. Применение шлака в 30% в дозировке снизит активность вяжущего порядка 10% по сравнению с составами без введения шлака с равными значениями В/Ц и В/Вяж отношений.
Инертные минеральные добавки в дозировках до 10% от массы вяжущего практически не изменяют показатели активности вяжущего. Этот часто отмечаемый эффект наиболее вероятно связан с некоторым улучшением показателей по плотности бетонной смеси, снижению явлений расслоения и т.д.
Однако дальнейшее увеличение дозировок инертных МД снижает активность вяжущего. Так, при дозировке 15…20% от МВяж рекомендуется применить к Ra понижающий коэффициент 0,85…0,8, а при дозировках 25…30% – коэффициент 0,7…0,65 к показателям активности конкретной марки цемента. Для упрощения понимания данные сводим в табл. 1.
В используемые формулы прочности рекомендуем вводить пониженные или повышенные с учетом табл. 1 коэффициенты КRA – к значению Ra и сниженную или расчетную величину В/Вяж – за счет действия пластификаторов. Это позволит получить все заданные прочностные характеристики в бетонах при замене части цемента на инертные или активные минеральные добавки.
Какие технологические свойства бетонной смеси изменяются в случае применения минеральных добавок?
В целом это зависит от вида используемой минеральной добавки и направления проектирования бетона. Как правило, АМД с повышенной удельной поверхностью (выше, чем в цементе) улучшают показатели водо- и раствороотделения бетонной смеси по ГОСТ 7473-2010 [7].
В тоже время введение ИМД с небольшой удельной поверхностью в количестве 20…30% от массы вяжущего в случае их прямой количественной замены на цемент в составе, способно ухудшить показатели по расслоению смеси и даже провоцировать блокировку смеси в бункерах (бадьях) и бетононасосах. В отдельных случаях отмечается снижение плотности бетонной смеси, что приводит к уменьшению соответственно прочности бетона в проектном возрасте 28 суток. В меньшей степени наблюдается негативное влияние АМД и ИМД на показатели сохраняемости бетонной смеси. Как правило, АМД и ИМД незначительно воздействуют на показатели сохраняемости смеси, хотя имеются примеры положительного влияния, например, зол-уноса, но в большей степени влияние оказывают: цемент, его особенности по минералогии, расход и свойства используемой химической добавки, а также температура окружающей среды и самой бетонной смеси.