Микрокремнезем является побочным продуктом производства металлургического кремния. Это kонденсированный аморфный порошок, получаемый во время производства металлургического кремния в электродуговых печах. Он используется в качестве добавки для улучшения свойств бетона и строительныз смесей.
Отрасли и применение
Строительная промышленность / Гипсокартонные плиты и добавки для гипса, Добавки для бетона и строительных растворов, Cтроительная керамика
Функция
добавки для водонепроницаемого бетона
добавки для строительной керамики
добавки, повышающие прочность бетона
добавки, снижающие водопоглощение бетона
Химическое сырье и промежуточные продукты
Строение
Кремний
Сегмент
Специализированные продукты / Специализированные добавки
Хлорщелочные соединения, сырье и промежуточные продукты
Микрокремнезем, также известный как дым кремнезема (номер CAS 69012-64-2), представляет собой мелкозернистое пылевидное вещество, собираемое как побочный продукт при производстве ферросилиция и металлического кремния в высокотемпературных электродуговых печах. В промышленности он используется в качестве минеральной добавки. Он нашел широкое применение в строительной отрасли, где является одной из основных добавок к бетонам, растворам и продуктам на основе цемента. Именно благодаря использованию микрокремнезема были созданы самые большие бетонные конструкции в мире.
Термины микрокремнезем и дым кремнезема используют взаимозаменяемо в литературе и промышленности. Эти названия относятся к диоксиду кремния (SiO2), находящемуся в аморфной форме, который дополнительно содержит небольшое количество других оксидов, в частности оксидов алюминия, кальция или железа. Микрокремнезем поставляется в виде белого, серого или почти черного порошка. Отдельные молекулы представляют собой аморфные сферы, диаметр которых находится в пределах от 0,1 до 0,2 мкм и их диаметр в 100 раз меньше, чем диаметр зерен цемента. При высоких температурах, достигающих даже 2000ᵒC, микрокремнезем проявляет исключительную стойкость. Следует помнить, что дым кремнезема нерастворим ни в воде, ни в органических растворителях. Удельная поверхность микрокремнезема колеблется от 15 до 30 м2/г.
Существует два типа микрокремнезема: уплотненный и неуплотненный. Эти две формы отличаются друг от друга своей насыпной плотностью, чрезвычайно важным параметром, характеризующим микрокремнезем. Насыпная плотность выражается как отношение веса свободно насыпанного материала к занимаемому им объему, включая пустоты между частицами. Таким образом, для неуплотненной формы насыпная плотность кремнеземного дыма составляет 180 – 350 кг/м3, а для уплотненной формы этот диапазон больше и составляет 450 – 650 кг/м3.
Кремнеземный дым является побочным продуктом производства сплавов кремния и ферросилиция в электродуговой печи (погружной). Эти сплавы изготовлены из кварца высокой чистоты и углерода. Микрокремнезем также собирается как побочный продукт при производстве других кремниевых сплавов, таких как феррохром, ферромарганец, ферромагний и силицид кальция. Сырьем, которое обычно выплавляют, являются металлургический кварц, кокс, древесная щепа и уголь. Они доставляются непосредственно в печь через вращающиеся загрузочные трубы. Там происходит процесс получения чистого кремния при температуре свыше 2000ᵒC. Ключевым фактором при получении дыма кремнезема является фильтрация газов, выходящих из печей, потому что именно там он и находится.
Группа PCC также имеет в своем предложении дым кремнезема (CAS 69012-64-2). Продажи этого важного компонента в строительной отрасли постоянно растут. Производитель микрокремнезема в Группе РСС – PCC BakkiSilicon hf. – находится в Исландии. Это один из самых экологически и климатически безопасных заводов. Использование природных источников энергии, таких как геотермальные ресурсы, снижает выбросы парниковых газов примерно на две трети по сравнению с другими заводами по всему миру. Микрокремнезем, производимый группой PCC, имеет очень низкий углеродный след по сравнению с продуктами, обычно доступными на рынке. Такой эффект удается получить благодаря использованию самой современной в мире линии по производству ферросилиция.
В последние годы дым кремнезема все чаще добавляется в бетонные изделия. Основным физическим механизмом действия микрокремнезема является уплотнение микроструктуры бетона. Дым кремнезема с сильно раздробленной структурой заполняет промежутки между зернами цемента, аналогично как это делает песок, уплотняя крупный заполнитель. Кремнезем в пустотах начинает реагировать по принципу реакции пуццоланового взаимодействия (начинает образовываться CSH-фаза).
Оказывается, что если заменить 15% цемента микрокремнеземом, то герметичность бетона увеличится в несколько десятков раз. Такого эффекта крайне сложно добиться при использовании других методов. По этой причине микрокремнезем является ключевым компонентом смеси при разработке высокотехнологичных бетонов.
Характерная особенность микрокремнезема, а именно микроскопический размер его частиц, способствует более плотной упаковке компонентов бетона. В качестве компонента бетона дым кремнезема часто используется в исходном виде, т.е. в том виде, в каком он улавливается фильтрами при производстве ферросилициевых сплавов. Все более популярной становится также уплотненная форма (создаваемая путем соответствующей обработки микрокремнезема), а также пастообразный кремнезем. Благодаря большой удельной поверхности, характеризующей дым кремнезема, применение этого вида минеральных добавок приводит к тому, что вода, предназначенная для производства бетона, адсорбируется на зернах микрокремнезема, что способствует стабильности получаемой бетонной смеси. В результате происходит уменьшение текучести смеси. Для поддержания надлежащей консистенции бетона, содержащего микрокремнезем, также необходимо использовать суперпластификаторы.
Важно соблюдать правильные пропорции вода : цемент : микрокремнезем. Цена получаемого бетона увеличивается в зависимости от количества добавленного дыма кремнезема, но слишком большое его количество отрицательно сказывается на конечном продукте. Главное – правильно подобрать пропорции. Наиболее выгодное содержание микрокремнезема как с точки зрения свойств готового продукта, так и стоимости находится в пределах 5-10% от массы цемента.
Микрокремнезем производства PCC BakkiSilicon отвечает всем требованиям, установленным для него в соответствии с применимым стандартом PN-EN-13263-1. Характеризуется содержанием SiO2 в пределах 80-95%, Al2O3 до 0,3%, C до 1,8% , CaO до 0,7%, Fe2O3 до 0,1%, K2O до 0,4% , MgO до 0,2% и Na2O до максимального содержания 0,1%
Улучшение механических свойств
Дым кремнезема способен заполнять пустоты между остальными компонентами бетона, создавая кристаллическую фазу в затвердевшем бетоне (по принципу реакции пуццоланового взаимодействия). В результате бетон с добавлением микрокремнезема более герметичен. Это связано с разрывом капилляров в бетоне и одновременно нарушением его капиллярной пористости. Этот процесс значительно улучшает механические параметры бетона (например, прочность на сжатие).
Повышение сцепления раствора с зернами заполнителя.
Добавление микрокремнезема увеличивает адгезию и снижает пористость зоны контакта заполнителя с цементным раствором. В результате физического и химического взаимодействия микроструктура цементного раствора благоприятно модифицируется. При этом значительно снижается пористость в зоне капиллярных пор. Изменение структуры пор считается основным фактором, влияющим на такие характеристики, как плотность и долговечность.
Стойкость к агрессивным химическим веществам
Повышение плотности бетона напрямую приводит к повышению устойчивости к химической коррозии. Агрессивным веществам окружающей среды гораздо труднее проникнуть в структуру бетона. Дым кремнезема снижает риск, связанный, например, с разрушительным воздействием сульфатных вод, а причиной их стойкости можно назвать относительно меньшее содержание гидроксида кальция в сочетании с компактной, плотной структурой.
Защита армирования
Пониженная проницаемость микрокремнезема обеспечивает защиту от проникновения ионов хлорида, увеличивая время, в течение которого ионы хлорида достигают стального стержня и вызывают коррозию. Кроме того, микрокремнеземный бетон имеет гораздо более высокое электрическое сопротивление и, таким образом, замедляет скорость коррозии. Такой комбинированный эффект увеличивает срок службы конструкции в 5-10 раз.
Стойкость к истиранию
Износостойкость бетона с добавкой микрокремнезема очень высока. Его использование в грунтовом и дорожном строительстве экономит время и деньги. Также повышается устойчивость бетона к гидравлическому истиранию, что делает его идеальным для строительства плотин.
Микрокремнезем используется не только в качестве добавки к бетонам, в первую очередь высокотехнологичным бетонам и специальным композитным строительным материалам, но также используется в широком спектре продуктов и применений. Вот несколько из них:
Стоит упомянуть сырье, которым является белый микрокремнезем. В своем составе, помимо примерно 95% диоксида кремния и других оксидов, он также содержит оксид циркония с содержанием до 3%. Этот продукт характеризуется мелкой зернистостью, благодаря чему он является высокореактивным. В основном он используется в качестве добавки к огнеупорным материалам, улучшая их реологические свойства и продлевая срок их службы.
Несомненно, дым кремнезема играет значительную роль в производстве бетона. Поэтому строительная отрасль является основной отраслью, в которой он используется, и она также регулирует такие аспекты, как спрос и цена. Портал MarketsandMarkets™ сообщает, что в 2015-2020 годах произошло увеличение рыночной стоимости микрокремнезема до уровня 563,09 млн. долларов США ежегодно. В последние годы мировой рынок показал заметный рост. Продажи этого сырья растут, поскольку оно обеспечивает высокую коррозионную стойкость, высокую прочность и долговечность изделий.
Дым кремнезема пользуется большим спросом на Ближнем Востоке, в Африке и Азиатско-Тихоокеанском регионе, так как он используется при строительстве линий метро, туннелей и небоскребов. Дистрибьюторы и производители микрокремнезема находят там повышенный спрос на свою продукцию. Такие страны, как Объединенные Арабские Эмираты и Саудовская Аравия, являются лидерами рынка на Ближнем Востоке и в Африке, при этом на Объединенные Арабские Эмираты уже приходится наибольшая доля потребления микрокремнезема. В Европе продажи микрокремнезема относительно низки. Предполагаемый рост рынка дыма кремнезема и его цены является наибольшим в Азиатско-Тихоокеанском регионе, за которым следует Ближний Восток.