Микрокремнезем: свойства и применение

Микрокремнезем: свойства и применение

«Насколько вода является уникальной жидкостью,
настолько и аморфный кремнезем уникален как
твердое вещество. Они во многом схожи».

Ральф Айлер, американский исследователь,
крупный теоретик и практик в области
коллоидной химии кремнезема

Микрокремнезем – новый продукт компании «Русал». Высокоактивная пуццолановая добавка с повышенным содержанием SiO2, новинка на строительном рынке РФ, незаменимая добавка в производстве высокопрочных бетонов.

Сильное звено

Микрокремнезем (микросилика) – одно из самых известных сегодня пуццолановых веществ, которое активно применяется в строительной индустрии. Это мелкодисперсная пыль серого цвета, обладающая аморфными свойствами. Она извлекается из отходящих газов печей при выплавке металлургического кремния и ферросилиция и используется при производстве строительных и ремонтных смесей, огнеупоров, а также для повышения качества бетонов.

Пуццолановые вещества и их влияние на свойства бетонов известны человечеству уже тысячи лет. Одним из древнейших примеров сооружений из монолитного неармированного бетона является римский Пантеон. Он построен во времена императора Адриана почти две тысячи лет назад. Для создания пуццоланового бетона был использован вулканический пепел в сочетании с известью. Взаимодействие этих двух компонентов аналогично реакции, в которую вступает микрокремнезем с портландцементом в процессе гидратации. Как результат, образуется плотная матрица, позволяющая увеличить прочность и долговечность бетона.

Высокая пуццолановая активность микросилики обусловлена наличием свободных химических связей, сферической формой и размером частиц – в среднем в 500 раз меньше частиц самого цемента.

Включение микрокремнезема в бетонную смесь оказывает влияние на свойства как цементного теста, так и цементного камня. Сферическая форма частиц микрокремнезема приводит к «подшипниковому эффекту», улучшая когезионные свойства цементного теста. Малые размеры частиц позволяют микрокремнезему заполнить объем между грубодисперсными частицами цемента. Высокая удельная площадь поверхности (15-30 м2/г) стимулирует образование многочисленных коагуляционных контактов, сокращая объем свободной воды. В результате цементное тесто приобретает высокие когезионные свойства. При этом не наблюдается сегрегация и водоотделение. Бетонная смесь обладает высокой удобоукладываемостью и прокачиваемостью, что особенно важно при высотном строительстве и торкретировании.

Пуццолановая активность микрокремнезема обеспечивает переход нестабильной растворимой гидроокиси кальция в прочный кристаллический гидрат силиката кальция, который уплотняет структуру бетона и увеличивает прочность на 20-25%.

Цементный камень с добавлением микрокремнезема характеризуется повышенной плотностью, уменьшается его проницаемость. Долговечность бетона растет.

Troll-A-platform.tif

Современные стандарты

Сегодня производство пуццолановых веществ, в частности микрокремнезема, широко освоено промышленностью. Как отмечает Ирина Полищук, руководитель направления дирекции по новым проектам компании «Русал», свойства и технические характеристики микрокремнезема делают этот материал все более востребованным как на российском рынке, так и за рубежом.

Наиболее известными объектами, построенными с применением микрокремнезема, являются: самое высокое на данный момент здание в мире – башня «Бурдж-Халифа» в Дубае, башни «Петронас» в Малайзии, мост Большой Бельт в Дании, мост Ханчжоу в Восточно-Китайском море, Troll A – офшорная платформа природного газа у западного побережья Норвегии и др.

В России микрокремнезем был использован при строительстве фундамента и зданий комплекса «Москва-Сити», Лефортовского тоннеля, парящего моста в парке «Зарядье».

Первым в стране кремниевым заводом, где было запущено производство микрокремнезема, стал в 2017 году завод компании «Русал» в Каменске-Уральском. Ранее его получали только на ферросплавных заводах при изготовлении ферросилиция.

Основной спрос на микрокремнезем обеспечивают производства высокопрочных бетонов, огнеупорной продукции и тампонажных материалов, так как его потребительские свойства лучше отвечают техническим задачам этих компаний.

Как подчеркивает Ирина Полищук, изучив спрос и получив обратную связь от клиентов, предприятие в г. Каменске-Уральском работает над возможностью предлагать потребителям комплексные технические решения с применением микрокремнезема, готовыми рецептурами на его основе, полностью удовлетворяющими запросы покупателей.

В продукции «Русала» содержание SiO2 – не менее 94%, что отличает его от известного на российском рынке МК-85 и МКУ-85 (SiO2 – 90-91%). Более высокая химическая чистота, пониженное содержание оксидов металлов и щелочей приводит к более высокой площади удельной поверхности и индексу активности. Сравнительные характеристики химического состава микрокремнезема кремниевого и ферросплавного производств приведены в таблице.

ООО «Русал Кремний Урал» (пр-во кремния) SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO CaO Na2O+K2O
94- 95% 0,1-0,28% 0,1-0,3% 0,3-0,5% 0,2-0,5% 1,1- 1,8%
Производство ферросилиция 90-92% 0,6-0,8% 0,4-0,7% 0,8-1,0% 0,4-0,9% 1,8-2,2%

Индекс активности МКУ-95 – 109% на 7-е сутки и 112% – на 28-е сутки (данные Geoscience testing laboratory – независимой лаборатории в Дубае, ОАЭ).

bigBelt.tif

Замена 10% цемента в составе бетона приводит:
– к увеличению прочности при сжатии на 25%;
– к росту прочности на растяжение при изгибе на 20%;
– к повышению марки по водонепроницаемости с W4 до W10;
– к повышению марки по морозостойкости с F200 до F400.