Свойства затвердевшего бетона с доменным шлаком (GGBFS) - Строительство и ремонт

Физические свойства молотого гранулированного доменного шлака (GGBFS) обеспечивают преимущества бетону как в свежем, так и в затвердевшем состоянии.
Его всегда рекомендуют использовать при составлении бетонной смеси, чтобы получить более плотную массу бетона, т.е. твердую, без пустот. GGBS играют важную роль в том, чтобы сделать бетонную массу свободной от пустот и, следовательно, сделать структуру менее проницаемой.

Доменный шлак

Существует множество вариантов применения бетона с доменным шлаком, например, мост Дартфорд, который показан на рисунке 2.

Дартфордский мост, Великобритания

Эта статья проливает свет на свойства затвердевшего бетона с добавлением доменного шлака.

Свойства затвердевшего бетона с доменным шлаком

Время схватывания бетона GGBFS
Прочность на сжатие бетона, содержащего шлак
Твердение бетона с добавлением доменного шлака
Цвет бетона с добавлением шлака
Прочность на изгиб бетона с доменным шлаком
Проницаемость бетона с добавлением шлака
Модуль упругости Юнга бетона с добавлением шлака
Сушильная усадка бетона, содержащего шлак
Изменение свойств микроструктуры бетона при замене цемента на ГГБФС.

Время схватывания бетона с ГГБФС

ГГБФС имеют меньшую потребность в воде, поэтому существует вероятность увеличения времени схватывания бетона. Когда количество цемента, заменяемого на ГГБФС, увеличивается, время схватывания также увеличивается.
Исследование, проведенное Hogan et. Al, показало, что при замене 40%, 50% и 60% цемента на GGBFS время схватывания OPC увеличивается почти на один час (как для начального, так и для конечного времени схватывания).

Прочность на сжатие бетона, содержащего шлак

Прочность шлакобетона на сжатие в основном зависит от ряда факторов, таких как тип шлака, мелкозернистость, индекс активности и количество, используемое в бетонных смесях, в дополнение к другим факторам, таким как тип цемента и соотношение воды и цементирующего материала.
В целом, прочность на сжатие шлакобетона постепенно увеличивается с 1-5 суток и ниже, чем у бетона без шлака, но прочность шлакобетона соответствует прочности контрольного бетона с 7-28 суток. Более того, прочность шлакобетона на сжатие превосходит прочность бетона с нулевым содержанием шлака через 28 дней.
Кроме того, низкий уровень раннего набора прочности шлакобетона может быть устранен путем включения кремнеземистого дыма. Улучшение набора прочности в раннем возрасте зависит от количества использованного дыма.
Наконец, на рисунке 3 показано развитие прочности при сжатии для контролируемого бетона и бетона с различным процентным содержанием шлака. Можно заметить, что 40-процентная замена обеспечила наилучшие характеристики по сравнению с контролируемым бетоном и другими процентами замены.

Развитие прочности шлакобетона

Твердение бетона из доменного шлака

Недостаточное твердение бетона существенно влияет на степень и скорость гидратации и, следовательно, формирование прочности-производной гидратации будет происходить медленно. Вредные последствия недостаточного твердения более глубоки и заметны в бетоне с высоким процентным содержанием шлака.
Поэтому, чтобы избежать неопределенности в прочности и долговечности, бетон, содержащий более 30% шлака, отверждается в течение более длительного периода по сравнению с бетоном без шлака.
Наконец, увеличение времени твердения шлакобетона зависит от ряда факторов, включая температуру окружающей среды, количество и виды цемента, температуру использования цемента и процент замены цемента.

Цвет бетона с добавлением шлака

Из-за светлого цвета доменного шлака цвет шлакобетона светлее по сравнению с обычным бетоном.
Более того, глубокий сине-зеленый цвет проявляется во внутренней части шлакобетона и может быть заметен на разрушенных частях шлакобетона, например, после испытания на прочность на сжатие. Этот цвет теряется после достаточного воздействия воздуха.
Степень окраски зависит от условий твердения, процентного содержания доменного шлака и степени окисления.

Прочность на изгиб бетона из доменного шлака

В возрасте 7 дней и более прочность на изгиб шлакобетона равна или превышает прочность на изгиб бетона контрольного класса. Более высокая прочность на изгиб бетона из доменного шлака является результатом более прочной связи, которая достигается в системе цемент-шлак-агрегат благодаря форме частиц шлака и текстуре поверхности. На рисунке 4 показаны частицы шлака.

Частицы доменного шлака

Проницаемость бетона с добавлением шлака

Утверждается, что бетон, содержащий шлак, имеет лучшие показатели по проницаемости по сравнению с бетоном контрольного состава, поскольку доменный шлак в цементной пасте уменьшает размер пор и, следовательно, проницаемость шлакобетона снижается.
Более того, показано, что бетон, содержащий до 75% шлака, демонстрирует удовлетворительные характеристики в морской воде.

Модуль упругости Юнга бетона с добавлением шлака

При одинаковой прочности обоих видов бетона не существует значительной разницы между модулем упругости шлакобетона и бетона без шлака. Об этом сообщают некоторые исследователи, такие как Штуттерхайм и Накамура и др.

Сушильная усадка бетона, содержащего шлак

Согласно исследованиям, проведенным Хоганом и Мейселом, усадка при высыхании шлакобетона больше, чем усадка при высыхании бетона без шлака. Из-за низкого удельного веса шлака увеличивается объем бетонной смеси, когда шлак заменяет часть цемента по весу.

Микроструктура бетона с ГГБС

Исследования показали, что ГГБС способствует уменьшению пор в бетоне, делая его более плотным. Реакция гидратации ГГБС включает две реакции. Первая реакция включает в себя активацию частиц ГГБС для того, чтобы они подготовились к гидратации. Это происходит под воздействием щелочной среды гидроксида кальция (Ca (OH)2), образующейся в результате первичной реакции цемента с водой.
Эта щелочная среда способствует образованию продукта гидратации в результате пуццолановой реакции, осуществляемой ГГБС и щелочью. В результате вначале в пасте образуется гель C-S-H. Скорость его образования замедляется, и со временем происходит развитие прочности. Продукт гидратации C-S-H делает бетонную массу более плотной.
Чем больше замена GGBS, тем больше образование C-S-H, следовательно, плотнее бетон. Более плотный бетон способствует более плотной микроструктуре и меньшей пористости. Низкая пористость – это фактор, который оказывает сопротивление проникновению воды, тем самым гарантируя долговечность бетона.
По сравнению с продуктами гидратации обычного портландцемента (OPC), существует разница в количестве продуктов, образующихся в бетоне GGBFS. Продукты гидратации Ca (OH)2 в результате первичной реакции активируют шлаковую реакцию, образуя низкое соотношение CaO / SiO2 или соотношение C/S. Это также снижает количество продуктов AFm (продукты, образующиеся при гидратации глинозема и гидроксида кальция в цементирующих продуктах).
Установлено, что пуццолановая активность увеличивает отношение C/S, из-за нестабильности C-S-H и Ca (OH)2. Использование GGBFS не только уменьшает пористость, но и изменяет поры, делая их более мелкими. Это поможет в изменении минералогии гидратации цемента. Это способствует уменьшению проникновения хлорид-ионов.

Вид обычного портландцемента и бетона с ГГБФС в сканирующем электронном микроскопе

Исследование, проведенное Daube et.al (1983), показало, что добавление GGBFS изменяет продукты гидратации и пористость бетона. Это было ясно видно на снимках, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM), как показано на рисунке 5 и рисунке 6.
Снимки были сделаны как для обычного портландцементного бетона, так и для бетона с ГГБФС. Замена на ГГБФС составляла 60% бетона.

Сканирующий электронный микроскоп бетона из OPC

СЭМ бетона с заменой ГГБС

Было замечено, что в обычном портландцементном бетоне (OPC) образовалось большое количество капиллярных пор размером (от 0,05 до 60 м), а также гидроксиды кальция. Вид бетона, замещенного ГГБФС, показал, что эттрингит образуется в небольшом количестве.
Эттрингит образуется в результате гидратации трикальциевого алюмината (C3 A) с водой и гипсом. Эттрингит не является стабильным. Он состоит из длинных кристаллов и не обладает прочностью.
Образуются капиллярные поры размером от 10 до 50 м, которые находятся в меньшем количестве. Они даже заполняются продуктами пуццолановой реакции, такими как гель C-S-H.
Ли и Чжао изучали эффект комбинации ГГФС и золы-уноса. Комбинация была GGFAC. Контрольным образцом был портландцементный бетон (ПЦЦ). На рисунках 3 и 4 показаны сканирующие электронные микроскопы бетона OPC и GGBFS через 7 и 360 дней.
PCC содержал 500 кг/м3 цемента, а GGFAC – 300 кг/м3 цемента, 125 кг/м3 летучей золы и 75 кг/м3 GGBS. Вид микроструктуры в следующем исследовании показан на рисунке 7 и 8.

СЭМ-микрофотография ПКК в возрасте 7 и 360 дней соответственно

SEM-микрофотография GGFAC в возрасте 7 и 360 дней соответственно.

Из рисунка 7 видно, что ПКК содержит большее количество игольчатого эттрингита и гидроксида кальция. В образце также наблюдается большое количество пор, как показано на рисунке.
На рисунке 8 показана микроструктура комбинации GGBS и летучей золы, которая показала более значительные изменения в микроструктуре. Основными продуктами были гель C-S-H и небольшое количество эттрингита. Не было никаких признаков частиц летучей золы/ Это может быть связано с полной реакцией летучей золы.
Микроструктура ПКК была более компактной. Наблюдалось большое количество гидроксида кальция, представляющего собой пластинчатые кристаллы, что само по себе в большом избыточном количестве нежелательно для характеристик бетона.
Читать далее:
Молотый гранулированный доменный шлак в бетоне и его преимущества
Свойства свежего бетона с молотым гранулированным доменным шлаком
Прочностные свойства бетона с ГГБФС

Читайте далее: