Первоначально микрокремнезем использовался как заменитель...
...цемента, но по мере накопления данных его стали применять в качестве дополнительного компонента, улучшающего характеристики бетона как в свежеуложенном, так и в затвердевшем состоянии. На сегодняшний день во всем мире существует более десяти стандартов и технологических норм, позволяющих использовать микрокремнезем в цементах и бетонах, а в конце 1996 года утвержден новый европейский стандарт.

За несколько десятилетий микрокремнезем превратился из заменителя цемента в высокотехнологичную добавку, которая использовалась в ряде крупных проектов, таких, как мост Сторебелт в Дании, мост Цин Ма в Гонконге и Саус Уэкер 311 в Чикаго - одно из самых высоких зданий в мире. Сырой микрокремнезем, имеющий насыпную плотность около 200 кг/м куб., может быть обработан несколькими способами для удобства в применении.

Основные формы

Неуплотненный микрокремнезем
Его плотность обычно составляет 200-350 кг/м куб. Собранный из фильтров мелкий порошок очень легок и используется в производстве составов - фасованных материалов, строительных и цементных растворов.

Уплотненный микрокремнезем
Материал обработан в целях увеличения плотности до 500-600 кг/м куб и свободной агломерации частиц. Этот материал является не таким пылеобразным, как неуплотненный микрокремнезем, и имеет вид мелких гранул. Он более удобен в обращении и применяется в некоторых составах, сборном железобетоне и готовой бетонной смеси.

Гранулированный микрокремнезем
Материал имеет плотность около 1000 кг/м куб. и обработан с добавлением небольшого количества воды для получения твердого агломерата. Обычно он используется только для совместного измельчения с цементом и без измельчения не рассеивается.

Суспензия
Водная суспензия неуплотненного микрокремнезема, обычно 50% по весу. Материал имеет удельный вес 1.4 и благодаря своему жидкому состоянию, он более удобен в обращении, чем порошок.

Производство суспензии
В целях оптимизации качества и стабильности суспензия производится в фильтрационном блоке сразу после сбора микрокремнезема. Хотя иногда суспензии изготавливаются прямо на участке в таких районах, как Ближний Восток, в действительности они представляют лишь способ предварительного смачивания микрокремнезема и легко оседают. Следовательно, они пригодны только для немедленного использования. Существуют и стабилизированные суспензии, но они содержат прочие добавки, которые могут воздействовать на бетон и не всегда соответствуют спецификациям бетона.

Здоровье и безопасность

Вследствие малого размера частиц и высокого содержания двуокиси кремния выражаются опасения по поводу использования порошковых форм микрокремнезема. Однако, многолетние исследования не выявили никакой опасности. Полную информацию и данные о безопасности материала можно получить у производителей/торговых компаний.

Использование в бетоне

Микрокремнезем обычно добавляется в качестве дополнительного вяжущего материала в процентном отношении от первоначального содержания цемента, в зависимости от типа или требуемого качества бетона. Дозировка может быть следующей:

Бетон, подаваемый насосом    2-3%
Высокое качество                      4-7%
Высокая прочность*                 7-15%
Торкрет-бетон                           8-12%
Подводный бетон                   12-15%

* Также для высокой непроницаемости и химической стойкости

Процедуры смешивания могут отличаться в зависимости от произодственного оборудования, но общее правило заключается в тщательном перемешивании для обеспечения максимальной дисперсии микрокремнезема в бетоне. В целях улучшения дисперсии в большинство бетонов с содержанием микрокремнезема вводят пластификатор или суперпластификатор.

Свежеуложенный бетон

Бетоны с содержанием микрокремнезема обладают большей способностью к сцеплению, чем обычные смеси на портландцементе, и зачастую показывают более низкую удобообрабатываемость с точки зрения осадки конуса. Частицы микрокремнезема, имеющие абсолютно сферическую форму, нейтрализуют этот эффект, обеспечивая лучшую удобоукладываемость при данной осадке конуса. Однако, во избежание добавления на участке хорошо известного "пластификатора" - воды, в смесь вводится суперпластификатор для достижения высокой удобообрабатываемости при сохранении правильного водоцементного отношения.

Высокое сцепление и стабильность смеси означает, что бетоны с содержанием микрокремнезема являются наиболее подходящими для торкретирования, подачи насосом и подводного бетонирования. Торкрет-бетон в этом случае отличается меньшим отскоком, значительно меньшим пылеобразованием и лучшими строительными характеристиками. При подаче насосом бетон можно подавать выше и дальше, чем обычные смеси, и под более низким давлением. Бетон с содержанием кремнезема также можно укладывать под водой обычными методами подводного бетонирования, без всяких дополнительных примесей.

Вследствие заполнения пустот и высокого сцепления смеси в свежеуложенном бетоне наблюдается незначительное выступание воды. Это означает, что свежеуложенный бетон необходимо должным образом выдерживать сразу по завершении отделочных работ. Для этого можно использовать стандартные выдерживающие процедуры в соответствии с BS 1881.

Затвердевший бетон

Размер частиц микрокремнезема, в 100 раз меньших, чем цемент, в сочетании с высоким содержанием двуокиси кремния создает очень мощный пуццолановый эффект. При таком размере частиц 40 кг микрокремнезема, составляющие среднюю дозировку, будут иметь площадь поверхности около одного квадратного километра, вступающей в реакцию с гидроокисью кальция, высвобождаемого по мере гидратации цемента. Это означает, что микрокремнезем оказывает более ранний эффект, чем другие пуццолановые добавки, но также не помешало бы использовать летучую золу и гранулированный доменный шлак. Действительно, тройная смесь вяжущих материалов создает бетон с очень высокими рабочими характеристиками. Такие смеси применялись в ряде крупных проектов, включая мосты Сторебелт и Цин Ма.

Пуццолановая реакция микрокремнезема повышает гидратацию силиката кальция. Наблюдается отчетливое изменение пористой структуры бетона с содержанием микрокремнезема в сторону уменьшения числа капиллярных пор и увеличения числа более мелких гелевых пор. Повышение гидратации силиката кальция и снижение числа капиллярных пор обеспечивают две основные характеристики бетона с содержанием микрокремнезема - повышенную прочность и повышенную непроницаемость. Двойной эффект придает бетону большую устойчивость к физическим (истирание, эрозия и ударное разрушение) и химическим воздействиям (проникновение воды, сульфатов, хлоридов, органических веществ и кислот).

Именно благодаря повышенной стойкости бетона с содержанием микрокремнезема к сульфатам и хлоридам он использовался в Персидском заливе, где химическое воздействие и температура быстро разрушают железобетон и некоторые сооружения приходится сносить уже через десять лет. Ожидаемый срок эксплуатации сооружений, строящихся сегодня, составляет более 50 лет. Благодаря возможности применения высокопрочного (80 МПа) бетона с содержанием микрокремнезема в Персидском заливе сейчас также возводятся более высокие здания. Самое высокое из них имеет в высоту 157 м, а проектная высота Чикаго Бич Тауэр в Дубаи - 321 м.

В Великобритании бетон с содержанием микрокремнезема применяется там, где можно получить наибольшую пользу от его повышенной прочности и непроницаемости. Компании, занимающиеся переработкой отходов, скрапные дворы и металлоперерабатывающие предприятия используют физические характеристики бетона с содержанием микрокремнезема, что позволяет сохранять хорошее состояние рабочих площадок сроком до десяти лет, тогда как раньше бетон меняли каждые 18 месяцев. Химическая стойкость и непроницаемость снижают риск, исходящий от опасных химикатов и загрязняющих веществ в системе грунтовых вод с предприятий, складов удобрений, силосных ям и полей орошения.

Одной из основных сфер применения микрокремнезема в Великобритании являются покрытия, где бетон с микрокремнеземом использовался в ряде крупных проектов. Его применение в данной области обусловлено быстрым нарастанием прочности и низкой усадкой в сочетании с высокой устойчивостью к истиранию и химической стойкостью.

Среди недавних проектов были два региональных дистрибьюторских центра для сети магазинов. В каждом случае внутреннее покрытие склада равнялось по площади четырем футбольным полям, и на него потребовалось свыше 9000 куб.м бетона с микрокремнеземом. Одно из них используется в качестве долговременной испытательной площадки для анализа усадки плиты. В Шотландии 2000 куб.м бетона на тройной смеси - обычный портландцемент/ гранулированный доменный шлак/ микрокремнезем - пошло на укладку пола нового предприятия, где решающими факторами являются высокая устойчивость к истиранию и химическая стойкость. В Великобритании также используется торкрет-бетон с микрокремнеземом, например, при прокладке линий лондонского метрополитена.

Все мосты, расположенные в Сибири, подвергаются серьезному воздействию агрессивных сред

По словам мостового инспектора в Сибирском регионе Тамары Кругловой, практически все мосты, расположенные в Сибири, подвергаются серьезному воздействию агрессивных сред. Поэтому одними из главных проблем, стоящих перед мостостроителями, являются уменьшение проницаемости железобетонных конструкций и, что особенно актуально, защита от агрессивного воздействия хлористых солей. Проблемы глобальны, и связаны они с широким применением химикалий, которые вызывают повреждение железобетонных конструкций задолго до окончания проектного срока эксплуатации.
Задача защиты железобетонных конструкций от коррозии будет решена, если удастся резко (на порядок величин) понизить проницаемость бетона для хлористых солей. Помимо названных условий такие бетоны одновременно нашли бы применение в сооружениях для охраны окружающей среды: при захоронении токсичных и радиоактивных отходов, консервации отработавших блоков атомных станций и ядерных установок и в других случаях, когда необходимо в большие, иногда неограниченные, сроки обеспечить сохранение непроницаемости сооружений. Подобные бетоны могли бы существенно повысить долговечность автодорожных мостов, дорог, морских сооружений (причалов, морских платформ и т. п.).
Бетоны для указанных целей должны обладать полной водонепроницаемостью, резко пониженной способностью к капиллярному всасыванию растворов солей и крайне низкой диффузионной проницаемостью. Достичь этих параметров на существующих материалах и по старым технологиям - задача практически неразрешимая. Но решать ее необходимо. И это прекрасно понимают многие руководители крупных строительных организаций. Специалисты и технологи ряда сибирских предприятий начали испытания нового материала для строительной индустрии - микрокремнезема.

Микрокремнезем представляет собой очень мелкие шарообразные частички аморфного кремнезема со средней удельной поверхностью около 20 кв. м/г. По гранулометрическому составу средний размер частиц МК составляет около 0,1 микрона, то есть в 100 меньше среднего размера зерна цемента. При рассеивании тысячи реактивных сферических микрочастиц окружают каждое зерно цемента, уплотняя цементный раствор, заполняя пустоты прочными продуктами гидратации и улучшая сцепление с заполнителями. Высокореакционность пуццолана способствует получению более плотного, прочного и долговечного цементного камня.
В данный момент микрокремнеземом серьезно заинтересовались в крупнейшем мостостроительном тресте Сибири «Сибмост». Сейчас в нескольких мостоотрядах этого треста проходят испытания нового материала, и уже есть первые результаты. Результаты положительные. Добавление микрокремнезема позволяет повысить марочность получаемых бетонов на 1,5-2 марки. Сам бетон получается более гладким, с отсутствием раковин на лицевой поверхности, приятного серо-голубого цвета. Это, что называется, визуальные результаты. Но микрокремнезем не только придает эстетичный вид; главное - он серьезно улучшает качественные характеристики бетона: прочность (до 1000 МПа), сульфатостойкость (на 90-100%), износостойкость, морозостойкость (F600-F1000), химическая стойкость - снижается водопроницаемость (W12-W16). Более того - использование микрокремнезема позволяет получать из низких марок цемента бетоны с высокими эксплуатационными характеристиками и конструкционными возможностями (High Performance Concrete). А это уже прямая экономия денежных средств строителей.
Технологи «Сибмоста» уверены, что микрокремнезем в скором времени станет широко потребляемым материалом на российском строительном рынке, так как сегодня заказчик объекта уже не тот, каким был еще несколько лет назад. Он требует повышенного качества вводимого объекта, а следовательно, и уверенности в долгой, безаварийной его эксплуатации. И в первую очередь речь идет об инженерно-технических сооружениях: мостах, дамбах, плотинах и т. п.

Бетон с добавлением уплотненного микрокремнезема в несколько раз повышает прочность мостовых конструкций и тем самым дает возможность сократить число опор без потери устойчивости объекта. Например, мост через пролив Акаси в Японии имеет протяженность центрального пролета 1990 метров. Тоннель под проливом Ла-Манш также построен с применением микрокремнезема, а в Норвегии и Швеции с добавлением этого материала строится порядка 90% всех тоннелей и буровых платформ.
По мнению специалистов НИИЖБ (Н. К. Розенталь, Г. В. Чехний), введение микрокремнезема в количестве 10-20% взамен соответствующей части цемента приводит к существенному повышению стойкости материалов в сульфатных средах.
Успешными оказались опыты исследования микрокремнезема и на многих других российских предприятиях. Так, АООТ «Трест Кемеровопромстрой» с помощью микрокремнезема производит высокомарочный кислотостойкий бетон для нужд ОАО «Кокс»; ОАО «Агростройконструкция» получает бетоны с добавлением микрокремнезема с прочностью на 150-215% больше, чем без микрокремнезема.

Таким образом, с применением микрокремнезема появляется возможность получить бетоны особо малой проницаемости, которые по эксплуатационным свойствам (сверхнизкой водонепроницаемости, высокой стойкости в сульфатных средах, морозостойкости и большому электрическому сопротивлению) можно отнести к бетонам нового поколения. Способы получения бетонов с подобными характеристиками за рубежом квалифицируют как «высокие технологии». Получаемые бетоны можно считать первым шагом на пути решения проблемы создания материалов, сохраняющих эксплуатационную пригодность в неограниченно большие сроки. Что ведет к существенному сокращению ремонтных и восстановительных работ, а это, в конечном итоге, - экономия денежных средств на содержание объекта.

ОАО «Кузнецкие ферросплавы»:
г. Новокузнецк,
тел.: (3843) 398-120, 398-624

Представители трех крупных компаний "Томое Инжиниринг Ко.", "Санко Ко., Лтд." и "Кросаки Харима Корп." обсудили с руководством ОАО "Кузнецкие ферросплавы" вопросы, связанные с увеличением поставок в Японию микрокремнезема, выпускаемого на ОАО "Кузнецкие ферросплавы". Об этом СКРИН сообщили в пресс- службе администрации Кемеровской области. Члены японской делегации лично ознакомились с процессом получения микрокремнезема, проследив всю производственную цепочку от ферросплавных печей до установки по уплотнению и упаковке микрокремнезема, провели переговоры с техническими специалистами завода. Микрокремнезем - продукт, применяемый в строительной индустрии. С помощью уплотненного микрокремнезема можно получать бетоны, обладающие крайне высокой степенью сжатия и низкой водопроницаемостью. ОАО "Кузнецкие ферросплавы" - крупнейший в России производитель высококачественного уплотненного микрокремнезема промышленным способом. Установка по уплотнению пыли позволяет получать 35 тыс. тонн микрокремнезема в год. Сейчас около 50 процентов выпускаемого микрокремнезема поставляется на экспорт.

Микрокремнезем используется везде - от бетонных блоков до нефтяных сооружений, и его рабочие качества исследуются и проверяются по всему миру. Ультрамелкие пуццолановые побочные продукты промышленности кремниевых сплавов обозначаются по крайней мере 17 различными названиями, некоторые из них представлены в таблице 1. В научном мире термин "конденсированные пары кремнезема" сейчас применяется по отношению к парам, получаемым из целого ряда сплавов. Большинство исследований влияния этих материалов на бетон посвящено концентрированным парам кремнезема, для обозначения которых становится общепринятым термин "микрокремнезем". Для удобства в данном тексте материалы, представляющие особый интерес для бетонной промышленности, будут называться "микрокремнезем".

Химические и физические характеристики

Вид сплава, вырабатываемого в печи, является основным фактором, определяющим характер материала, собранного в рукавных фильтрах. Печи для производства феррокремниевых сплавов с содержанием кремния свыше 72% дают микрокремнезем, очень сходный по своим свойствам и составу. Конденсированные пары кальциево-кремниевых, феррохромо-кремниевых и кремниево-марганцевых сплавов могут обладать сходными физическими характеристиками, но их химический состав может существенно отличаться. Частицы микрокремнезема имеют гладкую поверхность и сферическую форму. Средний размер частиц составляет 0,1-0,2 микрон, то есть они в 50-100 раз мельче цемента или летучей золы, а удельная площадь поверхности составляет от 13000 до 25000 м2/кг. Порошок, собранный в фильтрах, фактически состоит из рыхлых агломератов с очень низкой насыпной плотностью. По сравнению с другими вяжущими материалами, микрокремнезем отличается очень высоким содержанием реактивного кремнезема и мелкостью. На содержание углерода и, следовательно, цвет влияет главным образом наличие или отсутствие в печи системы теплорегенерации. Не считая этого, изменчивость материала в зависимости от особенностей печи или состава сплава крайне невысока.

Виды и сорта

В настоящее время в Великобритании имеется в основном микрокремнезем из чистых сплавов. Чистейший продукт поступает с металло-кремниевого производства, отличается высокой ценой и ограниченной сферой применения - промышленность огнеупорных материалов. Микрокремнезем для использования в бетоне получают из феррокремниевых сплавов. Некоторые поставщики микрокремнезема смешивают материал из различных источников для получения продукта постоянного состава с разницей в содержании реактивного кремнезема +/-2%. Пары сплавов с высоким содержанием кальция или марганца настолько отличаются по химическому составу по сравнению с чистым микрокремнеземом, что их следует рассматривать как различные материалы. Проведены небольшие исследования их применения в бетоне и очевидно, что их пуццолановая активность гораздо ниже.

Химическое воздействие

Известно, что низкая проницаемость и низкое содержание свободной извести повышает устойчивость бетона к воздействию агрессивных химических веществ. Бетон с содержанием микрокремнезема обладает этими качествами и проявляет прекрасную устойчивость к воздействию целого ряда веществ. Долгосрочные полевые испытания в Норвегии показали, что по своей потенциальной устойчивости к сульфатам он равен сульфатостойкому портландцементу.

Волгоград,
проспект Ленина 102, оф. 308,
тел/факс (8442) 49-30-85, 49-30-86