Добавки в бетон Справочное пособие
ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ДОБАВОК НА СВОЙСТВА БЕТОНА
Введение минеральных добавок может оказать благоприятное влияние на многие свойства бетона. Это связано либо с физическим эффектом, который проявляется в том, что мелкие частицы обычно имеют более тонкий гранулометрический состав, чем портландцемент, либо с реакциями активных гидравлических составляющих. Минеральные добавки могут оказывать влияние на состав бетонной смеси, реологические
Свойства пластичного бетона, степень гидратации портландцемента, прочность и проницаемость затвердевшего бетона, сопротивление трещинообразо - ванию при тепловой обработке, уменьшение воздействия различных щелочей на кремнезем, а также на сопротивление при сульфатной агрессии.
6.5.1. Состав бетонной смеси. Для заданной консистенции бетона снижение водопотребно - сти может привести к общему улучшению его технологических свойств. Гранулометрические характеристики крупных и мелких заполнителей и частиц цемента влияют на объем пустот и водопотребность бетонной смеси. Введение тонких час-- тиц минеральных добавок, обычно имеющих размеры 1 — 20 мкм, должно усиливать влияние портландцементных зерен на снижение пористости в бетонной смеси, что снижает потребность в воде для получения бетона заданной консистенции [5]. Было установлено, что замена 30 % цемента золой-уносом снижает водопотребность примерно на 7 % при постоянной осадке конуса. При использовании трех видов золы-уноса с различными размерами частиц было отмечено снижение водопотребности на 5—10 % в растворах равной консистенции при добавлении 33, 67 или 133 % золы-уноса от массы цемента [10].
Аналогичное использование гранулированного доменного шлака, размолотого до частиц различных размеров, удельная поверхность которых составляет от 508 до 608 м2/кг по Блей - ну, показывает, что снижение водопотребности, требуемой для стандартного расплыва (ASTM С109), примерно на 6,4 % возможно для большого количества смесей портландцемента со шлаком, содержащих от 40 до 65 % шлака, замещающего цемент [6].
Не все минеральные добавки снижают водопотребность. Например, многие исследователи установили, что использование крупнозернистой золы-уноса или золы-уноса с высокими потерями при прокаливании (обычно 10 % или более) скорее увеличивает, чем снижает водопотребность. Теперь известно, что это происходит только в том случае, когда в золе - уносе присутствуют значительные количества ячеистых частиц кокса, обычно имеющих большой размер (100 мкм). Таким же образом некоторые виды высококальциевой золы - уноса могут содержать значительные количества СзА, что приводит к увеличению водопотребности из-за потери консистенции, вызванной быстрым образованием гидроалюмината кальция или гидросульфоалюмината. Для минеральных добавок, имеющих частицы чрезвычайно малых размеров или высокую площадь поверхности (белая сажа или зола рисовой шелухи), количество воды, требуемой для нормальной консистенции, увеличивается почти прямо пропорционально содержанию в массе цемента.
6.5.2. Реологические особен-
Рис. 6.7. Механизм предотвращения выделения цементного молока из цементного теста при введении добавки белой сажи [9] 1 — цементное зерно; 2 — частицы белой сажи |
Ности бетонной смеси. Механизм уменьшения или прекращения отделения цементного молока путем добавления в цементное тесто очень тонких частиц белой сажи показан на рис. 6.7 [9]. Таким же образом присутствие золы-уноса или молотого доменного шлака между частицами заполнителей помогает уменьшить отделение цементного молока. Значительное уменьшение количества каналов водоотделения в бетоне способствует снижению расслоения и улучшает его отделочные характеристики.
Очевидно, что при введении золы-уноса можно улучшить качество тощих бетонов или бетонов, изготавливаемых с заполнителями, имеющими недостаточное количество мелких фракций. Бетон без водоотделения, содержащий добавку белой сажи или золы рисовой шелухи, должен быть надлежащим образом защищен в условиях, способствующих образованию усадочных трещин в пластичной бетонной смеси.
Другое важное свойство пластичной бетонной массы — удобообрабатываемость — зависит главным образом от во - доудерживающей способности, контролируемой объемом теста в бетоне. Преимущество замены цемента в бетоне равным по массе количеством минеральных добавок с низкой плотностью состоит в конечном увеличении содержания теста. Например, можно подсчитать, что при равной массе объем золы- "уноса плотностью 2,4 т/м3 превысит объем портландцемента примерно на 30 % [10]. Изменение содержания золы-уноса в бетоне по данным прочности в возрасте 28 сут требует замены цемента в соотношении, большем, чем 1:1 по массе (дополнительная зола-унос, замещающая долю мелкого заполнителя). В связи с этим происходит даже большее увеличение содержания теста (цемент + зола-унос + вода) по отношению к содержанию заполнителей. Благодаря отличной водоудерживающей способности бетон с золой-уносом хорошо перекачивается насосами.
Влияние минеральных добавок на портландцемент обычно проявляется в замедлении его схватывания. Это особенно относится к низкокальциевой золе-уносу с высоким содержанием углерода [10, 11]. Высококальциевые золы обычно имеют низкое содержание углерода и высокое содержание реакционноспособных составляющих (как кристаллических, так и некристаллических) и иногда ведут себя противоположным образом. Однако не все виды высококальциевой золы - уноса ускоряют схватывание. Исследование трех видов высококальциевой и двух видов низкокальциевой золы-уноса показало, что все они замедляют начала схватывания на 2 ч или больше и конец схватывания, по крайней мере, на 5 ч [18, 34]. Поэтому необходимо, чтобы перед использованием неизвестных видов золы-уноса было изучено влияние данной золы - уноса на сроки схватывания бетона, для чего следует обеспечить соответствующий контроль с применением регуляторов схватывания, если это потребуется.
При введении в бетон в качестве минеральной добавки молотого гранулированного доменного шлака, вероятно, улучшается сопротивление во - доотделению и расслоению, но из-за угловатой структуры частиц гранулированного шлака может не произойти улучшения его отделочных свойств и удо - боукладываемости в той же степени, что и при вводе золы - уноса. Установлено, что как начало, так и конец схватывания смеси портландцемента со шлаком, содержащей 40, 50 или 65 % шлака по массе, замедляется примерно на 1 ч по сравнению со сроками схватывания портландцемента [6].
6.5.3. Ускорение гидратации цемента. При сепарации или диспергировании ускоряется флокуляция частиц портландцемента, что увеличивает степень ранней гидратации [28]. Поэтому прочность бетона при заданном содержании цемента, к которому добавлены зола - унос или порошок известняка (в качестве замены мелкого заполнителя), равным образом возрастает через 7 и 28 сут. Бетон с добавкой золы-уноса показывал более высокую прочность только через 91 сут или позже, что можно отнести за счет пуццолановой реакции.
6.5.4. Развитие прочности. Отрицательное влияние на прочность и плотность бетона оказывает наличие больших пор в гидратированном цементном тесте и микротрещин в зоне контакта цементного теста с заполнителем. Повышение прочности и долговечности бетона, связанное с использованием минеральных добавок, обусловлено, вероятно, превращением больших пор в мелкие и уменьшением микротрещин в зоне контактов.
Точный механизм, по которому осуществляется улучшение структуры пор в гидрати- рованных пуццолановых цементах, еще не полностью раскрыт. Однако отмечено, что в хорошо гидратированных пуццолановых портландцементах обнаружена менее компактная фаза C-S-H по сравнению с фазой C-S-H в гидратированных портландцементах [28]. Очевидно, такой продукт образуется в результате химической реакции между кремнеземом пуццолана и известью и создает эффект заполнения больших пор. Этот механизм показан на рис. 6.8. Таким образом, превращение фаз с высокой плотностью и большими порами в системе портландцементного теста в продукты с низкой плотностью и небольшими порами в результате реакции пуццолана представляется наиболее логичным объяснением увеличения прочности и плотности, которое обычно наблюдается в хорошо гидратированном тесте пуц - цоланового портландцемента. В другой работе также был исследован процесс уменьшения пор и показана его важность для прочности и плотности бетона при использовании золы-уноса и шлака в качестве добавок [30].
Известно, что в бетоне зона контакта между заполнителем и гидратированным цементным тестом играет очень важную роль при определении его механических свойств и характеристик долговечности. В нормальных портландцементных бетонах зона контакта обычно менее плотная, чем массивное тесто, и включает большое количество пластинчатых кристаллов гидроксида кальция, у которых ось с перпендикулярна поверхности заполнителя. Следовательно, она более подвержена образованию микротрещин при растягивающих усилиях, возникающих при изменениях обычных условий температуры и влажности. Таким образом, контактная фаза из - за своей структуры является наиболее слабой фазой в бетоне и поэтому оказывает большое влияние на его свойства.
В связи с тем, что минеральные добавки способны изменять водопотребность, консистенцию, водоотделение или сроки схватывания портландцементного теста, очевидно, что они оказывают положительное влияние на структуру и механическую прочность контактной зоны. Кроме того, эти добавки обладают способностью уменьшать размеры пор в гидратированном портландцемент - ном тесте. Следовательно, бетоны, содержащие минеральные добавки, более прочны и долговечны, чем бетоны без добавок.
Для инженера-строителя важны и скорость развития прочности бетона, и его конечная прочность. Минеральные добавки влияют на прочность бетона в зависимости от их минералогического состава, характеристик частиц, температуры и влажности выдерживания и состава бетонной смеси.
С участием таких высокоактивных пуццоланов, как зола рисовой шелухи и белая сажа, пуццолановая реакция может начаться при появлении ионов кальция и гидроксила при гидратации соединений портландцемента. В присутствии золы рисовой шелухи с очень высокой внутренней пористой структурой частиц наблюдалось значительное влияние пуццолано - вой реакции на прочность при сжатии растворов по ASTM СГ09 (табл. 6.4) в любом возрасте через 1, 3 и 7 сут после
Рис. 6.8. Модель хорошо гидратированного портландцементного (вверху) и пуццола - нового портландцементного теста (внизу) CH + S-^CSH низкой плотности. Пуццо - лановая реакция приводит к преобразованию более плотной фазы СН и ее крупных пор в менее плотную фазу CSH и к уменьшению размера межфазных пор
А — плохо закристаллизованные частицы CSH, которые имеют, по крайней мере, один коллоидный размер (от I до 100 нм). Пустоты между частицами имеют размеры от 0,5 до 30 нм (в среднем 1,5 нм); Н - гексагональные кристаллы С. Н, C4ASHi«, С^АНщ. Они образуют большие кристаллы обычно шириной 1 мкм; С — капиллярные пустоты или поры в пределах от 10 нм до 1 мкм, но в хорошо гндратированном тесте с низким водоцементным отношением они меньше 100 нм
Таблица 6.4. прочность при сжатии растворов по astm c109 из смесей портландцемента с золой рисовой шелухи
|
Гидратации при температуре 20 °С [13]. Промышленные бетоны, содержащие 30 % золы рисовой шелухи от общей массы цемента и суперпластификатор, имеют прочность при сжатии 80 МПа через 90 сут.
Белая сажа, вероятно, из - за более низкой удельной поверхности и более плотной структуры поверхности, чем у золы рисовой шелухи, реагирует с меньшей скоростью, но способна давать бетоны с очень высокой конечной прочностью. При исследовании влияния добавки белой сажи на прочность бетона было показано, что через 1 сут прочность контрольного бетона выше, но через 3 сут и позже она выше для бетонов, содержащих добавку [25]. Несколькими учеными была отмечена конечная прочность бетона при сжатии около 100 МПа при использовании суперпластификатора и 20 % или более белой сажи от общей массы цемента. При использовании специальных заполнителей заданного гранулометрического состава и при очень низком водоцементном отношении (цемент+ кремнезем из газовой фазы) достигается прочность бетона при сжатии около 200 МПа [44].
Для типичной низкокальциевой золы-уноса было отмечено, что пуццолановая реакция начиналась через 11 сут после гидратации при температуре 20 °С; установлено заметное влияние реакции при испытании на сжатие через 28 сут [42]. В другом исследовании, где 30 % цемента по массе было замещено на низкокальциевую золу-унос, не произошло увеличения прочности растворов, испытанных по ASTM С109 через 1, 3 и 7 сут [34]. Однако после этого наблюдалось значительное влияние пуц - цолановой реакции на прочность через 28 сут. Через 90 сут прочность растворов цемента с золой-уносом была такого же порядка, что и исходный портландцемент. При использовании высококальциевой золы - уноса было отмечено значительное увеличение прочности через 3 сут, а прочность через 7 сут равнялась прочности контрольного раствора.
Вкратце можно отметить следующее. В то время как высокоактивные пуццоланы начинают участвовать в увеличении прочности почти сразу после начала гидратации портландцемента, низкокальциевая зола-унос не показывает заметной пуццолановой активности, влияющей на прочность ранее двух недель после начала гидратации. Высококальциевая зола-унос начинает проявлять свою гидравлическую активность в более ранние сроки — через 3 сут после гидратации.
Наличие ионов гидроксила, сульфата и кальция в растворе довольно быстро тормозит гидратацию высококальциевой зо - лы-уноса, и процесс приостанавливается из-за притока этих ионов от гидратации самой золы-уноса.
Для Уотер Тауэр Плэйс и Ривер Плаза в Чикаго были разработаны высокопрочные бетонные смеси, содержащие 504 кг/м3 портландцемента, 59 кг/м3 низкокальциевой золы - уноса и добавку, снижающую водопотребность (водовяжущее отношение равно 0,33). Они показали прочность при сжатии около 70 МПа через 50 сут. В Техасе [33] подобные прочности были получены в бетонных смесях, содержащих только 400 кг/м3 портландцемента, 100 кг/м3 высококальциевой золы-уноса (ASTM, класс С) и добавку, снижающую водопотребность (водовяжущее отношение равно 0,33).
В молотом гранулированном доменном шлаке гидравлические свойства проявляются в основном так же, как в высококальциевой золе-уносе. Недавнее исследование показало, что при замене цемента по массе на 40, 50 и 65 % шлаком через 3 сут влияние шлака на прочность раствора по ASTM С109 в основном было незначительным. Однако через 7 сут была достигнута прочность, равная исходному цементу, а затем и более высокие прочности. В результате замены цемента на 40 или 50 % молотым гранулированным доменным шлаком с площадью поверхности 608 м2/кг по Блей - ну растворы по ASTM С109 имели прочность при сжатии 60 МПа через 60 сут, в то время как в этом же возрасте контрольный раствор имел прочность при сжатии только 47 МПа. При водошлакоце - ментном отношении, равном 0,38, бетоны, изготовленные из цементов, содержащих от 40 до 50 % шлака, имели прочность около 55 МПа через 28 сут, в то время как прочность контрольного бетона составляла 48 МПа.
Что касается природных пуццоланов, то данные об итальянских и греческих пуццоланах свидетельствуют о том, что по реакционной способности природные пуццоланы близки к низкокальциевой золе - уносу.
Например, Кресто и Рио показали, что при замене 40 % цемента бетоны, содержащие туф из Сегни-Лациума, имеют прочность при сжатии, составляющую 62, 75, 85 и 86 % прочности контрольного бетона (содержание цемента 300 кг/м ) соответственно через 7, 28, 90 и 365 сут, в то время как бетоны, содержащие вулканическое стекло из Бакколи, имеют прочность, составляющую 63, 86, 95 и 97 % в указанном выше возрасте [1].
Подобным же образом, исходя из данных испытаний растворов по ASTM С109, содержащих 10, 20 или 30 % земли Санторина по массе от общего количества вяжущего материала, Мехта [8] установил, что эта добавка не увеличивает
Прочность через 7 сут. При этом прочность через 28 сут была выше, чем у контрольного раствора, на 6 % при добавке пуццолана (для замены цемента) 10 %, но снижалась на 7 и 18% при добавке соответственно 20 и 30 %.
Установлено, что конечная прочность (365 сут) при замене 30 % была равна прочности контрольного образца. Однако она была на 10 % выше при замене 20 %. Можно установить связь между скоростью развития прочности и скоростью протекания пуццолановой реакции, которая оценивается количеством больших пор (более 100 нм), присутствующих в цементном камне.
А) V, см3/г |
150 1008060 1010 20 15 10 7 і,5 |
Ct, HM |
6.5.5. Проницаемость. Проницаемость затвердевшего цементного теста влияет на стойкость бетона к химической агрессии. Ранее утверждалось, что значения прочности и непроницаемости обратно пропорциональны количеству больших пор (>• 100 нм) в гидра - тированном цементном тесте. Недавнее исследование показало, что введение в портландцемент таких минеральных добавок, как зола рисовой шелухи, зола-унос и гранулированный доменный шлак, может вызывать уменьшение размера пор, т. е. превращение больших пор в мелкие — процесс, который ведет к существенному уменьшению проницаемости [27]. Типичные данные распределения пор по размерам, полученные с помощью метода ртутного поглощения, показаны на рис. 6.9 для портландцементно-
Рис. 6.9. Влияние добавок золы-уноса (а), золы рисовой шелухи (б) и доменного шлака (в) на диаметр пор d гидратированного цементного теста |27J (V—объем проникания)
Го камня в возрасте 28 сут, содержащего 10, 20 или 30 % низкокальциевой золы-уноса, реакционноспособной золы рисовой шелухи и гранулированного доменного шлака. Как и можно было ожидать, образцы, содержащие золу рисовой шелухи и 70 % шлака, показали значительное уменьшение размера пор по сравнению с контрольным портландцементным камнем.
Подобно низкокальциевой золе-уносу, добавка природных пуццоланов требует удлинения периода выдерживания, после - чего влияние процесса уменьшения пор на прочность и проницаемость станет очевидным. Результаты этого исследования, включая землю Санторина, показаны на рис. 6.10 и в табл. 6.5 [8].
Таблица 6.5. относительная глубина проникания воды в гидратированном цементе, мм [8[
|
Распределение размеров пор, показанное на рис. 6.10, было исследовано методом ртутной порометрии. Данные об относительных глубинах проникания воды в гидратирован- ный цемент, приведенные в табл. 6.5, основаны на методе 3-часовой диффузии при атмосферном давлении в цилиндрические образцы из затвердевшего цементного теста. Можно отметить, что данные о значительном снижении глубины диффузии воды были получены только для затвердевшего цементного теста, содержащего 20 или 30 % пуццоланов, в которых процесс уменьшения пор получил хорошее развитие, т. е. в возрасте 1 г. процесс превращения больших пор (> 100 нм) был в значительной мере завершен (см. рис. 6.10). Это означает, что снижение водопроницаемости играет важную роль в повышении химической стойкости бетонов, содержащих минеральные добавки [29].
6.5.6. Модуль упругости, ползучесть и усадка при высыхании. Многие исследования содержат противоречивые данные об этих показателях, так как на значения модуля упругости, ползучести и усадки при высыхании бетона большое влияние оказывают прочность бетона и плотность заполнителя. Например, было установлено, что по сравнению с обычным бетоном прочность при сжатии и модуль упругости бетона с золой-уносом были ниже в ранние сроки, но немного выше через 90 сут [10]. Поскольку на значение ползучести влияют прочность при сжатии и модуль упругости бетона, в бетоне с золой-уносом были обнаружены более высокие деформации ползучести в первые сроки нагружения, когда прочность была низкой, од-
2 8 сут |
ЭОсут |
Под |
0% 10% 20% 30% |
О% 70% 20% 30% |
О% 70% 20% 30%
| <4,5НМ 1-У! 4,5-50 нм
Рис. 6.10. Распределение размеров пор гидратированного цементного теста, содержащего землю Санторина (VH„ — объем ртутного проникания, см3/см3) [8|
Нако темп снижения ползучести уменьшается в более поздние сроки. В целом при замене до 25 % цемента не обнаруживается значительной разницы в ползучести в возрасте до 100 сут, а в большем возрасте бетон, содержащий золу-унос, имеет меньшую ползучесть.
В работе [10] показано, что усадка при высыхании призм из бетона без добавок и бетона с золой-уносом в основном одинакова через 400 сут, хотя в первоначальные сроки имеется тенденция к ее возрастанию при введении минеральных добавок.
Бетоны, содержащие 40, 50 или 65 % гранулированного доменного шлака по массе от общего количества вяжущего материала, имеют несколько большую усадку при высыхании, чем портландцементные бетоны без добавок [6]. Однако исследование, проведенное в Японии, показывает, что это положение может быть исправлено путем корректировки оптимального содержания сульфатов в общем количестве вяжущих материалов. Для получения самой высокой прочности и самой низкой усадки при высыхании большинство композиций портландцемента со шлаком должны содержать от 2 до 2,5 % S03. Для бетонов, содержащих белую сажу и золу рисовой шелухи, имеется сравнительно мало данных по ползучести и усадке при высыхании, однако благодаря их способности увеличивать раннюю прочность они, вероятно, скорее понижают, чем увеличивают эти показатели. Установлено, что при периоде испытаний до 84 сут усадка при высыхании бетонов, содержа-
ідих 5, 10, 15 и 20 % белой сажи по массе от портландцемента, была меньше, чем усадка контрольного бетона [25].
6.5.7. Стойкость к химической агрессии. Известно, что из-за присутствия больших количеств гидроксида кальция в гидратированном цементном тесте портландцементные бетоны не отличаются стойкостью к воздействию кислот. Бесчисленные лабораторные и производственные исследования показывают, что минеральные добавки, понижающие содержание гидроксида кальция в цементном тесте, могут улучшить химическую стойкость бетона. Как отмечалось ранее, снижение проницаемости, связанное с пуццолановой реакцией усвоения извести, оказывает существенное влияние на стойкость продуктов, содержащих минеральные добавки.
10 Зак. 976 |
Сульфатная агрессия бетона представляет собой особый случай химической агрессии, при которой присутствие гидроксида кальция, как и некоторых гидроалюминатов и суль - фоалюминатов в гидратированном цементном тесте, обычно приводит к ухудшению качества бетона, подвергающегося действию сульфатных вод. Результаты исследования показали, что при замене 40 % цемента трассом или обожженной глиной стойкость цементного камня к сульфатам улучшается на порядок при погружении этих образцов в 5 %-ный раствор сульфата натрия [1]. Подобным же образом при исследовании земли Санторина в образцах, содержащих 20 или 30 % пуццоланов, заменяющих цемент, наблюдалось значительное возрастание сульфато- стойкости портландцемента с высоким содержанием СзА'.
289 |
Дэйвис и другие [1] исследовали бетонные образцы с пятью различными составами низкокальциевой золы-уноса при замене 20 % цемента с целью определения эффективности этих добавок для повышения сульфатной стойкости цемента. Перед погружением в 10 %-ный раствор сульфата натрия бетонные цилиндрики размером 7,62X15,24 см выдерживали при нормальной температуре в течение 28 сут. Прочность при сжатии этих образцов была определена через 5 мес после погружения. Сравнение значений прочности при сжатии бетона с золой - уносом с соответствующими значениями для образцов обычного бетона показало, что все бетоны с золой-уносом превосходили по прочности соответствующие образцы бетона без добавок. Добавка золы-уноса с низким содержанием углерода и самым низким содержанием глинозема (16,4%) приводила к небольшому увеличению, а не к уменьшению прочности при сжатии в течение 5-месячного периода погружения в раствор сульфатов. В другом исследовании методом ускоренной оценки стойкости
к сульфатам было установлено, что в гидратированном цементном тесте, содержащем 20 % низкоалюминатной золы-уноса (15% АЬОз), было получено 8 % прироста прочности, в то время как образцы, содержащие высокоалюминатную золу - уиос (30% А120з), показали 23 % потери прочности [30].
Многие исследователи установили подобное соотношение между содержанием глинозема в доменном шлаке и сопротивлением сульфатной агрессии, которое оказывали продукты гидратации портландцемента, содержащие шлак. Европейские шлаки имеют относительно высокое содержание глинозема (13—15 %) по сравнению с американскими шлаками (8— 10 %). В то время как цемент типа I, содержащий 70 % шлака, рекомендуется в Европе в качестве сульфатостойко - го, исследование канадского шлака показало, что цемент типа I (12 % СзА), содержащий 50 % шлака, проявляет почти такую же стойкость к сульфатам, как сульфатостойкий портландцемент типа V [37].
Расширение и трещинооб - разование в связи с реакцией щелочь — кремнезем представляет другой тип химической агрессии в бетоне. Это явление связано с медленной реакцией между раствором щелочи из высокощелочного портландцемента (>0,6% в пересчете на Na20) и определенными формами кремнезема в заполнителе. В многочисленных лабораторных исследованиях было установлено, что частичная замена высокощелочного цемента минеральными добавками приводит к уменьшению расширения, происходящего из-за реакции щелочь—кремнезем. Точный механизм, по которому эта реакция вызывает расширение, и механизм, с помощью которого минеральные добавки могут уменьшать расширение, до конца еще не установлены'. Вероятно, в некоторых кремнеземистых или силикатных структурах высокощелочные растворы (рН от 13 до 14) способны разрушить связи, и образующиеся при этом продукты могут расширяться при проникании воды. Когда часть портландцемента замещается минеральной добавкой, количество щелочи, имеющейся в системе, снижается пропорционально количеству имеющейся добавки при условии, что последняя не содержит «растворимую щелочь». Дальнейшее снижение щелочности может быть также связано с пуццолановой реакцией. Было высказано предположение, что в присутствии пуццоланов образуются нерасширяющиеся соединения известь—щелочь—кремнезем взамен расширяющегося щелочно- кремнеземного геля.
Отмечено, что снижение расширения на 75 % в соответствии с испытанием по стандарту
ASTM C441 было получено многими исследователями при замене от 36 до 48 % высокощелочного портландцемента по объему золой-уносом [5]. Может возникнуть вопрос об ограниченности области применения такого цемента с высоким содержанием золы-уноса при ранней потере им прочности в связи с этим. Природные пуццоланы весьма эффективны для уменьшения щелочно-крем - неземного расширения при малых количествах заменяемого цемента. Например, замена 20 % цемента по массе землей Санторина была признана достаточной для значительного снижения щелочно-кремнезем - ного расширения [8]. Было достаточно введения только 10 % золы рисовой шелухи от массы цемента для эффективного снижения щелочно-крем - неземного расширения при проведении испытаний по ASTM С441, при этом не наблюдалось ранней потери прочности [40].
Необходимо отметить, что подобно высокощелочным порт - ландцементам добавка некоторых видов высококальциевой золы-уноса, содержащих большие количества растворимых сульфатов щелочных металлов, может увеличить, а не уменьшить щелочно-кремнеземную активность. Некоторые исследователи установили, что в усилении щелочно-кремнезем - ной активности играют роль растворимые щелочи, а не общее содержание щелочей в золе-уносе [36, 41].
Доменный шлак по сравне-
10* нию с золой-уносом оказывается менее чувствительным к изменениям состава шлака с точки зрения противодействия щелочно-кремнеземной реакции. Показано, что при замене 40, 50 или 65 % цемента гранулированным шлаком при проведении испытаний по ASTM С227 при реакционноспособ - ном заполнителе — стекле пи - рекс — расширение образцов контрольной балки снизилось примерно на 0,3—0,07 % или менее [6].
6.5.8. Коррозия стали в. бетоне. Снижение щелочности цементного теста путем его карбонизации атмосферным С02 является обычно первым шагом в процессе коррозии стали в бетоне. В гидратирован - ном портландцементном тесте присутствуют около 20 % С а (ОН) 2 с целью обеспечения резервной основности для защиты стали. Поскольку пуццо - лановая реакция потребляет Са(ОН)г, теоретически около 25 % реакционноспособного кремнезема, присутствующего в смеси портландцемент—пуццолан, достаточно для поглощения всего Са(ОН)г, образующегося при гидратации портландцемента. Это вызывает некоторую озабоченность у инженеров-строителей, которые полагают, что из-за пониженной щелочности бетона добавка пуццоланов к предварительно напряженному железобетону может привести к коррозии стали.
Согласно Массацце [38], сопротивление карбонизации бетона не проявляется в отно-
291
Шении гидроксида кальция, содержащегося в растворе в порах. На него больше действуют такие физические факторы, как проницаемость. Применение активных минеральных добавок, которые уменьшают содержание свободной извести, присутствующей в цементном тесте, снижает и проницаемость этой системы. Это улучшает общую сопротивляемость к воздействию СОг. Массацца утверждает, что опасность из-за карбонизации не должна полностью относиться к бетонам, содержащим пуццоланы, полагая, что концентрация гидро - ксильных ионов и свободного гидроксида кальция, всегда присутствующих в смеси портландцемент—пуццоланы, вполне достаточна, даже когда используются пуццоланы с высоким содержанием очень активного Si02.
6.5.9. Стойкость к трещино - образованию при нагревании. В тонких сечениях конструктивного бетона тепло, выделяемое при гидратации цемента, быстро уходит в окружающее пространство, а подъем температуры обычно не такой большой, чтобы вызвать серьезное термическое напряжение при охлаждении. Однако в массивном бетоне, даже в небольших сечениях размером 600 мм, подъем температуры время от времени может составить от 20 до 50 °С в зависимости от вида и состава цемента, толщины и типа опалубки и температуры укладки бетона.
Если максимум температуры в конструктивном бетоне достигается между вторым и пятым днями после укладки, то такие минеральные добавки, как природные пуццоланы, зола-унос и доменный шлак могут уменьшать выделение тепла почти пропорционально количеству замещенного цемента. В первом приближении снижение выделения тепла в процентах в период от 7 до 28 сут можно принять равным половине процентного содержания минеральных добавок в цементе [1]. Было установлено, что при замене 30 % цемента золой-уносом максимальный подъем температуры (через 4 сут после укладки) в бетоне уменьшился с 47 в обычном бетоне до 33 °С в бетоне с золой-уносом [5]. Испытания на месте показали, что снижение подъема температуры в бетонных изделиях толщиной 2,5 и 4,75 м составляло от 15 до 30 % количества замещенного цемента [31]. С точки зрения температурного напряжения, при охлаждении замена цемента золой-уносом дает очевидное преимущество и давно применяется в конструкциях из массивных бетонов, в которых часто используется низкое содержание цемента и высокое содержание золы-уноса (от 60 до 100 % массы цемента) для предотвращения трещинообра - зования при нагревании. Поскольку после длительной выдержки отношение прочности при изгибе к прочности при сжатии в бетоне с золой-уно - сом выше, чем в обычном бетоне, вследствие повышенного сцепления заполнителя к цементному тесту, некоторые исследователи также рекомендуют использование золы-уноса для нормальных армированных бетонных конструкций и дорожных покрытий автомагистралей [32].
В работе [31] показаны преимущества замены части цемента минеральной добавкой по сравнению с выделением тепла в массивном бетоне, содержащем только портландцемент. Тепловыделение на ранней стадии снижало 28-суточную прочность портландцементного бетона до 30 % по сравнению с лабораторными образцами. Это происходит, вероятно, благодаря уменьшению микротрещин при более равномерном изменении температуры в лаборатории. Однако этого не наблюдается при использовании бетонов с золой-уносом, где температурный градиент ниже и происходит залечивание микротрещин с помощью продуктов взаимодействия золы-уноса и цемента, которое ускоряется при более высоких, а не при нормальных температурах. Таким образом, когда бетон подвергается воздействию высокой температуры в раннем возрасте, целесообразно смешивание портландцемента с золой - уносом или другими активными минеральными добавками. Теплота гидратации портландцемента может использоваться для ускорения реакции медленно реагирующих минеральных добавок при обычной температуре, а не тратиться бесполезно.
В работе [32] сообщается, что для строительства головного водонапорного туннеля электростанции Куробегава в Японии, который расположен в основании горячей скалы (100—160 °С), был использован цемент с содержанием золы 25 %, в результате чего прочность бетона увеличилась.
Поскольку высококальциевая зола-унос обычно более ре - акционноспособна, чем низкокальциевая, она может оказаться не столь эффективной в снижении теплоты гидратации. Например, установлено, что высококальциевая зола-унос в большой степени участвует в раннем выделении тепла [34]. Мехта и Пиртц [35] успешно использовали портландцемент типа I, в котором 30 % по массе было заменено золой рисовой шелухи в высокопрочном массивном бетоне (408 МПа, заданная прочность через 28 сут). В этом бетоне при адиабатической выдержке подъем температуры через 28 сут оказался на 12 °С меньше по сравнению с обычным бетоном без добавки. Поскольку 7- и 28-суточная прочность при сжатии бетона с золой рисовой шелухи была выше, указанные авторы пришли к выводу, что увеличение прочности комбинации цемента с пуццоланом на единицу подъема температуры выше, чем одного портландцемента.