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-

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

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.

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].

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-

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.

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'.

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.