Применение микрокремнезема для профилактики щелоче-кремнеземной реакции с целью обеспечить использование местных заполнителей в Турции

РЕФЕРАТ. Статья посвящена применению микрокремнезема для подавления высокой реакционной способности заполнителей. Приведены результаты ранних исследований профилактики щелоче-кремнеземной реакции (ЩКР), проведенных еще в 1970-е годы; исследований, выполненных в Турции в 2013—2014 годах по инициативе Генеральной дирекции автомагисталей (KGM), входящей в состав Государственного дорожного управления (DLH); и, наконец, испытаний, выполненных в Исландии в 2015 году. Установлено, что добавление микрокремнезема в определенной дозировке сдерживает развитие ЩКР и позволяет использовать местные заполнители, известные своей реакционной способностью, при возведении бетонных конструкций. В случае заполнителей с умеренной реакционной способностью (расширение 0,30—0,40 %) дозировка микрокремнезема должна составлять около 8 % массы цемента. Более высокую реакционную способность заполнителей можно подавлять, вводя около 9 % микрокремнезема.

Ключевые слова: щелоче-кремнеземная реакция (ЩКР), пуццоланы, микрокремнезем, расширение.

Keywords: Alkali Silica Reaction (ASR), pozzolans, silica fume, expansion values.

Введение

Турция находится на стыке Европы и Азии, где на протяжении тысячелетий пересекаются пути сообщения, и чтобы сохранить свою функцию «точки опоры мира», она стремится улучшить инфраструктуру и коммуникации. В связи с этим большое значение имеют и строительство «с нуля», и модернизация аэропортов, дамб, дорог, мостов, тоннелей, портов.

В ходе такого строительства будет использоваться огромное количество бетона с рядовыми и высокими техническими характерис­тиками, что означает огромное потребление заполнителей. Негативным обстоятельством является реакционная способность большинства заполнителей, добываемых в Турции. Склонность заполнителей к участию в ЩКР означает, что требуются профилактические меры, позволяющие предотвратить протекание реакции, и избежать ущерба, который она наносит, повреждая бетонные конструкции. В качестве альтернативного решения можно использовать заполнители с низкой реакционной способностью, смешивая их с местными материалами и тем самым снижая риск ЩКР. Однако если учитывать потребность в заполнителях, составляющую десятки миллионов тонн, то такое решение будет дорогостоящим и вредным для окружающей среды. Приблизительная оценка объемов производства бетонных смесей за последние 5 лет дает следующие значения:

• 2010 — около 80 млн м³,

• 2011 — около 91 млн м³,

• 2012 — около 93 млн м³,

• 2013 — около 100 млн м³,

• 2014 — около 110 млн м³.

При расходе заполнителя около 1800 кг на 1 м³ смеси, его потребление за последние 2 года достигло около 200 млн т. Даже в случае смешивания реакционноспособного заполнителя с нереакционноспособным в соотношении 50 : 50 объем импорта составит около 100 млн т.

Об использовании пуццолан для борьбы с ЩКР известно давно, при этом микрокремнезем зарекомендовал себя в качестве высокоэффективного средства противодей­ствия этой форме разрушения бетона. Целью исследования, обсуждаемого в данной статье, является обоснование возможности кон­тролировать ЩКР при помощи микрокремнезема. Это позволит в большей мере использовать местные заполнители и исключить необходимость их импорта; таким образом, можно снизить стоимость строительства и в то же время не допустить ущерба для окружающей среды.

Ранние исследования

С начала 1970-х годов в результате широкомасштабного внедрения промышленных фильтров значительные объемы мик­рокремнезема оказались доступными для бетонной промышленности, и были исследованы его пуццолановые свойства. Высокая дисперс­ность и значительное содержание SiO₂ обеспечили микрокремнезему два пре­имущества в борьбе с ЩКР. Небольшой размер частиц и их совершенная сферическая форма обусловливают плотную упаковку за счет заполнения пустот между цементными зернами, а также увеличивают когезионную проч­ность и тиксотропность. После образования гидроксида кальция в результате гид­ратации цемента свободное простран­ство заполняется гидросиликатами кальция, образующимися вследствие пуццолановой реакции, что усиливает связанность с мат­рицей и блокирует поры. Получается водонепроницаемый бетон с плотной структурой; в результате пуццолановой реакции связывается избыток ионов щелочных металлов, а также Са(ОН)₂ (рис. 1). Таким образом, три из четырех составляющих, необходимых для протекания ЩКР, нейтрализуются и, следовательно, ЩКР находится под контролем. В 1979 году в Исландии, где реакционная способность местных заполнителей высокая, а цемент имеет высокую щелочность, исследователи пришли к заключению, что все бетоны, изготовленные с использованием исландских материалов, должны содержать 7—8 % микрокремнезема для профилактики ЩКР (рис. 2).

Рис. 1. Снижение концентрации ионов К⁺ при использовании в составе бетонной смеси цемента с добавкой микрокремнезема [1]. Здесь и на рис. 2 OPC — рядовой портландцемент

Рис. 2. Снижение деформаций расширения при использовании в составе бетонной смеси цемента с добавкой микрокремнезема [2]

Исследования в Турции

Использование бетона для строительства дорог, мостов и многих других сооружений в Турции подпадает под действие нормативного документа «Руководство по автомагистралям». В соответствии с ним линейные деформации расширения бетона вследствие ЩКР для используемых заполнителей не должны превышать 0,20 %. Поскольку для многих местных заполнителей расширение достигает 0,30—0,50 %, их применение является трудной задачей. Чтобы можно было использовать некоторые виды заполнителей, приводящие к расширению около 0,80 %, необходимы уже специальные решения. Правительство, DLH и KGM в 2013 году приняли решение начать испытания по вводу микрокремнезема в каче­стве добавки в бетон для профилактики ЩКР при использовании местных заполнителей. Исследования KGM на основе 14-суточного стандартизованного метода и измерения расширения для серии образцов с различным содержанием микрокремнезема подтвердили высокую эффективность микрокремнезема в подавлении ЩКР (табл. 1).

Полученные значения показывают, что добавка микрокремнезема в количестве 8 % массы цемента снижает расширение заполнителей с 0,30—0,40 % до значений менее 0,10 %. Это составляет половину значения, регламентируемого в «Руководстве по автомагистралям». Установлено также, что каждые дополнительные 2 % микрокремнезема снижают 14-суточное расширение еще на 50 % по сравнению с предыдущей дозировкой. Полученные данные свидетельствуют о том, что дозировка микрокремнезема 8—10 % может быть эффективной и для того, чтобы регулировать поведение реакционноспособных заполнителей с расширением 0,60—0,80 %; при этом значения расширения также снижаются до значений менее 0,1 % (табл. 2).

Исследования в DLH/KGM продолжаются с целью уточнить количество микрокремнезема, необходимое при использовании заполнителей различных типов. Возможно, будет изучено также влияние других пуццолан, таких как зола-унос или шлак, повышающих устойчивость к ЩКР. Вводя эти минеральные добавки совместно с микрокремнеземом, можно достичь очень высокой долговечности бетона, улучшить другие характеристики его качества (в частности, сократив тепловыделение при монолитном бетонировании), а также экономические показатели предприятий и организаций, являющихся потребителями бетона.

Хотелось бы надеяться, что в результате данного исследования использование микрокремнезема будет утверждено в «Руковод­стве по автомагистралям».

Исследования в Исландии

Несмотря на то, что в Исландии микрокремнезем используется для подавления ЩКР, известно, что новые заполнители могут потребовать корректировки количества добавки для сохранения качества бетона на требуемом уровне. С 1979 года предусмотренная дозировка микрокремнезема (7,5 %) сократилась за счет использования других материалов и усовершенствованных суперпластификаторов примерно до 6 % массы цемента. Как и в Турции, идея заключается в том, чтобы смешать заполнители с высокой и низкой реакционной способностью и использовать микрокремнезем, чтобы снизить расширение. Недавно стало доступным новое месторождение песка (Stokksnessandur); тестирование показало, что его расширение может составлять 0,40—0,50 %. Смешивание этого песка с относительно инерт­ным песком (добытым на месторождении Raudamelssandur) в соотношении 1 : 1 с одновременным использованием микрокремнезема могло бы стать общепринятым способом подавления ЩКР.

Испытания, проведенные в инновационном центре Rheocenter (Исландия), показали, что даже для смеси с соотношением 1 : 1 дозировку микрокремнезема следует увеличить приблизительно до 8 % (рис. 3) [4]. Чтобы использовать в качестве 100 % заполнителя реакционноспособный песок месторождения Stokksnessandur, а не смесь 1 : 1, требуется дозировка около 9 % микрокремнезема (чтобы значение расширения было ниже 0,20 %) или 11 % (чтобы достичь расширения менее 0,10 %).

Рис. 3. Расширение песков по отдельности и их смеси в зависимости от дозировки микрокремнезема [4]

Сводные результаты

Объединим все полученные результаты на одном графике (рис. 4; данным, полученным в Турции, соответствует оранжевая линия). 

Рис. 4. Расширение заполнителей в зависимости от дозировки микрокремнезема по данным исследований, проведенных в Турции и Исландии [3, 4]

Видно следующее:

• чтобы расширение не превышало 0,2 %, дозировка микрокремнезема должна составлять не менее 7,5 % (длинная красная стрелка);

• в случае умеренно активных заполнителей дозировка 7—8 % обеспечит расширение не более 0,1 %;

• при использовании заполнителей с высокой реакционной способностью дозировку микрокремнезема необходимо увеличить до 11 % (короткая красная стрелка) или более в зависимости от их активности.

Обобщение итогов

Исследования, выполненные в Исландии и Турции, подтверждают результаты 1970-х и 1980-х годов — профилактику ЩКР можно осуществить путем введения в состав бетонной смеси микрокремнезема. В случае заполнителей с умеренной реакционной способностью (расширение 0,30—0,40 %) количество микрокремнезема должно составлять около 8 % массы цемента. Более высокую реакционную способность заполнителей можно подавлять, вводя около 9 % микрокремнезема, хотя для определения оптимальной дозировки необходимы предварительные испытания.

Использование микрокремнезема на строи­тельных объектах в Турции должно стать приоритетной задачей на государственном уровне, чтобы стало возможным применение ранее не использовавшихся заполнителей, с вытекающими отсюда последствиями — экономией средств, энергии, сохранением окружающей среды благодаря отказу от импорта малоактивных материалов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Diamond S. Effects of microsilica on pore solution chemistry of cement pastes // J. of the American Concrete Society. 1982. Vol. 66, N 5. P. 82—84.

2. Asgeirson H. Silica fume in cement and silane for counteracting of alkali-silica reactions in Iceland // Cement and Concrete Res. 1986. Vol. 16. P. 423—428.

3. Bayrak E. et al. Research report for KGM.

4. Wallevik O.H., Hjartarson B. Investigation into changes of addition rates for microsilica in Iceland.