Бетоны с использованием микросфер

Применение микросфер настолько разнообразно, что сегодня нет такой области науки и техники, где не исследовалось бы их возможное применение [121…126].

Ценосферы различного происхождения широко применяются как добавки в цемент для создания легких и сверхлегких бетонов. Сферы находятся в тесном взаимодействии с продуктами гидролиза и гидратации цемента и выполняют роль структурирующего элемента, проявляющего пуццоланическую активность. Продукты гидролиза цемента — известь, алюминаты и гидроалюминаты, гидроферриты — имеют положительный заряд. Поэтому они притягивают микросферы и притягиваются ими.

Располагаясь в межзерновом пространстве, продукты гидролиза вместе с микросферами образуют сложные комплексы. Они уплотняют межзерновое пространство и одновременно поризуют его. Полые стеклянные микросферы в цементном растворе и камне проявляются в качестве центров кристаллизации и оказывают пуццоланический и структурирующий эффекты благодаря действию поверхностных сил.

По некоторым оценкам, технология производства бетонов с добавлением ценосфер является более простой по сравнению с традиционной технологией изготовления пенобетонных блоков и с автоклавной технологией производства газобетонных блоков. В частности, при использовании микросфер, в силу описанных выше свойств, не нужно искусственно уменьшать время схватывания цемента дополнительными реагентами, наличие которых снижает прочность конечного изделия.

Добавление микросфер придает бетону свойства жаропрочности, долговечности (длительное сохранение несущей способности). Материал на основе ценосфер характеризуется повышенными теплои звукоизолирующими свойствами, при существенно меньшем весе. Такой бетон, например, может использоваться для футеровки промышленных печей, работающих при температурах до 1200 °C.

Отдельная обширная сфера применения микросфер — добавки для производства облегченных тампонажных цементов. Облегченные тампонажные материалы применяются при цементировании глубоких скважин, а также при наличии в разрезе пластов с низкими давлениями гидроразрыва. Добавки из микросфер снижают вероятность возникновения поглощений и обеспечивают большую высоту подъема тампонажного раствора.

Введение

в состав смеси микросфер создает равномерно распределенную в цементной матрице ячеистую структуру, внутри которой полые микросферы окаймляют поры.

В цементных смесях микросферы используются в качестве:

• — заполнителя с малой массой. Ценосферы могут заменять некоторое количество используемого в составе бетона песка с нормальной массой. Плотность ценосфер почти в 4 раза ниже плотности кварцевого песка, а размер самых больших ценосфер соответствует размеру наименьших гранул песка. Дополнительное преимущество ценосфер заключается в том, что они практически «невидимы» в бетоне, поэтому материалы на их основе легче полируются;
• — усилителя обрабатываемости. Добавление ценосфер к бетонной смеси с традиционной массой повышает обрабатываемость за счет способности частиц действовать как шарикоподшипники. Т.к. микросферы являются структурным заполнителем, они повышают плотность бетона и его прочность за счет обеспечения лучшего трамбования. Для улучшения обрабатываемости в бетонную смесь обычно добавляют 1−5% ценосфер по массе;
• — объемного заполнителя. Использование ценосфер в качестве объемного заполнителя ведет к увеличению объема смеси без дополнительных добавок цемента, а различные размеры тонко измельченных частиц способствуют уменьшению усадки. Сферическая форма ценосфер позволяет частицам проникать в небольшие отверстия, куда не могут проникнуть зазубренные и имеющие углы частицы песка. При использовании ценосфер в качестве объемного заполнителя их доля достигает 10−30% смеси по массе.

Применение алюмосиликатных микросфер в мелкозернистом бетоне позволяет существенно повысить морозостойкость бетонов до марки F150, что объясняется созданием замкнутых «резервных» пор, оказывающих «демпфирующее» действие в процессе замораживания бетона, а также тем, что добавка микросфер вносит с собой дополнительную поверхность раздела и создает эффективные «ловушки» для развивающихся трещин.

Введение

микросфер практически не усложняет технологию приготовления бетонной смеси, ведет к повышению ее связности и созданию заданной и стабильной во времени замкнутой пористости бетона.

Разработаны кладочные и штукатурные растворы с полыми стеклянными микросферами с пределом прочности при сжатии в возрасте 28 сут — 3,2 МПа, при изгибе — 1,3 МПа, водопоглощением по массе 67,4% и морозостойкостью — 25 циклов.

На основе модифицированных микросфер и цементного вяжущего разработан перспективный теплоизоляционный конструкционный материал — сферобетон плотностью 0,8−1,0 г/см3 и прочностью на сжатие до 21 Мпа. Сферобетон может найти применение при изготовлении защитных слоев в контейнерах специального назначения, например, для транспортировки и хранения радиоактивных материалов.

Разработан теплоотражающий материал на основе акрилового полимера, алюмосиликатных полых микросфер и алюминиевого пигмента при нанесении на внутреннюю поверхность ограждающей конструкции создающий покрытие толщиной 0,6−0,9 мм и позволяет повысить термическое сопротивление ограждающей конструкции на 35%.

В научно-образовательном центре «Нанотехнологии» МГСУ разработаны составы энергоэффективного высокопрочного легкого бетона, содержащий вяжущее, минеральную часть, легкий наполнитель (полые микросферы), пластифицирующую добавку и воду, со средней плотностью 1300−1500 кг/м3 и прочностью до 70 МПа.

Разработан способ получения конструкционно-теплоизоляционного строительного материала на основе алюмосиликатных микросфер, позволяющий получить материал с повышенными прочностными и теплозащитными характеристиками при его средней плотности 400−700 кг/м3, прочностью при сжатии — 11−17 МПа, теплопроводностью — 0,22−0,3 Вт/м· °С и морозостойкостью — 50−100 циклов.

Разработаны составы конструкционно-теплоизоляционных кладочных смесей на основе полых алюмосиликатных микросфер с использованием стабилизирующей добавки, позволяющие получать кладочные композиты с прочностью от 2,5 до 8,4 МПа, плотностью от 745 до 1400 кг/м3, теплопроводностью от 0,16 до 0,32 Вт/(м•°С).

Разработаны составы цементных теплоизоляционных тампонажных материалов с полыми стеклянными микросферами, которые могут одновременно выступать как пассивная-теплоизоляция и тампонажный материал, имеющий среднюю плотность до 0,78 г/см3, обладающий повышенным сцеплением со сталью обсадной колонны (трубы) и отвечающий всем техническим, эксплуатационным требованиям.

Применение полых алюмосиликатных микросфер с близкой к идеальной сфере формой с микрорельефной поверхностью и небольшими размерами до 500 мкм позволяет получать высококачественные легкие бетоны с заданными физико-механическими свойствами, которые могут сочетать плотноупакованную структуру с низкой средней плотностью и высокими прочностными характеристиками.

Совокупность физических свойств полых микросфер позволяет применять их в качестве заполнителя для приготовления однородной и стабильной бетонной смеси, которая при твердении образует композит с высокими эксплуатационными характеристиками. Поэтому возможность практической реализации получения легких бетонов на полых микросферах с высокой прочностью является весьма актуальной задачей современного строительного материаловедения.