ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ДОБАВОК ДЛЯ БЕТОНА Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ НАУЧНОЙ РАБОТЫ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ДОБАВОК ДЛЯ БЕТОНА

Фараж Амел Жаббар, Национальный исследовательский Московский государственный ^роительный университет, г. Москва

Email: [email protected]

Аннотация. Задача повышения эффективности и качества бетона и железобетона была и остается весьма актуальной и в полной мере не может быть • успешно решена без использования в технологии бетона химических добавок.

Химические добавки, являясь одним из самых простых и доступных технологических приемов совершенствования свойств бетона, позволяют существенно снизить уровень затрат на единицу продукции, повысить качество и эффективность большой номенклатуры железобетонных конструкций, увеличить срок службы как конструкций, так и зданий и сооружений в целом.

Ключевые слова: химических добавок, бетонная смесь, укладка, отделка, отверждение, усадочные трещины, скорость схватывания.

Развитие строительной индустрии в последнее десятилетие осуществляется под знаком все возрастающих требований по рациональному и эффективному использованию сырьевых и энергетических ресурсов. Это затрагивает в принципе развитие всех отраслей промышленности строительных материалов, и, прежде всего - изготовление сборных и монолитных бетонных и железобетонных конструкций.

Практическое решение проблемы эффективного использования сырьевых и энергетических ресурсов в производстве сухих и готовых растворных и бетонных смесей, бетона и железобетона, как сборного, так и монолитного в полной мере возможно лишь при широком и всестороннем использовании химических добавок.

По прогнозам специалистов доля бетонов с добавками в нашей стране в ближайшие годы должна возрасти до 50% и более. При этом основной упор,

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

вероятно, будет сделан на производство и применение пластификаторов, комплексных добавок различного назначения, супер пластификаторов и противоморозных добавок.

Ниже рассматриваются назначение и некоторые основные характеристики химических добавок к бетону и их классификация.

Общая характеристика химических добавок

Под добавками для бетонов и строительных растворов в соответствии с ГОСТ 24211-2003 понимаются различные продукты, вводимые в бетонные и растворные смеси с целью улучшения их технологических свойств, повышения строительно-технических свойств бетонов и растворов и придания им новых свойств.

Добавки представляют собой химические вещества (реагенты) как органического, так и неорганического строения, сложного или простого состава. Они вводятся в состав бетона, как правило, с водой за- творения и могут иметь жидкое, твердое или пастообразное состояние. В ряде случаев в качестве добавок для бетонов используют химические продукты с постоянным нормируемым соответствующими нормативными документами (стандартами) • составом. Это могут быть соли, кислоты, щелочи и другие продукты химического производства.

Назначение добавок весьма разнообразно. Их количество, нашедшее применение в производстве раствора, бетона и железобетонных конструкций, составляет более 300 наименований. В стадии исследования и промышленного испытания находятся около 1000 наименований добавок. Столь широкая номенклатура химических добавок для раствора и бетона обусловлена в большинстве случаев стремлением использовать для улучшения свойств бетона, снижения расхода цемента или уменьшения энергетических затрат при производстве железобетона, различных отходов и попутных продуктов многих отраслей промышленности. С другой стороны, необходимость поиска все новых добавок обуславливается избирательным характером их модифицирующего эффекта, который зависит не только от химического состава добавок, но и от химического и минералогического состава цемента, тонкости его помола, наличия и количества щелочей в составе цемента.

Величина модифицирующего эффекта многих добавок зависит и от удельного расхода цемента в бетонной смеси, содержания и типа минеральных добавок, водоцементного отношения, режимов тепловой обработки железобетонных конструкций.

Таким образом, выбор добавок для совершенствования свойств бетона и технологии изготовления железобетонных конструкций является весьма не простой задачей. Поэтому для правильного выбора добавок применительно к

217

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

конкретным условиям производства, назначения выпускаемой продукции и поставленным целям необходимо четкое представление о классификации добавок по их назначению и механизме их действия.

Классификация химических добавок

Проблема использования добавок для модификации бетонов является многоплановой. В мировой практике в настоящее время нет единой классификации добавок к цементам и бетонам. В разных странах разработаны свои классификационные схемы. В основе этих схем лежит стремление авторов облегчить правильный выбор добавок для бетонов или растворов в соответствии с их назначением.

В нашей стране в соответствии с ГОСТ 24211-2003 наиболее изученные и широко применяемые добавки, применяемые для модифицирования свойств бетонов и растворов в зависимости от основного эффекта действия подразделяют на три группы:

Первая группа, это добавки регулирующие свойства готовых к употреблению бетонных и растворных смесей. К ним относятся: пластифицирующие - водоредуцирующие (суперпластифицирующие, • сильнопластифицирующие, пластифицирующие); стабилизирующие; регулирующие сохраняемость подвижности; поризующие (воздухововлекающие, пенообразующие, газообразующие).

Вторая группа объединяет добавки изменяющие свойства бетонов и растворов: регулирующие кинетику твердения (ускорители, замедлители), повышающие прочность; снижающие проницаемость; повышающие защитные свойства по отношению к стальной арматуре; повышающие морозостойкость; повышающие коррозионную стойкость (повышающие сульфатостойкость, повышающие стойкость против коррозии, вызванной реакцией кремнезема заполнителей со щелочами цемента и добавок); регулирующие процессы усадки и расширения.

К третьей группе относят добавки придающие бетонам и растворам специальные свойства: противоморозные; гидрофобизирующие; биоцидные; повышающие стойкость к высолообразованию.

Принадлежность любой химической добавки, в том числе и но- вой, к той или иной группе определяется по критериям эффективности (табл.) по методикам ГОСТ 30459.

Критерий эффективности - это количественное значение технического эффекта, характерного для каждой группы добавок. Так, например, к первой группе пластифицирующих добавок относят такие добавки, которые обеспечивают увеличение подвижности бетонной смеси от П1 (Ок = 2-4 см) до П5 (Ок = 21см) без снижения прочности бетона во все сроки испытания. Если

218

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

добавка обеспечивает увеличение подвижности от П1 до П4 (Ок = 16-20см) без снижения прочности бетона, то она может быть отнесена ко второй группе пластифицирующих добавок. И, наконец, если добавка обеспечивает увеличение подвижности от П1 до П3 без снижения прочности бетона, то ее следует отнести к третьей группе пластифицирующих добавок.

Свои специфические критерии эффективности установлены и для других групп добавок, которые приведены в табл. 1.1. Как видно из данных табл. 1.1, химические добавки являются одним из эффективных методов направленного воздействия на структуру и технические свойства бетонных смесей и затвердевших бетонов.

Введением в состав бетонной смеси химических добавок в виде отдельных продуктов или их сочетаний достигается один или одновременно несколько показателей эффективности:

а) снижение расхода цемента до 12% или повышение прочности бетона в проектном возрасте до 25%;

б) улучшение технологических свойств бетонной смеси (удобоукладываемость, однородность, нерасслаиваемость и др.); •

в) регулируемость потери подвижности бетонной смеси во времени, скорости процессов схватывания, твердения, тепловыделения;

г) сокращение продолжительности тепловлажностной обработки изделий до 40%, ускорение сроков распалубливания и загрузки монолитных конструкций;

д) придание уложенному бетону способности твердения в зимнее время без обогрева или прогрева при охлаждении его до минус 25°С;

е) повышение морозостойкости бетона в 2-3 раза и более;

ж) повышение плотности и непроницаемости бетона на 1-2 марки;

з) повышение стойкости бетона и железобетона в различных агрессивных средах.

Методы оценки и определения эффективности химических добавок для бетона

Применению добавок в бетонах должны предшествовать испытания свойств бетонных смесей и бетонов с ними в соответствии с требованиями действующих стандартов, нормативно-технической или проектно-технологической документации. В свою очередь бетоны с добавками, бетонные смеси, применяемые для них материалы, технология изготовления изделий и конструкций должны удовлетворять требованиям, предъявляемым государственными стандартами, строительными нормами и правилами и другими нормативными документами к конкретным видам изделий и конструкций с учетом их назначения. Целесообразность применения добавок в

219

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

бетонах определяется достижением различных технологических и экономического эффектов при эксплуатации изделий и конструкций. По показателям качества добавки должны отвечать требованиям соответствующей нормативно-технической документации на конкретный продукт, и по показателю эффективности действия - критерию эффективности согласно требований ГОСТ 24211.

Эффективность добавок определяют сравнением показателей качества бетонных смесей, бетонов контрольного и основного составов, за исключением стабилизирующих, водоудерживающих добавок и добавок, повышающих защитные свойства бетона по отношению к стальной арматуре. Эффективность указанных добавок определяют только на бетонах основного состава.

Оптимальная дозировка добавки - это минимальное количество добавки, при введении которой в состав бетона достигается максимальный эффект действия по критериям эффективности в соответствии с ГОСТ 24211.

Показатель эффективности действия добавки согласно ГОСТ

24211 оценивают по следующим этапам:

- вначале подбирают бетон контрольного состава; •

- затем определяют оптимальную дозировку добавки в основных составах;

- далее сравнивают показатели бетонной смеси и бетона контрольного и основного составов.

Эффективность добавок, поступивших на предприятие, оценивают в следующей последовательности:

а) дается оценка соответствия добавок критерию эффективности по ГОСТ 24211;

б) производится оценка эффективности добавок применительно к конкретным условиям производства.

Эффективность добавок следует оценивать при соблюдении следующих условий:

- бетон контрольного состава должен соответствовать следующим требованиям.

1. В тяжелых бетонах расход цемента должен составлять 350 кг/м 3 при определении эффективности действия всех добавок, кроме воздухововлекающих.

2. Для определения эффективности воздухововлекающих добавок расход цемента должен составлять 280 кг/м 3. Следует использовать две фракции щебня (5-10 и 10-20 мм); соотношение фракций должно быть подобрано исходя из условий минимальной пустотности. Доля мелкого заполнителя при испытании в легких бетонах воздухововлекающих добавок принимают следующий состав бетона: цемент - 250 кг/м 3 , пористый заполнитель - 1100 л /м 3 (30% по объему

220

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

фракции 5-10 мм и 70% фракции10-20мм); песок по ГОСТ 8736-250кг/м3.

3. При испытании в легких бетонах пенообразующих добавок принимают следующий состав бетона: цемент - 300 кг/м 3 , пористый заполнитель - 1100 л /м 3 (30% по объему фракции 5-10 мм и 70%фракции 1020 мм).

4. При испытании в легких бетонах газообразующих добавок принимают следующий состав бетона: цемент - 300 кг/м 3 , крупный пористый заполнитель - 800 л /м 3 (30% по объему фракции 5-10 мм и 70% - фракции 10-20 мм); пористый песок 1 группы по ГОСТ 9757 - 300 л/м 3;

Оптимальную дозировку добавки подбирают следующим образом.

В бетонные смеси вводят добавки в количестве, равном граничным значениям, указанным в нормативной документации на добавку с 2-4 промежуточными дозировками добавки, отличающимися друг от друга на 2030%. Строят графическую зависимость, связывающую показатели качества бетонных смесей и /или бетонов, являющихся критерием эффективности по ГОСТ 24211, с дозировкой добавки. При этом работу проводят при температуре окружающего воздуха и материалов (20±5)°С, за исключением работы с • противоморозными добавками; тепловую обработку бетонов проводят в пропарочной камере по режиму 3+3+6+2 ч при температуре изотермического прогрева 80°С для портландцемента и 90°С для шлакопортландцемента.

Эффективность добавок по критерию эффективности оценивают в лаборатории предприятия и на производстве при соблюдении следующих условий:

а) изготавливают бетон контрольного и основного составов, применяемых на производстве;

б) в лабораторных и производственных условиях уточняют вы- бранную оптимальную дозировку добавки с учетом цели ее применения;

в) работу проводят при температуре окружающего воздуха и материалов, соответствующих условиям производства;

г) тепловую обработку бетонов проводят по режимам, принятым на производстве:

- в лабораторных условиях - в лабораторной пропарочной камере;

- в производственных условиях - вместе с соответствующими изделиями и конструкциями.

Исследование эффективности добавки следует начинать с определения основного положительного эффекта, для достижения которого добавка предназначена (по ГОСТ 24211), и экспериментального уточнения оптимального количества добавки. Наряду с основным положительным эффектом следует определять наличие возможных вторичных положительных эффектов,

221

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

являющихся следствием основного эффекта, а также побочных (положительных или отрицательных) эффектов, проявляющихся одновременно с основным. При исследовании эффективности вновь разрабатываемых добавок в обязательном порядке следует изучить влияние выбранной оптимальной дозировки добавки на следующие показатели качества материала: на удобоукладываемость (по ГОСТ 10181.1), водо- и растворо-отделение (по ГОСТ 10181.4) бетонной смеси; на прочность при сжатии (по ГОСТ 10180), высолообразование, защитные свойства бетона по отношению к стальной арматуре. За базу сравнения принимают контрольный состав. Отказ от исследования любого из названных показателей качества должен быть обоснован. Для добавок, вызывающих коррозию арматуры, следует ограничить область их применения в железобетоне.

Таблица 1

Классификация химических добавок для бетонов и растворов

Виды добавок Указатели основного эффекта действия добавок Критерий эффективности Возможные дополнительные эффекты действия добавок

I. Добавки, регулирующие свойства готовых к употреблению бетонных и растворных смесей

1.1 Пластифицирующие -водоредуци-рующие Увеличение подвижности бетонной смеси от П1 (ОК= 2+4 см) или растворной смеси от Пк1 (Пк=2-4см) при снижении прочности бетона (раствора) во все сроки твердения не более чем на 5% Припластификации Приводореду-цировании

1.1.1 Супер- пластифицирующие От П1 доП5 От Пк1 доПк4 Замедление схватывания смесей и твердения бетонов и рас-гворов; повышение деформаций усадки и ползучести Повышение прочности, снижение проницаемости; снижение деформаций усадки и ползучести бетонов

1.1.2. Сильно-пластифицирующие От П1 доП4 От Пк1 до Пк3

1.1.3. Пластифицирующие От П 1 доПЗ От Пк1 доПк2

1.2. Стабилизирующие Снижение раствороотделения и водоот-деления тяжелой бетонной смеем с маркой по удобоукладывамости П5, растворной смеси - П4, легкобетонной смеси - П3 В 2 раза и более Увеличение подвижности смесей; замедление нарастания прочности бетона

1.3. Регулирующие сохраняемость Увеличение или снижение времени сохраняемости подвижности смеси В 1,5 раза и более Изменение кинетики тепловыделения и кинетики нарастания прочности бетона; образование высолов

222

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

Примечание к таблице 1. Расшифровка сокращенного наименования добавок приводится ниже при описании соответствующих групп добавок.

Ввиду больших различий химических добавок по вещественному составу и специфическим свойствам, характер их воздействия на бетонные смеси, и бетоны может существенно отличаться, а иногда носить избирательный характер. Эта пестрая картина существенно дополняется большими различиями в составе применяемых вяжущих и других бетонных смесей и вытекающими из этого индивидуальными особенностями воздействия отдельных добавок на свойства бетонных смесей и бетонов.

Из сказанного видно, что обобщение данных о воздействии различных добавок на бетоны, а также прогнозирование характера и степени влияния, отдельных их разновидностей на те или иные свойства бетонных смесей и бетонов связаны с большими трудностями. Поэтому решение вопросов об эффективности и оптимальном содержании добавок в конкретных условиях, как правило, осуществляется опытным путем.

Определения отдельных классификационных групп добавок

Пластифицирующие добавки - это вещества, обладающие поверхностно- • активными свойствами, увеличивающие подвижность или удобоукладываемость бетонных смесей. Использование пластифицирующего эффекта добавок в технологии железобетонных конструкций позволяет существенно облегчить формирование изделий или, при со- хранении неизменной подвижности смеси, снизить ее водосодержание и за счет этого уменьшить пористость, повысить плотность, прочность, и некоторые другие характеристики бетона.

Стабилизирующие добавки - вещества, способствующие снижению расслаиваемости бетонной смеси.

Водоудерживающие добавки-вещества, способствующие снижению водоотделения бетонной смеси.

Воздухововлекающие добавки - поверхностно-активные вещества, способствующие вовлечению в бетонную смесь при ее перемешивании мелкодисперсного воздуха, равномерно распределенного в бетоне.

Пенообразующие добавки - поверхностно-активные вещества, обеспечивающие возможность получения технической пены требуемых кратности и стойкости, которые при смешении с компонентами бетонной смеси позволяют получать бетоны ячеистой или поризованной структуры.

Поризующие добавки-вещества, способствующие целенаправленному образованию в теле бетона воздушных или других газообразных пор.

Добавки, регулирующие твердение бетона (ускорители и замедлители твердения) - вещества, изменяющие кинетику набора прочности бетона в заданном направлении. Введение ускорителей твердения дает возможность получать бетон

223

«

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

требуемой прочности в более короткие сроки, а иногда и с более высокой конечной прочностью.

Добавки, повышающие плотность бетона, его водонепроницаемость и морозостойкость, а в определенных случаях и химическую стойкость в различных агрессивных средах-вещества снижающие водосодержание бетонных смесей, способствующие удалению воздуха и кольматации пор (водоредуцирующие и кольматирующие добавки).

Добавки, повышающие защитные свойства арматуры (ингибиторы и пассиваторы коррозии арматуры) - вещества, обеспечивающие высокую коррозионную стойкость арматуры в агрессивных по отношению к ней средах.

Добавки, регулирующие сроки схватывания - вещества, ускоряющие или замедляющие процессы структурообразования бетонной смеси.

Противоморозные добавки- вещества, понижающие температуру замерзания воды и способствующие твердению бетона при отрицательной температуре.

Гидрофобизирущие добавки - вещества, придающие стенкам пор и капилляров в бетоне гидрофобные (водоотталкивающие) свойства.

Добавки всех перечисленных типов вводят в бетонные смеси при их • приготовлении, как правило, с водой затворения (в виде растворов, суспензий или эмульсий). Некоторые добавки (обладающие высокой вязкостью) предварительно смешивают с одним из сухих компонентов и с ним вводят в бетоносмесители.

Воздействие химических добавок на бетонные смеси и затвердевшие бетоны необходимо рассматривать в свете современных представлений о процессах гидратации цементов, формирования структуры и твердения цементного камня, а также сцепления цементного камня с заполнителями и арматурой.

Литература:

1. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика дисперсных структур. М., «Наука», 1996. - С. 3-16.

2. Taylor H. Proposed Structure for C- S-H Gel // J. Amer. Ceramic Soc., V. 69, 1986, p. 464-467.

3. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. М., Технопроект. 1998. - 768 с.

4. Каприелов С.С. Общие закономерности формирования структуры цементного камня и бетона с добавкой ультрадисперсных материалов // Бетон и железобетон. -1995. - № 4. - С. 16-20.

5. Mather B. ^ncret - Vear 2000, Revisited in 1995 // Adam Neville Symposium on Concrete Technology. Las Vegas USA, June 12, 1995, p.p.1-9.

224

ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА

6. Jeknavorian A, Roberts L, Jardine L. Et al. Condensed Polyacrylic Acid-Aminated Polyether Polymers as Superplasticizers for Concrete // Proceedings Fifth CANMET // ACI Int. Conference. Rome, Italy, 1997. SP 173 - 4.

225