Добавки в бетон (выдержки из книги Практическое бетоноведение)

46. Что называют добавками-модификаторами бетонной смеси и бетона?

В "классическую" трехкомпонентную бетонную смесь (цемент, вода, заполнители), как правило, вводят различные добавки с целью целенаправленного положительного воздействия на свойства смеси и затвердевшего бетона. Такие добавки называют еще модификаторами, так как они обычно очень существенно изменяют (модифицируют) первоначальные свойства материала.

Во многих случаях для бетонных смесей введение добавок является обязательным условием достижения требуемых свойств. Так, качественные литые высокопрочные бетоны, используемые в монолитном домостроении, нельзя получить без добавок-суперпластификаторов и активных минеральных наполнителей. Дорожный и гидротехнический бетоны, к которым предъявляются повышенные требования по морозостойкости, плотности, водонепроницаемости, обязательно должны иметь в своем составе эффективные пластификаторы и воздухововлекающие добавки. Для обеспечения ячеистой структуры теплоизоляционных бетонов вводят пено- и газообразователи.

Но даже если необходимые свойства бетона можно достичь рациональным подбором "классического" состава, введение добавок может существенно улучшить экономику применения бетона. Например, с помощью суперпластификаторов можно сэкономить до 30 % цемента и снизить себестоимость бетонной смеси. Введение ускорителей твердения позволяет перейти на беспропарочную технологию производства сборных изделий с существенной экономией энергозатрат.

Добавки-модификаторы разделяют на два вида: химические добавки ("admixture" по евронормам EN 206–1 и EN 934–2), вводимые в бетонную смесь в небольших количествах (0,005…5 % от массы цемента) обычно в виде растворов вместе с водой затворения, и тонкомолотые минеральные порошки-наполнители с дисперсностью, равной или превышающей тонкость помола цемента ("additive"). Такие порошки могут быть как активными, реагирующими с продуктами гидратации цемента и частично заменяющими его, так и химически инертными наполнителями, которые, тем не менее, участвуют в процессе формования структуры цементного камня и бетона, уплотняют его. Тонкодисперсные добавки вводят обычно в количестве 5…30 % от массы цемента.

В последние годы получают распространение полифункциональные модификаторы (ПФМ), позволяющие одновременно управлять комплексом свойств бетона и бетонной смеси. ПФМ могут состоять из нескольких химических добавок различного назначения и дополнительно включать минеральную добавку. Такое сочетание часто приводит к усилению суммарного эффекта добавок (синергетическому эффекту), а также позволяет нейтрализовать возможные отрицательные последствия применения отдельной добавки (например, водоотделение при использовании суперпластификатора или повышенную водопотребность бетонной смеси с минеральной добавкой).

47. Как классифицируют добавки, вводимые в бетонную смесь?

В соответствии с ГОСТ 24211–2003 добавки классифицируют по основному эффекту воздействия на свойства бетонной смеси и бетона. Выделяют три вида добавок:

• добавки, регулирующие свойства готовых к употреблению бетонных и растворных смесей;
• добавки, изменяющие свойства бетонов и растворов;
• добавки, придающие бетонам и растворам специальные свойства.

Одни и те же добавки могут относиться к разным видам, в зависимости от цели, с которой они вводятся в бетонную смесь, дозировки и т.п.

К добавкам первого вида относят:

• пластифицирующие-водоредуцирующие, позволяющие повысить подвижность бетонной смеси и (или) уменьшить её водосодержание при снижении прочности бетона (раствора) во все строки твердения не более чем на 5 %;
• стабилизирующие, уменьшающие растворо- и водоотделение, расслаиваемость бетонной смеси;
• регулирующие сохраняемость подвижности;
• поризующие.

Пластифицирующие-водоредуцирующие добавки подразделяют на суперпластифицирующие, сильнопластифицирующие и пластифицирующие, в зависимости от увеличения подвижности бетонной (растворной) смеси при введении добавки. Так, суперпластифицирующие добавки позволяют увеличить подвижность бетонной смеси от П1 (ОК = 2…4 см) до П5 (ОК > 20 см), а их водоредуцирующая способность обычно превышает 20 %. Сильнопластифицирующие добавки увеличивают подвижность бетонной смеси от П1 до П4, а пластифицирующие – от П1 до П3. В европейской практике сложилось разделение добавок этой группы на суперпластификаторы с водоредуцирующим эффектом более 12 % и пластификаторы.

В России наибольшее распространение получили суперпластификаторы нафталинформальдегидного и меламинформальдегидного типов – С-3 (Полипласт СП-1, СП-3), Melment, Sikament, Peramin. Применяются также добавки поликарбоксилатного и полиакрилатного типов (Stachement, Mаpеi Dynamon, Melflux, Sika ViscoCrete). Суперпластификаторы состоят из специально синтезированных химически чистых веществ, иногда модифицированных отходами производства.

 Продолжают применяться недорогие пластификаторы на основе отходов производства – технические лигносульфонаты, в том числе модифицированные (ЛСТ, ЛТМ, ЛСТМ-2), упаренная последрожжевая барда (УПБ-М), формиатно-спиртовый пластификатор (ПФС), пластификаторы на основе гидроксикарбоновых кислот (ПДК, НДК) и отходов производства капролактама (ЩСПК, ВЩС) и др.

Стабилизирующие добавки обеспечивают снижение растворо- и водоотделения литых тяжелых бетонных смесей (ОК = 20…22 см) или легкобетонных смесей марки П3 не менее чем в 2 раза. При этом водоотделение обычно не превышает 2 %, а раствороотделение – 2,5 %. Эти добавки также повышают однородность и понижают проницаемость бетона. К ним относят полиоксиэтилен (ПОЭ), метилцеллюлозу (МЦ-100), карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ). Добавки такого типа на основе эфиров целлюлозы (Tilosa и др.) получили широкое распространение в производстве сухих строительных смесей. Стабилизаторами реологических свойств бетонных смесей также являются высокодисперсные порошки каолина, бентонитовой глины, в т.ч. с эмульгатором (ЛСТ, ОП-7).

Замедлители (реже ускорители) схватывания вместе с минеральными наполнителями могут использоваться как добавки, регулирующие сохраняемость подвижности бетонной смеси. Компоненты, регулирующие сохранение подвижности, часто вводят в состав пластифицирующих или комплексных добавок. К замедлителям схватывания относятся технические лигносульфонаты ЛСТ, нитрилотриметиленфосфоновая кислота МТФ, кормовая сахарная патока – меласса, декстрин, фенилэтоксисилоксан 113-63 (ФЭС-50). Как ускорители схватывания используются хлорид кальция (ХК), фторид натрия (ФН), иногда сульфаты алюминия (СА), железа (СЖ). Побочными эффектами применения таких добавок являются регулирование кинетики тепловыделения и нарастания прочности в раннем периоде твердения.

Порообразующие добавки позволяют создать в бетоне систему замкнутых пор, положительно влияющих на его морозостойкость и непроницаемость, уменьшающих среднюю плотность. Побочным положительным эффектом является некоторая пластификация бетонной смеси, уменьшение ее расслаиваемости. Можно выделить следующие группы добавок этого класса:

• воздухововлекающие: смола нейтрализованная воздухововлекающая (СНВ, американский аналог – Винсол), смола древесная омыленная (СДО), сульфанол (С);
• пластифицирующе-воздухововлекающие: ЛСТ, ЩСПК, этилсиликонат (ГКЖ-10) и метилсиликонат (ГКЖ-11) натрия;
• пенообразующие: СДО, клееканифольный, клеенекалевый, алюмосульфонатный, смолосапониновый пенообразователи, сульфонол.

Сейчас на основе указанных пенообразователей выпускаются добавки (под фирменными названиями ТЭАС, ПБ-2000, ПБ-20, SDO-L и др.), содержащие также различные стабилизаторы свойств пены, регуляторы схватывания и твердения цементного теста;

• газообразующие: алюминиевая пудра ПАК, ПАП, полигидросилоксаны (136-41 и 136-157М, ранее известные как ГКЖ-94 и ГКЖ-94М).

Порообразующие добавки обеспечивают увеличение объема воздуха (газа) от 1,5 до 5 % в конструкционных, от 6 до 30 % в конструкционно-теплоизоляционных и теплоизоляционных и от 15 до 90 % в ячеистых бетонах.

К добавкам второго вида относятся добавки:

• регулирующие кинетику твердения бетона – ускорители и замедлители;
• повышающие прочность;
• снижающие проницаемость;
• повышающие защитные свойства по отношению к стальной арматуре;
• повышающие морозостойкость;
• повышающие коррозионную стойкость (в т.ч. регулирующие процессы усадки и расширения).

В качестве замедлителей твердения бетона применяют перечисленные выше замедлители схватывания. Как ускорители твердения, кроме хлорида кальция, используют сульфат натрия (СН), нитрит-нитрат кальция (ННК), нитрат кальция (НК), нитрат натрия (НН1), тринатрийфосфат (ТНФ), добавки на основе роданида и тиосульфата натрия (Релаксол, Реламикс).

 Повысить прочность бетона можно, используя пластифицирующие добавки, ускорители твердения, тонкомолотые порошки.

Коррозионную стойкость повышают воздухововлекающие и гидрофобизирующие добавки (ГКЖ-10, ГКЖ-11, ГКЖ-94, алюмометилсиликонат натрия АМСР), кольматирующие добавки (сульфаты алюминия СА и железа СЖ, хлорид железа ХЖ, полиамидная смола С-89, битумная эмульсия – эмульбит БЭ), закупоривающие капиллярные поры бетона, а также ингибиторы коррозии арматуры (нитрит натрия НН, мочевина М, бихроматы натрия БХН и калия БХК, тетраборат натрия ТБН – бура, нитрит-нитрат кальция ННК).

Морозостойкость и непроницаемость бетона повышаются при применении воздухововлекающих, кольматирующих и водоредуцирующих добавок.

К добавкам третьего вида относят:

• противоморозные (ускорители твердения, которые применяют при повышенной дозировке – до 5…15 % , а также хлорид натрия ХН, аммиачную воду АМ, поташ П);
• гидрофобизирующие;
• биоцидные, повышающие бактерицидные и интексицидные свойства бетона (катапин, оловоорганические соединения);
• повышающие стойкость к высолообразованию;
• изменяющие электропроводность бетона (хлористые соли, графитовый порошок, сажа);
• повышающие жаростойкость бетона (зола-унос, тонкомолотая хромитовая руда, шамот).

Стремление универсализировать действие добавок и усилить их технический эффект обусловили широкое распространение комплексных (композиционных) добавок. Комплексные добавки можно разделить на две категории. Первые представлены смесями добавок, принадлежащих к одному виду, а вторые – к разным видам.

В мировой практике распространены и несколько иные классификации добавок по достигаемому технологическому эффекту. В частности, Ассоциацией по стандартизации и испытанию материалов (ASTM) предложена следующая классификация химических добавок (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Классификация химических добавок по ASTM

В европейских нормах (EN 934–2) химические добавки предлагается разделять как в зависимости от технологического эффекта, так и в зависимости от их назначения.

Таблица 4.2

Классификация добавок по EN 934–2

Продолжение табл. 4.2

Примечания:

* пластификатор снижает водосодержание бетонной смеси на 5…12 %;

** суперпластификатор снижает водосодержание бетонной смеси на 12…30 % и более.

48. Для чего вводят минеральные добавки в бетонную смесь?

Цементный камень по определению В.Н. Юнга можно считать "микробетоном". Значительная часть цементных зерен гидратируется неполностью и выполняет роль своеобразных наполнителей цементного камня. Кроме "естественных" наполнителей, которыми служат ядра большей части клинкерных частиц, в цементы и бетонные смеси могут быть с успехом введены "искусственные" наполнители – тонкомолотые практически нерастворимые в воде неорганические вещества, состоящие из частиц размером менее 150 мкм. Еще в 1886 году Н.А. Белелюбский опубликовал работу "О песчаном цементе", в которой доказывал целесообразность производства цемента путем совместного помола кварцевого песка с предварительно размолотым портландцементным клинкером.

В качестве наполнителей бетонов применяют тонкомолотые кварцевые пески, карбонатные материалы, доменные и топливные шлаки и др. Ряд порошков получают непосредственно в высокодисперсном состоянии как отходы или полупродукты различных производств – каменноугольная зола-унос, микрокремнезем – отход производства ферросплавов, карбонатная пыль и др.

Наполнители могут вступать в химическое взаимодействие с продуктами гидратации цемента (золы, шлаки, микрокремнезем, метакаолин) или не вступать (кварцевый песок), однако в обоих случаях, обладая высокой удельной поверхностью, они являются активными компонентами твердеющих цементных систем.

Способность активных минеральных добавок (активных наполнителей) заменять цемент можно оценить коэффициентом "цементирующей эффективности", который показывает, какому количеству вяжущего эквивалентен в бетоне 1 кг добавки. Для микрокремнезема такой коэффициент равен 3…4, для метакаолина – 1…2, для золы-унос – 0,25…0,4.

Благодаря уплотнению бетона при введении минеральных наполнителей и вследствие связывания ими Са(ОН)2, выделенного при твердении цемента, в стойкие низкоосновные гидросиликаты кальция, повышается коррозионная стойкость и непроницаемость.

Наполнители также обычно снижают водоотделение, способствуют сохранению подвижности бетонных смесей. Специальные наполнители могут придавать бетону специальные свойства – электропроводность, кислото-, жаростойкость и др.

Применение минеральных добавок в бетоне наиболее целесообразно при использовании цементов типов І и ІІ/А. Поскольку тонкодисперсные наполнители обычно повышают водопотребность бетонной смеси, то их введение наиболее рационально вместе с пластифицирующими добавками. Доказана эффективность применения совместно с суперпластификаторами комплексных наполнителей типа "зола – микрокремнезем", "зола – карбонатная пыль".

49. В чем заключается эффективность введения золы-уносa

в бетонную смесь?

Зола-унос (в дальнейшем зола) – тонкодисперсный продукт высокотемпературной обработки минеральной части углей. Она образуется при их сжигании в пылевидном состоянии в топках котлов и осаждается улавливающими устройствами из дымовых труб. В качестве активной минеральной добавки или наполнителя предпочтительны золы, уловленные и транспортируемые в сухом виде.

Основным компонентом золы (65 %) является стекловидная алюмосиликатная фаза в виде частиц шарообразной формы размером до 100 мкм. Именно они проявляют наибольшую гидравлическую активность, т.е. способность твердеть за счет связывания Са(ОН)2. Однако определенной гидравлической активностью в золах обладает также дегидратированное и аморфизированное глинистое вещество. В тех случаях, когда минеральная часть топлива имеет значительное содержание карбонатов, в золе образуются низкоосновные силикаты, алюминаты и ферриты кальция, способные взаимодействовать с водой. В небольшом количестве золы содержат примеси свободных оксидов кальция и магния, сульфатов, сульфидов. Доступность, распространенность и дешевизна золы делают её очень привлекательной активной минеральной добавкой в бетон.

Дисперсность золы выражается удельной поверхностью и колеблется от 1000 до 4000 см2/г, во многих случаях приближаясь к удельной поверхности цемента. С высокой удельной поверхностью золы связаны такие ее свойства, как адсорбционная способность, гигроскопичность, гидравлическая активность. Средняя насыпная плотность золы колеблется от 600 до 1100 кг/м3, истинная плотность – от 1800 до 2400 кг/м3.

Золы делятся на высококальциевые (СаО > 20 %) и низкокальциевые (СаО < 20 %). Высококальциевые золы делятся на низкосульфатные (SO3 < 5 %), полученные при сжигании угля и торфа, и сульфатные (SO3 > 5 %), полученные при сжигании сланцев.

Интегральной характеристикой химического состава зол служит модуль основности (m) – отношение массовых долей основных оксидов к кислым. Для основных зол m > 0,9; кислых – 0,6...0,9; сверхкислых m < 0,6. В основных золах суммарное содержание СаО достигает 50 %, а в сверхкислых – 12 %. Последние являются наиболее распространенными.

По значению удельной поверхности золы делят на тонко- (S3 > 4000 см2/г), средне- (S3 = 2000...4000) и грубодисперсные (S3 < 2000 см2/г). При насыпной плотности менее 800 кг/м3 золы считаются легкими; 800...1000 кг/м3 – средней плотности, более 1000 кг/м3 – тяжелыми.

В бетонную смесь зола вводится взамен части цемента и песка и выполняет роль не только активной минеральной добавки, увеличивающей общее количество вяжущего, но и микронаполнителя, улучшающего гранулометрию песка и активно влияющего на процессы структурообразования бетона.     

Уменьшение расхода цемента при введении золы целесообразно при излишней активности цемента, т.е. в тех случаях, когда марка применяемого цемента выше рекомендуемой. При использовании золы допускается снижение минимальной типовой нормы расходов цемента для неармированных бетонных изделий до 150 кг/м, армированных железобетонных – до 180 кг/м, суммарный расход цемента и золы должен быть соответственно не менее 200 и 220 кг/м3.

Введение в бетонную смесь золы, в отличие от других активных минеральных добавок, обычно не ухудшает, а улучшает удобоукладываемость, что объясняется шаровидной формой частичек золы.

Введение золы способствует снижению водоотделения бетонной смеси. Пластифицирующая и водоудерживающая способность золы обусловливает перспективность ее применения в легких бетонах. Бетонные смеси с оптимальной добавкой золы имеют достаточно высокую жизнеспособность и пригодны для транспортирования на дальние расстояния.

Замещение части цемента золой приводит к уменьшению усадочных деформаций бетона, которое проявляется вследствие снижении водопотребности бетонной смеси. Уменьшение усадки также объясняется тем, что зола адсорбирует из цемента растворимые щелочи и образует устойчивые, нерастворимые алюмосиликаты. Испытания бетонов длительными нагрузками показали, что введение золы также снижает ползучесть бетона.

Зола, как и другие активные минеральные добавки, способствует повышению коррозионной, в т.ч. сульфатостойкости цементных бетонов, повышает их водонепроницаемость.

50. Какие требования к золе-уносу для цементного бетона?

В зависимости от области применения золу подразделяют на виды: 1 – для железобетонных конструкций и изделий; 2 – для бетонных конструкций и изделий; 3 – для конструкций гидротехнических сооружений – а также на классы: для тяжелого (А) и легкого (Б) бетона.

Удельная поверхность золы класса А должна быть не менее 2800 см2/г, а золы класса Б – в интервале 1500...4000 см2/г. Остаток на сите № 008 для золы класса А не должен превышать 15 % по массе. Зола должна обеспечивать равномерность изменения объема смеси ее с цементом при испытании образцов кипячением в воде.

Основные требования к золе, вводимой в бетонные смеси, регламентируются ГОСТ 25818–91 и указаны в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Требования к золе как к добавке в бетон

Продолжение табл. 4.3

Наиболее рациональной областью применения золы-унос являются бетоны классов по прочности до В30 при требуемой морозостойкости до F200, которые изготавливаются из подвижных и литых смесей на цементах типа І и ІІ/А. Золу целесообразно вводить обычно в количестве не более 150…200 кг/м3. При требуемой морозостойкости выше F50 следует обязательно использовать эффективные пластификаторы или пластифицирующе-воздухововлекающие добавки.

51. В чем заключается эффективность микрокремнеземистых добавок?

В композиции с добавками суперпластификаторов оказались особенно эффективны высокодисперсные кремнеземистые порошки – микрокремнеземы (МК) (рис. 4.1). МК образуются как отходы производства ферросплавов, улавливаемые при газоочистке. Уникальная удельная поверхность (до 20 000 см2/г) в сочетании с аморфизованной структурой частиц, наличием таких примесей, как карбид кремния, которые обладают высокой поверхностной энергией, обусловливают высокую структурирующую и реакционную способность этих материалов по сравнению с другими наполнителями цементных систем. Содержание МК в бетонах рекомендуется в количестве 20...50 кг/м3. Большее содержание МК приводит к резкому возрастанию водопотребности бетонных смесей, к необходимости повышенного количества суперпластификатора.

При введении МК повышаются связность и тиксотропность бетонных смесей. Взаимодействие МК с гидроксидом кальция способствует увеличению в составе цементного камня наиболее прочных и устойчивых низкоосновных гидросиликатов кальция. В бетонах происходит существенное увеличение объема гелевых пор и уменьшается объем капиллярных пор, вследствие чего повышаются плотность, непроницаемость, морозостойкость.

Модифицирование бетонов комплексами, содержащими МК и суперпластификатор, позволило получать на обычном портландцементе при умеренном его расходе (500...550 кг/м3) и гранитном щебне бетоны с прочностью 80...120 МПа, проницаемостью W16...W20 и высокой коррозионной стойкостью. Для достижения высокой морозостойкости (до F1000) в бетоны дополнительно вводят газообразующую добавку – полигидросилоксан.

Таким образом, применение МК наиболее целесообразно при производстве высококачественных, высокотехнологичных бетонов (Hiqh Performance Concrete, HPС), причем в составе полифункциональных модификаторов, содержащих МК, суперпластификатор, регулятор твердения. К таким комплексным добавкам относятся, например, модификаторы под торговой маркой "МБ": МБ-01, МБ-С, Эмбелит и др.

Авторы книги Практическое Бетоноведение: Л.И. Дворкин, О.Л. Дворкин, О.М. Бордюженко, Ю.В. Гарницкий, В.В. Житковский