Для активного управления структурой и свойствами бетонной смеси и бетона, наряду с химическими добавками применяют минеральные добавки (МД), представляющие порошки различной минеральной природы, получаемые из природного или техногенного сырья: зол, молотых шлаков, горных пород и др.

Минеральные добавки отличаются от заполнителя мелкими размерами зерен (менее 0,16 мм, а чаще еще меньше), а от химических модификаторов тем, что они не растворяются в воде. Располагаясь вместе с цементом в пустотах наполнителя, они уплотняют структуру бетона, в ряде случаев позволяя уменьшить расход цемента. Поэтому МД часто называют минеральными наполнителями. Если оценивать МД по их влиянию на структуру и свойства цемента и бетона, то в зависимости от дисперсности их можно разделить на МД-разбавители цемента и МД-уплотнители:
– МД-разбавители, например зола, имеют гранулометрический состав, близкий к цементу (удельную поверхность 0,2–0,5 м²/г).
– МД-уплотнители, например, микрокремнезем, имеют частички примерно в 100 раз меньше зерен цемента (удельная поверхность 20–30 м²/г) и являются более эффективной добавкой, так как способны заполнять пустоты между зернами цемента и обладают повышенной реакционной способностью.

Минеральные добавки делятся на активные и инертные. Активные МД способны в присутствии воды взаимодействовать с диоксидом кальция при обычных температурах, образуя соединения, обладающие вяжущими свойствами. При введении в бетон они взаимодействуют с Са(ОН)₂, выделяющимся при гидратации портландцемента. Некоторые активные МД, например, молотые доменные шлаки, способны к самостоятельному твердению, которое активизируется при добавке извести. На свойства минеральных добавок значительное влияние оказывает их зерновой состав, определяющий удельную поверхность и, соответственно, реакционную способность или возможность уплотнения структуры бетона.

Инертные добавки, например, молотый кварцевый песок, при обычной температуре не вступают в реакцию с компонентами цемента, однако при определенных условиях (например, при автоклавной обработке) они могут проявлять реакционную способность. В большинстве случаев инертные добавки используют для регулирования зернового состава и пустотности твердой фазы бетона (заполнитель – цемент – минеральная добавка) с целью управления свойствами бетонной смеси и бетона.

Природные минеральные добавки получают тонким измельчением различных горных пород вулканического (туфы, пеплы, трассы) или осадочного (диатомит, трепел, опока) происхождения. Именно к туфу первоначально был применен термин «пуццоланы» по названию итальянского местечка, где он добывался. Впоследствии этот термин распространили и на другие активные природные минеральные добавки. МД вулканического или осадочного происхождения состоят в основном из кремнезема и глинозема (70–90%), которые в известной мере определяют их пуццолановую активность. Эти добавки широко применяются при производстве цемента. К их недостаткам следует отнести повышенную водопотребность.

Минеральные добавки из техногенного сырья (золы, молотые шлаки, микрокремнезем и другие) имеют различный минералогический состав и дисперсность, от которых и зависит эффективность их применения в цементах и бетонах.

Золы ТЭС образуются при сжигании пылевидных углей из их минеральной части, которая содержит глинистые вещества, кварц и карбонатные породы. В зависимости от температуры топки (1200–1600°C) и размеров частиц минеральная часть углей или плавится полностью, или оплавляется. При охлаждении образуется стекловидная фаза материала. Частицы золы осаждаются в электрофильтрах и удаляются сухим (зола-унос или зола сухого удаления) или мокрым способом (зола гидроудаления). Свойства золы-уноса определяют ее широкое использование в производстве цемента и бетона.

Химический состав зол характеризуется содержанием 35–60% SiO₂ , 15–35% Аl₂О₃, 1–20% Fe₂O₃, 1–30% СаО и небольшого количества MgO, SO₃, щелочей и других соединений. Соотношение компонентов золы предопределяет ее активность и вяжущие свойства.

По содержанию оксида кальция золы подразделяются на высококальциевые (СаО>10%) и низкокальциевые (СаО<10%). Высококальциевые золы обладают некоторыми вяжущими свойствами и могут применяться для замещения части цемента в бетонах, к которым не предъявляются высокие требования по прочности и долговечности. В этих золах часть СаО может находиться в свободном (пережженном) состоянии, что приводит к неравномерному изменению объема и определенным сложностям при их применении.

Низкокальциевые золы вяжущими свойствами не обладают, но в присутствии извести и воды активно участвуют в образовании гидросиликатов и гидроалюминатов кальция – основных структурообразующих компонентов цементного камня. Эти золы на 80% и более состоят из алюмосиликатного стекла, которое предопределяет их пуццоланическую активность.

Низкоосновные золы широко используются в качестве активных минеральных добавок.

Наряду с минеральной частью в золах ТЭС остается небольшое количество (до 5–10% и более) несгоревшего топлива, обычно в виде кокса. Этот компонент золы отличается высокой пористостью, что увеличивает ее водопотребность, а также может отрицательно влиять на процессы структурообразования цемента с добавкой золы. Поэтому в стандартах разных стран ограничивается содержание несгоревшего угля (потери при прокаливании) 5–10%.

Размеры частиц золы колеблются в пределах 1–100 мкм и близки к размерам зерен цемента. Поскольку несгоревший уголь содержится главным образом в крупных частицах, то в отличие от других порошкообразных материалов с повышением дисперсности зол их водопотребность не повышается, а в ряде случаев даже снижается.

Средняя плотность золы составляет 1,74–2,4 г/см³, однако плотность отдельных фракций может значительно отличаться от средних значений. Мелкие частицы топлива при пылеугольном сжигании сгорают на лету. При этом на их поверхности образуется плотная оболочка, а внутри они имеют пористую структуру. Пористостью частиц объясняется малая насыпная плотность золы, которая колеблется в пределах 600–1300 кг/м³. Насыпная плотность зависит от вида топлива и температуры сжигания, обычно увеличиваясь с повышением последней.

Удельная поверхность золы составляет 1500–3000 см²/г. Для плотных бетонов рекомендуются золы с удельной поверхностью не менее 1000 см²/г, для ячеистых бетонов – не менее 2500 см²/г. У некоторых зол активность может быть повышена при применении дополнительного домола, способствующего разрушению стекловидной оболочки на поверхности зерен.

Шлаки, получаемые в качестве вторичного продукта при выплавке чугуна и в ряде других металлургических процессов, после тонкого измельчения способны стать эффективной минеральной добавкой. Степень гидравлической активности шлаков в известной мере характеризует модуль основности Мо или модуль активности Ma, показывающие соотношение основных составляющих шлака (%).

В зависимости от модуля основности шлаки делятся на основные или кислые. Гидравлическая активность доменных шлаков, как правило, возрастает с увеличением модулей основности и активности, а также с увеличением удельной поверхности тонкомолотого шлака. Обычно, удельная поверхность тонкомолотых шлаков составляет 2500–3500 см²/г. Тонкомолотые шлаки, добавленные к цементу, существенно влияют на структурообразование цементного камня.

Микрокремнезем является отходом производства кремнийсодержащих сплавов: ферросилиция, кристаллического кремния и др. В процессе плавления шихты и восстановления кварца при температуре свыше 1800°C образуется газообразный кремний, который при охлаждении и контакте с воздухом окисляется до SiO₂ и конденсируется в виде сверхмелких частиц кремнезема. Содержание SiO₂ в микрокремнеземе составляет 85–98%.

От других активных минеральных добавок микрокремнезем отличается очень малым размером частичек (0,1–0,5 мкм) и высокой удельной поверхностью (18–25 м²/г). Располагаясь в бетоне в порах цементного камня, он способствует повышению плотности и соответственно прочности, непроницаемости и долговечности бетона.

Обычный расход микрокремнезема в бетоне составляет 5–15% от массы цемента, что меньше, чем при применении других минеральных добавок. Кроме того, в этом случае взаимодействие в бетоне Са(ОН)₂ и SiO₂ сравнительно ограничено и в нем длительное время сохраняется необходимая для защиты арматуры от коррозии щелочная среда.

В сухом виде из-за сверхвысокой дисперсности насыпная плотность микрокремнезема составляет всего 0,15–0,2 т/м³, что затрудняет его транспортировку и применение, поэтому в производстве бетона обычно используют лишенный этих недостатков предварительно гранулированный или брикетированный микрокремнезем.

Органо-минеральные добавки получают, объединяя в единую систему органический и минеральный компоненты, обладающие конкретным модифицирующим эффектом. Исследования показали, что тонкодисперсные минеральные добавки повышают эффективность действия пластификаторов и, наоборот, последние способствуют положительному действию минеральных наполнителей на структуру бетонной смеси и бетона.

НИИЖБ предложил органо-минеральный комплексный модификатор структуры и свойств бетона полифункционального действия МБ-01, включающий суперпластификатор С-3 (6–12% по массе) и микрокремнезем. Он представляет собой порошкообразный продукт насыпной плотностью 750–800 кг/м³ с размером гранул до 100 мкм. В качестве регулятора твердения (РТ) в МБ-01 вводят фосфорорганический комплекс. При применении этой добавки возрастает сохраняемость консистенции бетонной смеси, появляется возможность получать бетоны с прочностью свыше 100 МПа, низкой проницаемостью и высокой долговечностью.

По аналогичному принципу создан органо-минеральный модификатор МБ-С. Он включает суперпластификатор С-3, микрокремнезем и золу-унос (30–50% микрокремнезема заменено более доступной золой-уносом, причем без заметного снижения эффективности добавки).

Как правило, органо-минеральные добавки выпускаются в порошкообразном виде, что облегчает их введение в бетонную смесь.

При проектировании применения добавок необходимо проведение технико-экономических расчетов для прогнозирования ожидаемого эффекта. При этом следует учитывать, что использование добавок при производстве бетона требует дополнительных затрат для создания складов добавок, транспортных магистралей, узлов подготовки добавок, дополнительных дозаторов в бетоносмесительных цехах. Некоторые добавки имеют сравнительно высокую стоимость и еще дефицитны. Поэтому необходимо использовать добавки в первую очередь там, где их применение дает наибольший технико-экономический эффект.