Исследование влияния пуццоланов на улучшение механических свойств бетона
Авторы: Мортеза Чекэниэзэр и Амин Хезэми
Источник: http://www.textroad.com/pdf...
Поскольку количество железобетонных конструкций постоянно увеличивается, возникает необходимость исследовать пуццоланы, улучшаюшие механические свойства бетона. Таким образом, осуществление исследований различных компонентов бетонной смеси в последние годы привело к появлению бетона, который не только прочный, но проявляет и другие свойства, такие как износоустойчивость, водонепроницаемость, эффективность, и устойчивость к разным факторам, например, огнеупорность, что значительно меняет его значение и применение. В данной статье, после краткой характеристики бетона, представлена история пуццоланов, использование остаточных материалов, таких как микрокремнезем, золо-унос, которые вызывают загрязнение окружающей среды. Кроме того, дается характеристика химических и физических свойств нанокремнезема и микрокремнезема, и дается определение шлаку и золо-уносу.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Пуццоланы, бетон, микрокремнезем, золо-унос.
Такие характеристики бетона как износоустоичивость, прочность и выгодность сделали его самым распространенным строительным материалом. Бетон используется в строительстве высотных зданий, мостов, дамб, дорог и т.д., поэтому для достижения отличных результатов в использовании бетона необходимо знание его характеристик. Износоустойчивость бетона – это способность бетона противостоять воздействию окружающей среды, химическому влиянию и абразии. На максимальный срок службы бетона [2] влияют такие факторы как его компонентные составляющие, взаимодействие между ними и способ изготовления бетонной массы [2]. Как правило, чем сильнее затвердел бетон, тем лучше его свойства. Несмотря на то, что между частицами бетона есть свободное пространство, эти пустоты заполняются и бетон затвердевает.
2.1 Влияние пуццоланов на бетон
Одним из самых важных пунктов исследования, проводимых специалистами этой отрасли, являются характеристики и процентное соотношение добавочных материалов к бетонной смеси, которые были сгруппированы в соответствии с их свойствами и использованием: шлюзы, покрытия, краски и т.д. [1-2]. Если принимать во внимание существование подвергающихся коррозии южных регионов страны (берега Персидского залива) и подобных условий в северных регионах (побережье Каспийского моря) [3-4], употребление этих материалов для предотвращения преждевременного разрушения и увеличения прочности железобетонных конструкций может повысить качество бетона [5].
Согласно нормам проектов гражданского строительства, в структуре строительных и исполнительных систем этих проектов, которая требует следовать стандартам BS 188 и ASTM 10202, полезным является использование бетона [6]. Первыми характеристиками, которые сразу упоминаются строителями, использующими бетон, являются стойкость и прочность. Mangat et al. [7] мог увеличить его силу уменьшением количества добавляемой воды, и мог преодолеть снижение стойкости, вызванной уменьшением воды, перемешиванием бетона в бетономешалке. Достигнутые успехи по улучшению свойств цемента с помощью других материалов получены в результате исследований и тестирования сотен типов химических и минеральных материалов. Постепенно исследователи [7-8] распознали материалы, которые влияют на свойства сырого бетона и затвердевшего бетона, называемые «дополнительными материалами». Сегодня в дополнении к расширению использования натуральных пуццоланов и использования остаточных материалов, таких как микрокремнезем, летучая зола и зола, образуемая при горении золы-уноса, было увеличено употребление минералов (например, каолин как примесь) изготовление и обеспечение смешанного цемента, включая добываемые материалы и виды металлических и неметаллических волокон.
2.2 Типы бетона
Пуццоланы – это материалы алюмосиликата, имеют кислотное состояние, и большое сродство к известняку. Отдельно эти материалы не имеют адгезионного свойства, но при обыкновенной температуре, в этих порошках с водой, составленных с гидроокисью кальция и производят кремнекислый кальций (как цемент), эти адгезионные свойства у них появляются. Естественные пуццоланы произведены быстрым охлаждением или гашением частиц лавы, и в них имеется кварц и некристаллы. Некоторые остаточные материалы промышленных или искусственных пуццоланов известны и используются; были уменьшены отрасли источника, но они производят дополнительные качества. Микрокремнезем и летучая зола - известные искусственные пуццоланы (кварцевый дым) [2-3-5-8]. Шлак доменной печи железного расплавления – это материал, похожий на цемент, но хотя у них меньше свойств пуццоланов, они пуццоланами не являются.
2.3 Микрокремнезем
Микрокремнезем – это порошок серо-белого цвета, классифицируемый как примесь со свойствами цемента, на практике рассчитывается соотношением цемента. Иногда для обозначения микрокремнезема используются другие названия, наиболее распространенное - кварцевый дым, это название было принято Американским институтом бетона (ACI), техническая организация, насчитывающая 20000 работников по всему миру. ACI описывает микрокварц как: "кварцевый дым - очень хрупкий и некристаллический продукт, произведенный обсужденным кремнийорганическим материалом или коридор, такой как кремнийорганический материал." Микрокремнезем - остаточный продукт процесса обжига железнокремния в электрической печи. Произведенные материалы обладают сильной реакцией, и добавляя их небольшое количество в бетон, его характеристики возрастают [5]. Для того, чтобы сохранить окружающую среду, сначала устанавливают фильтр и мощный пылеочиститель, чтобы отделить кварцевый дым от отработанных газов, и предотвратить его распространение в пространстве. Вещества, собранные в пылеочистителях, должны быть помещены в соответствующее место, чтобы не рассеяться ветром в пространстве; для этого собранные вещества обычно смешивают с водой и перемещают по трубе в специально-отведенное помещение. Преимущества микрокремнезема состоят в увеличении сопротивления и силы, абразивной стойкости, теплостойкости, пуццоляновые свойства микрокремнезема, снижении пористости и увеличении адгезии, и меньшего количества водоотделения. Микрокремнезем нельзя использовать для бетона с сопротивлением напора до 98 Мр, но его наличие необходимо для более высоких сопротивлений. Даже в создании бетона с сопротивлением между 63 - 98 Мр, использование микрокварца уменьшает сопротивление, то есть, если нет никаких экономических проблем, микрокремнезем обычно рассматривают как часть бетона высокого сопротивления. Сегодня, микрокремнезем более сжат, и его вес приблизительно удваивает последний вес (400-500 кг/м3).
2.3.1 Физические свойства микрокремнезема
Размер частиц: меньше чем 1 мм, Объемная плотность: 130-430 кг/м3, Удельная масса: 2.2, Удельная поверхность: 15-30 м2/г.
2.4 Нанокремнезем
Наночастицы – это материалы, у которых хотя бы одно из измерений (длина, ширина, и толщина) составляет 100нм. Из-за своих свойств, наночастицы рассматриваются в промышленности, и в университетах. В индустрии, из-за потребности в устойчивости, силе, износостойкости и высокой производительности, строительная промышленность является одной из важных потребителей наночастиц. Некристаллический нанокремнезем является более микролитическим продуктом, чем микрокремнезем. Можно сказать, что микрокремнезем - продукт высокого диапазона по нанометру; оба из этих материалов используются в функции составного материала цемента. Важно упомянуть, что у частиц нанокремнезема более высокая реакционная способность чем у микрокремнезема. Стоимость микрокремнезема в Иране составляет 2500-5500 риалов за килограмм, а его стоимость в Европе - 0/25-0/5 евро за килограмм. Согласно упомянутым затратам, можно сказать, что затраты подобны в Иране, и в Европе, но в Иране нанокремнезем не доступен, и в случае необходимости Иран вынужден импортировать его из других стран, но стоимость нанокремнезема жидкости нанокремнезема в Европе составляет 0/45-0/9 евро.
2.4.1 Физические свойства нанокремнезема
Нанокремнезем сделан из некристаллических частиц коллоидной окиси кремния, меньше чем 100 мл в диаметре, доступен как частицы сухого порошка или в жидком состоянии, причем последний вариант - самый распространенный. Другая причина высокой реакционной способности нанокремнезема - мелкослойность частиц нанокремнезема сравнительно с микрокремнеземом.
2.5 Химические свойства нанокремнезема и микрокремнезема
Некристалличность микрокремнезема составляет больше чем 90 %, а нанокремнезема - больше чем 99 процентов, и это различие - одна из причин высокой реакционной способности нанокремнезема, чем микрокремнезема.
2.6 Реакции микрокремнезема и нанокремнезема в бетоне
Преимущества выявлены после добавления микрокремнезема в бетон и выявления двух видов микроскопических изменений в бетоне. Первое вызвано физическими свойствами микрокремнезема, второе - химическими изменениями в бетоне. В этой части мы кратко объясняем эти два изменения. Поскольку реакции микрокремнезема и нанокремнезема в бетоне подобны, в этой части мы обращаем внимание на результаты микрокремнезема в бетоне, но когда есть изменения в функциях этих двух пуццолановых материалов, в некоторых частях статьи мы это также упоминаем и исследуем изменения.
2.6.1 Физические реакции
Добавляя микрокварц или нанокремнезем к бетону, также в бетонную смесь попадают миллионы крошечных частиц, и как микролитические заполняют свободное пространство свободное пространство между макролитическими. Они также заполняют пустоты между частицами цемента. Создавая это состояние, эти микрозаполнители играют важную роль в улучшающихся характеристиках бетона, даже если микрокремнезем и нанокремнезем не показывают химического процесса.
2.6.2 Химические реакции
Гель C-S-H произведен в процессе гидрации портландцемента. Этот гель - основной продукт цемента, некристаллического гидрата кремнекислого кальция, у которого есть состояние адгезии. Приблизительно 20-25 процентов этого геля гидратирует и производят кальций гидроокиси кальция Сa(OH)2, самую слабую составляющую бетона, основные разрушения железобетонной конструкции приходятся на эту часть. В отличие от геля C-S-H, кристаллы гидроокиси кальция больше по размеру. Вследствие реакции с гидроокисью кальция микрокварц производит гидраты кремнекислого кальция и алюмината, эти изменения значительно улучшают характеристики бетона. Можно утверждать, что увеличение на 20 процентов микрокремнезема должно состоять из пуццелановых материалов. Тесты показывают, что реакция материалов нанокремнезема с гидроокисью кальция более быстрая чем микрокремнезем. Меньшее количество этого материала имеет тот же самый пуццелановый эффект большого количества микрокварца в начальной стадии.
2.7 Шлак
Типы шлака на сталеварных и чугунных заводах включают: 1) шлак доменной печи (BFS), 2) стальной шлак (включает: шлак дуговой электропечи (EAFS), oксигеновой и основной печи, горящей печи). Стальные шлаки используются в асфальтоукладке, гравий - в структурировании основы и вспомогательной базы, в создании бетона, как насыпь. Из-за надлежащей плотности и силы, шлак доменной печи может использоваться в качестве гравия вбетоне. Екстра и повреждающих частиц шлака доменной печи должно быть меньше чем 1 процент. Свойства этих гравиев меняются согласно их составу и охлаждающей скорости. Использование шлака доменной печи в создании бетона улучшает такие его свойства: стойкость, теплоизоляция, огнеупорность, стойкость против щелочных сред иморозостойкость, цикла замораживания и непрерывного расплавления, износоустойчивость, твердость, адгезия гравия к цементу из-за формы и ткани шлака, высокая емкость загрузок, для достижения сжатия необходимо меньше энергии, надлежащее качество дренажа, увеличение использования асфальта.
2.8 Летучая зола
Летучая зола широко использовалась в бетоне в течение многих лет. К сожалению, летучая зола более изменчива и в химических, и в физических свойствах чем микрокремнезем. У любого типа летучей золы в обыкновенном бетоне хорошо функционируют в бетонах свысокой стойкостью. Бетон со стойкостью до 70 Мр создан с летучей золой. Встречаются случаи относительно достижения стойкость до 98 Т. пл. в бетонах с летучей золой. Чтобы достигнуть более высокой стойкости, микремнезем должен использоваться летучей золой, хотя раньше это не было распространено. Обычно, количество использованной летучей золы в бетонах с высокой стойкостью составляет приблизительно 15 процентов цемента. Очень важным является контроль качества на фабрике, что включает в себя определение специальной поверхности кратчайшего расстояния и химических веществ этого материала (особенно Al2O3, SiO2, CaO, Fe2O3, щелочной, сульфат, и углерод), как и микрокремнезем, важно контролировать его уровень кристаллизации. Летучая зола обладает лучшими стеклянными материями.
3 Золо-унос
Поскольку количество железобетонных конструкций постоянно увеличивается, возникает необходимость исследовать пуццоланы, улучшающие механические свойства бетона. Среди них, использование золы-уноса, найденного порошкующимся в сельских районах, приводит к снижению загрязнения окружающей среды, снижению цены на бетон, улучшению эффективности, долговечности, износоустойчивости и т.д. в бетоне. Из-за неподходящего хранения золы-уноса, которого главным образом производят в сельских районах, он вызывает экологическое и атмосферное загрязнение.
3.1 Влияние золы-уноса на бетон
3.1.1 Эффективность бетона
Легкое бетонирование, застывание свежеуложенной бетонной смесь и прочность называют эффективностью. Вследствие его сферической формы и увеличению материалов цемента, использование золы-уноса может увеличить его эффективность. Важным является использование этих пуццоланов как фильтр и стабилизатор в самозастывающих бетонах для твердости и прочности.
3.1.2 Время (срок схватывания)
Для определения застывания бетона важно знать скорость реакции цемента и воды. Первичная реакция должна быть достаточно медленной, чтобы иметь достаточно времени, для транспортировки и выливания бетона. При использовании золы-уноса конкретного времени для изготовления бетона нет. Однако, для получения высокой скорости застывания бетона, заметных изменений в обыкновенном бетоне нет.
3.1.3 Растекание
Растекание выходит вследствие оседания твердой частицы (цементного материала и гравия) и одновременного восходящего движения воды. Скорость растекания и оседания общего объема увеличилась вследствие первичной высоты бетона с первичным количеством воды, высоты бетонной массы и давления. Вследствие растекания бетона верхний слой бетона водянистый, а добавляя следующий слой бетона на этот, добавление этой дополнительной воды создает очень слабые, пористые, и неосновательные слои бетона между этими двумя. Бетонное растекание усиливает риск замораживания, особенно в тонких пластинах и сверхструктурах. Растекание бетона не обязательно неустойчивое, если вода испаряется, состав смеси гидравлического цемента будет убывать и сила увеличится. Использование золы-уноса увеличивает объем цементных материалов и уменьшает растекание бетона.
3.1.4 Специальный вес бетона
Специальный вес бетона почти фиксированный и не особо не меняется при использовании золы-уноса.
3.1.5 Затвердевание и стойкость бетона
Оптимальное количество использования золы-уноса составляет 10 процентов веса цементных материалов. Обычно, мы можем уменьшить количество расходуемого цемента, чтобы достигнуть подобной стойкости при использовании до 10 процентов золы-уноса. Золо-унос также может использоваться в качестве дополнительного материала для кварцевого дыма и летучей золы. Важно отличать влияние этих вводимых материалов друг на друга для того, чтобы использовать золо-унос с другими составными материалами.
3.1.6 Проницаемость и герметическая изоляция
Одной из важных характеристик бетона является непроницаемость. У непроницаемости есть важная роль в долговечности бетона так же как и защита от влияния среды. С точки зрения непроницаемости, если бетон в хорошем состоянии, он не будет гнить в течение длительного срока, даже если не будет никакой другой используемой для него предосторожности. При использовании золы-уноса бетон лучше сжимается. Высокое сжатие вызывает снижение проницаемости, и увеличивает герметическую изоляцию бетона.
3.2 Ударопрочность и фрикционная сила
Ударопрочность и фрикционная сила бетона зависят от стойкости и типа гравия. У дополнительных цементных материалов обычно нет ультрарезультата на эти характеристики чем результат на силу.
3.3 Морозостойкость и термостойкость
Хорошо застывший и гидратированный перед воздействием замораживанию или теплу бетон, показывает хорошую морозостойкость и теплостойкость.
3.4 Другие свойства использования золы-уноса
Риски, связанные с использованием золы-уноса в бетоне, уменьшаются, а стойкость бетона против влияния сульфатов увеличилась.
Мы пришли к выводу, что увеличение пуццоланов приводит к снижению проницаемости бетона и улучшению его механических свойств, но оптимальный процент этих материалов еще нуждается в доработке. Мы отмечаем, что свойства пуццоланов для изготовления бетона, которые считались отходами, не только уменьшают затраты на хранение, транспортировку или переноса, и устраняют загрязнения, вызванные их диффузией, но также укрепляют железобетонные конструкции и оптимизируют растекающиеся слои.
1. Ya Malhotra, V.M., Ramachandran, V.S., Feldman, R.F., and Aitcin, P.C. 1987. Condensed silica fume in concrete, CRC press inc., boca rattan, florid.
2. Qalibafian, M. 1997. Application of microsilica on mortar and cement, especially in improvement, in Iran", article collections of international seminar on microsolica application in concrete.
3. Dilmaqani, S. 1991. Concrete Technology, Tabriz University Publication, Iran.
4. Ramazanian Pour, A.A. and Shah Nazari, M.R. 2003. Concrete Technology", Azarang publication, Iran.
5. Li, S., and Roy, D.M. 1986. Investigation of relations between porosity, pore structure, and CL-Diffusion of fly ash and blended cement pastes", cement and concrete research 16: 749-759.
6. Mangat, P.S. and Molloy B.T. 1995. Chloride binding in concrete containing PFA, GBS or silica fume under sea water exposure. Magazine of con, Res, 47(171): 129-141.
7. Mangat, P.S., and El-Khtib, J.M. 1995. Influence of Fly Ash, silica Fuma, and slag on sulfate resistance of concrete. ACI Material Journal, sep-ouc, Pp. 542-552
8. Mangat, P.S., and El-Khtib, J.M. 1992. Influence of initial curing on pore structure and porosity of blended cement concrete" 4thinter. Conf. on fly ash, slag, and natural pozzolans in concrete, V.M., Malhotra, ed. Istandul, 7: 813-833.
9. Bamforth, P.B., and Pocock, D.C. 1990. minimizing the risk of chloride induced corrosion by selecting of concreting material", proc, corrosion of reinforcement in concrete, society of chemical industry, 1990, Treadway and Bamforth, (EDS), pp. 165-177.
10. The American Concrete Institute (ACI). www.concrete.org.