СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА/4.Современные строительные материалы

Пуценко К.Н., аспирантка

Научный руководитель – к.т.н., Балабанов В.Б.

Иркутский национальный исследовательский технический университет, Россия

Формы продуктов, получаемых на основе микрокремнезёма, и их использование в бетоне

Бетон является единственным наиболее широко используемым строительным материалом в мире. В связи с этим, бетоны нового поколения должны удовлетворять следующим требованиям: обладать повышенными показателями прочности, долговечности, стойкостью к износу и химическим воздействиям, соответствовать экологическим нормам. В настоящее время для достижения всех требуемых характеристик бетона необходимо использовать добавки. Одной из таких добавок является диоксид кремния (микросилика, микрокремнезём, далее МК).

МК это побочный продукт производства кремния и сплавов ферросилиция. Использование этого отхода в производстве бетона является самым рациональным. Из-за присущих ему физико-химических свойств он является высокоактивным пуццоланом. Затвердевший бетон с использованием МК приобретает высокую прочность, что является преимуществом перед бетонами без использования МК. Также, бетоны, подвержены коррозии, которая образуется из-за обледенения или контакта бетона с морскими солями. За счёт использования МК бетон становится более стойким к проникновению солей в его поры.

С использованием МК построено много зданий и сооружений, например:

1). Мост Большой Бельт (Дания);

2). Сторсезандетский мост (Норвегия);

3). Виадук Мийо — виадук (Франция);

4). Лёчберг — железнодорожный тоннель через Альпы (Швейцария);

5). Бурдж-эль-Араб —отель в Дубае (Арабские Эмираты);

6). Небоскреб «Tour Oxygene» в Лионе (Франция) [1];

7). Мост Конфедерации (Канада);

8). Евротоннель, тоннель под Ла-Маншем;

9). Высотные здания (Чикаго);

10). Цинг-Ма — висячий мост в Гонконге;

11). ММДЦ «Москва-Сити»

Как уже было сказано выше, МК образуется в процессе высокотемпературной обработки кремнийсодержащих материалов в электродуговых печах. Печные газы, выделяющиеся в процессе сжигания сырья, охлаждаются и фильтруются в циклонах или рукавных фильтрах, и на выходе образуется МК, который представляет собой мельчайшие частицы аморфного (некристаллического) МК.

В виде схемы процесс получения МК представлен на рис.1:

МК имеет гладкую поверхность сферической формы, что впоследствии приводит к так называемому «подшипниковому эффекту». Если рассматривать гранулометрический состав, то в среднем размеры частиц МК составляют около 0,1 – 0,2 микрон, то есть в 50 - 100 меньше размера цемента, а удельная поверхность находится в диапазоне 13000 – 30000 м²/кг. [2].

Сырьем, поступающим в плавильный цех, может являться:

· каменный уголь

· кокс

· древесная щепа

· кварц

· металлургический кварц

· руда

С химической точки зрения МК получают в результате окисления в газовой фазе монооксида кремния SiO, который образуется при выплавке кремнийсодержащих сплавов в электродуговых печах. Процесс образования МК происходит посредством конденсации микрочастиц SiO₂ из газовой фазы и их экстракции (способ извлечения вещества из раствора или сухой смеси с помощью подходящего растворителя (экстрагента)) из печных газов. После окисления и конденсации некоторая часть SiO₂ образует мелкие шарообразные частички с повышенным содержанием аморфного МК. Таким образом, МК состоит в основном из аморфного (некристаллического) диоксида кремния (SiO₂).

Процесс образования МК можно представить в виде химической формулы: SiO₂+2C = Si + 2CO [3].

При добавлении МК в бетонную смесь, сферические частицы окружают каждое из зерен цемента. Это позволяет достичь уплотнения цементного раствора посредством заполнения пор и пустот прочными продуктами гидратации. Также наблюдается улучшение сцепления с заполнителем.

Микрокремнезём доступен в нескольких основных формах: суспензии, уплотненный, неуплотненный и гранулированный МК.

Суспензии являются наиболее удобным видом МК для добавления в бетонную смесь, нежели порошкообразный МК. Сырой МК разбавляется водой, перемешивается и суспензируется с помощью высокомощных смесительных установок [2].

МК неуплотненный (далее МКНУ) отбирается из фильтров и используется как ВАМД для производства строительных смесей. Плотность МКНУ находится в диапазоне 200-350 кг/м³. МКНУ имеет более высокий коэффициент активности по сравнению с МК уплотненным (далее МКУ), но в тоже время он имеет отрицательную сторону – порошок очень мелкий, и как следствие, он пылеобразен. Это связано с тем, что у него тонко-дисперсная структура.

МКУ (или же конденсированный) используется в качестве ВАМД для производства бетонов и ж/б конструкций. По сравнению с МКНУ он не такой пылеобразный.

Полученный на выходе МК дополнительно обрабатывается с целью увеличения плотности до 500-600 кг/м³, за счет чего получает название «уплотненный». Также посредством дополнительной обработки достигается свободная агломерация частиц.

Гранулированный МК дополнительно обрабатывается с добавлением некоторого количества воды. В итоге получается твердый агломерат со средней плотностью 1000 кг/м³. Особенность данного вида МК заключается в том, что самостоятельно такой вид МК не применяется. Он предназначен только для совместного измельчения с цементом.

При использовании МК в бетоне можно достичь двух эффектов: химического и физического. Каждый из этих эффектов будет описан ниже.

Физический эффект заключается в том, что наноразмерные частицы позволяют достичь эффекта микрозаполения, за счёт того, что частицы МК во много раз меньше частиц цемента. Результатом этого является то, что смесь становится более плотной и менее пористой.

Химический эффект состоит в том, что МК – это высоко активный пуццолан, который после затворения водой начинает реагировать с гидроксидом кальция с последующим образованием соединений, обладающих цементирующими свойствами.

Подводя итог изучению вопроса форм продуктов, получаемых на основе микрокремнезёма и того, как они могут быть использованы в бетоне, можно сделать следующие выводы:

1. В России отходы кремниевого производства стали рассматривать в качестве потенциального сырья сравнительно недавно, в связи с этим изучение свойств, приобретенных бетоном, является актуальной задачей;

2. В настоящее время в связи с ростом требований к строительным материалам возникает необходимость к их модификации;

3. Использование микрокремнезёма позволяет достичь «подшипникого эффекта» и, как следствие, уплотнения цементного раствора посредством заполнения пор и пустот прочными продуктами гидратации;

4. Микрокремнезём доступен в четырех формах: суспензия, гранулированный, уплотненный и конденсированный микрокремнезём.

Список использованной литературы:

1. European Silica Fume Committee - [Электронный ресурс]. URL: http://www.microsilicafume.eu/web/examples/1011306087/list1187970089/f1.html

2. Д. Дж. Паркер, Concrete Society, Current Practice Sheet, № 104, октябрь 1985.

3. Ю.М. Баженов «Технологии бетона» /Ю.М. Баженов//Москва.: Изд-во АСВ, 2003 -500
стр.