Перспективы применения метакаолина для снижения усадки цементного камня

На сегодняшний день в современной строительной индустрии существует достаточно большое разнообразие бетона и изделий из него, которые имеют существенные различия, в том числе в условиях эксплуатации, что в значительной степени обуславливает необходимость применения специальных бетонов. К специальным бетонам относят материал, имеющий повышенные физико-механические характеристики, среди которых особое место занимают усадочные деформации.

Различают влажностную, карбонизационную и контракционную усадки бетона, наименее изученной из них остается влажностная, которая и вызывает основную деформацию цементного камня [1-6].

Усадка бетона вызвана прежде всего возникновением усадочных деформаций цементного камня и соответственно будет зависеть от вида применяемого цемента, его расхода и тонкости помола, а также водоцементного соотношения.

Исследованию процессов и явлений, объясняющих природу усадочных деформаций цементного камня и бетона, посвящены работы многих ученых: В.В. Михайлова, З.Н. Цилосани, В. Рома-чандрана, Т. Пауэрса, Т.В. Кузнецовой, С.В. Александровского, Р. Майера, Ю.М. Баженова и многих других [1-9].

Так, например, З.Н. Цилосани утверждает, что капиллярная усадка цементного камня прямо пропорциональна его капиллярной пористости и среднему диаметру капилляров. Таким образом, увеличение капиллярной пористости в структуре и повышение радиуса капилляров приводит к увеличению усадки цементного камня и бетона [6].

По мнению С.В. Александровского, А.Е. Шей-кина, Л.М. Щербакова, капиллярная усадка связана с микроскопическими искривлениями поверхности жидкости на границе раздела фаз, а изменения молекулярного давления при этом не велики и носят второстепенный характер. Кроме того, А.Е. Шейкин утверждает, что максимальная усадка цементного камня проявляется только в условиях квазистатической сушки [7-9].

Многие исследователи объясняют влажностную усадку цементного камня и бетона прежде всего перераспределением и испарением влаги в структуре камня. Усадочные напряжения возникают в результате отсутствия гигроскопического равновесия цементного камня и воздуха, из-за малого коэффициента диффузии влаги высыхание происходит неравномерно и образуются градиенты влажности, которые приводят к появлению напряжений и деформаций. Поскольку структура бетона содержит капиллярную, адсорбционную и связанную воду, влажностная усадка включает в себя все три составляющих. Усадка начинается с испарения свободной воды, находящейся в поровом пространстве бетона. Далее происходит испарение и перераспределение адсорбционной и структурно-связанной воды [7-12].

Согласно современным представлениям, усадка обусловлена совместным действием капиллярных сил и сил, возникающих при удалении во-

Строительные материалы и изделия ды из слоев, образованных между кристаллами новообразований цементного камня [7–12].

Многими исследователями было показано, что одним из эффективных методов снижения усадки цементного камня и бетона является создание направленной структуры и фазообразования за счет введения добавок-модификаторов, включающих сульфат-ионы и алюминаты, позволяющие формировать различные модификации гидросульфоалюмината кальция [12–16].

Хорошо известно применение активных минеральных добавок (АМД) для снижения усадки бетона. Так, например, использование золы-уноса или доменного гранулированного шлака уменьшает аутогенную усадку в раннем возрасте бетона, однако шлак следует вводить в дозировке более 20 %, поскольку меньшее количество может привезти к снижению эффекта [12–18].

Многие исследования ориентированы на разработку комплексных добавок для снижения усадочных деформаций цементного камня и бетона, поскольку доказано, что многокомпонентные смеси более эффективны. Такие многокомпонентные системы обычно включают газообразующие вещества или добавки, синтезирующие соединения типа гидросульфоалюмината кальция (гипс, гипсоизвестковые добавки), пластификаторы, замедлители или ускорители, стабилизаторы, пуццолано-вые добавки, например шлак или микрокремнезем [17–20].

Так, например известен органо-минеральный модификатор серии эмбэлит, включающий микрокремнезем и золу-уноса, расширяющую композицию (на основе гипса), который покрыт равномерно затвердевшей адсорбционной пленкой из самих молекул суперпластификатора [17].

Метакаолин также относится к АМД и представляет собой алюмосиликат, в связи с чем некоторые ученые утверждают, что его возможно применять для компенсации усадки бетона или получения расширяющихся составов, поскольку добавка будет способствовать формированию в цементном камне гидросульфоалюмината кальция (эттрингит). В работе Ю.М. Баженова представлены результаты по сравнению различных органоминеральных добавок, в том числе и метакаолина, на усадку бетона. Согласно полученным данным метакаолин способствует некоторому снижению усадочных деформаций бетона [9].

Однако не установлены оптимальные дозировки метакаолина, при которых будет формироваться достаточное количество эттрингита, позволяющее снижать усадочные деформации. Кроме того, не рассмотрено влияние условий твердения модифицированного цементного камня на процесс формирования эттрингита и компенсацию возникающих напряжений.

На сегодняшний день экспериментальных подтверждений выше изложенной теории недоста- точно, что обуславливает актуальность проведения дополнительных исследований.

В ранее проведенных исследованиях было доказано, что метакаолин является эффективной добавкой-ускорителем твердения бетона, однако его дозировку необходимо строго контролировать для предотвращения снижения стойкости бетона к агрессивному воздействию внешней среды. Кроме того, его необходимо вводить в комплексе с суперпластификатором для снижения воды затворения, поскольку метакаолин представляет собой мелкодисперсную добавку [20].

Введение метакаолина, особенно в больших дозировках может привести к созданию дефицита ионов кальция в жидкой фазе цементного камня.

В связи с выше изложенным очевидно, что для формирования необходимого количества эттрингита в структуре и компенсации усадочных деформаций цементного камня должно быть достаточное количество воды затворения и метакаолин необходимо вводить совместно с гипсом.

Таким образом, можно сделать вывод, что комплексное введение метакаолина совместно с суперпластификатором и гипсом теоретически будет способствовать снижению усадочных деформаций цементного камня и бетона.