Создано: 07 ноября 2015г.

Добавки в бетон

Приготовление бетонных и цементных растворов с добавлением компонентов «сверх» классических рецептур (щебень – песок – портландцемент, песок – портландцемент) позволило готовить удобоукладываемые бетонные смеси при отсутствии качественных компонентов, и жесткой экономии воды; значительно повысить подвижность и жизнеспособность товарных бетонных растворов; выполнить литье бетона в экстремальных условиях (жары или холода); добиться большего срока службы отлитых конструкций; изготавливать высококачественные штучные изделия (тротуарную плитку и т.п.); производить огромное количество строительных специализированных (сухих) смесей по уникальным рецептам (варьируя пропорциям добавок и разных видов цементов для получения «на выходе» покрытий, с заданными свойствами, например, гидроизоляционных полимерцементных смесей).

Что же представляют с собой добавки в бетон? Модификаторы бетонных и цементных растворов – это поверхностно активные вещества (ПАВ), электролиты, соли кислот и пр., изначально являющиеся отходами химической, деревообрабатывающей и нефтехимической промышленности, которые выступают одним из наиболее универсальных, доступных и удобных способов управления технологией бетона и регулирования его свойств. На мировом и отечественном строительных рынках существует несколько корпораций, специализирующихся на производстве добавок в бетон для конечного использования (при изготовлении бетона на стройплощадке); для продажи предприятиям- производителям сухих строительных смесей и товарных бетонов. Такие корпорации работают во многих сферах промышленности и занимаются переработкой и улучшением «собственных отходов», предлагая на рынке химические добавки (полимерные композиции, соли кислот и т.п.) наивысшего качества, не наносящие (либо наносящие минимальный при несоблюдении правил применения) вред здоровью человека и окружающей среде.

Перед тем как классифицировать добавки, следует определить принцип их действия на бетонную смесь (в целом или отдельные компоненты), а также определиться с факторами, влияющими на качество этих смесей, и с понятием «качества бетона» как таковым.

Осадка конуса (удобоукладываемость, подвижность) характеризуют пластичность бетона, т.е. его способность заполнять форму при заданном способе уплотнения и образовывать плотную, однородную массу (это, по сути, можно определить как качество бетона). Измеряется в см (обозначается П1, П2, П3, П4 и П5), и чем она больше, тем более подвижна бетонная смесь. Процесс измерения осадки конуса не сложен и может быть произведен, как говориться, «в поле». Для этого можно использовать стандартный усеченный конус высотой 30 см и диаметром нижнего отверстия 20 см, верхнего – 10 см. Он ставится большим отверстием на ровную поверхность и наполняется раствором бетона. Смесь во время заполнения конуса нужно периодически проштыковывать металлическим прутом, чтобы удалить образующиеся пузырьки воздуха. Как правило, наполнение конуса происходит в два приема; каждый раз проштыковывается только новый объем. Сначала заполняется две трети и проштыковывается 15 раз прутом диаметром 20 мм, затем, наполнив конус полностью, остаток штыкуется также 15 раз. Далее удаляем с конуса лишний бетон, и медленно и очень аккуратно поднимаем конус, немного покачивая. Вытекая из-под конуса, бетонная масса некоторое время напоминает его форму и начинает потихоньку «расползаться в стороны». Конус ставится рядом, (его можно перевернуть наоборот, чтобы было удобнее замерять) и производится замер расстояния, на которое опустился бетонный раствор.

Жесткость смесей, у которых значение осадки конуса равно 0, характеризуют показателем жесткости (Ж), определяемым в лабораторных условиях при помощи прибора, представляющего собой металлический цилиндр диаметром 24 см и высотой 20 см. Цилиндр устанавливается на лабораторной виброплощадке, работающей со стандартной частотой - 50 Гц и амплитудой колебаний - 0,5 мм в ненагруженном состоянии. Далее в цилиндр вставляют конус (с параметрами, описанными абзацем выше) и заполняют его бетонным раствором таким же образом, как и при проверке подвижности. После конус вынимается и, при повороте штатива (с металлическим диском с отверстиями, установленным над конструкцией), опускают диск на бетонный раствор (находящийся в виде конуса в цилиндре). Общий вес диска с шайбой и штангой составляет примерно 2,75 кг, что создает при уплотнении давление 0,9 кПа. Включив виброплощадку, бетон «вибрируют» до тех пор, пока цементное тесто не начнет проступать из всех отверстий диска. Вибратор выключают, и подсчитывают время (за которое и произошло уплотнение раствора), прошедшее с момента его включения до появления цементного теста. Это время и называется показателем жесткости бетонной смеси (Ж) и выражается в секундах.

При выполнении работ по стандартному литью монолита применяется бетон, подвижностью от П-1 до П-3. Если нужно залить раствором сильно армированные конструкции, колонны или узкие полости, применяется бетон подвижности П-4. Осадка конуса у т.н. «литого бетона» составляет 16 - 21 см. Бетонный раствор подвижности П-4 укладывается в опалубку без использования вибратора, а также применяется при использовании бетононасоса (когда необходимо закачать бетон на определенную высоту). В некоторых случаях подвижность бетонной смеси подбирается индивидуально, исходя из особенностей и требований, предъявляемых к конструкции.

Связность — это способность бетонного раствора сохранять однородность состава, т.е. не расслаиваться в процессе транспортировки, литья и уплотнения. Когда бетон уплотняется, частицы сближаются, а часть воды высвобождается вверх (поскольку этот компонент самый легкий), что образует пустоты под зернами объемного заполнителя. Плотность заполнителя отличается от плотности раствора (смеси цемента, песка и воды), поэтому он тоже перемещается в теле бетона. Если заполнитель плотный и тяжелый (гранитный щебень), то он оседает; пористый и легкий (керамзит и т.п.) — наоборот всплывает. В результате бетон теряет свою структуру, становится не неоднородным, становится водопроницаемым и промерзает при низких температурах. Для сохранения связности бетонного раствора, необходимо правильно подбирать количество мелкого заполнителя (песка, портландцемента), сокращать расход воды затворения, используя добавки в бетон.

На подвижность бетонных растворов также влияют следующие показатели:

• Чем больше содержание цементного теста (портландцемент + вода), тем выше удобоукладываемость бетона. Цементного теста должно быть столько, сколько необходимо для заполнения полостей и обволакивания зерен объемного заполнителя (с учетом возможности его небольшого перемещения). С увеличением толщины укладываемого слоя бетона трение между зернами заполнителя снижается, и подвижность бетонной смеси растет.
• с повышением содержания воды растет и удобоукладываемость бетонной смеси. Но количество воды не должно превышать оптимального, дабы предотвратить расслоение, сопровождающееся осаждением заполнителя и появлением воды на поверхности свеже уложенного бетона. В бетоне (с использованием портландцемента) это можно предотвратить при соблюдении пропорции Вода/Цемент (В/Ц) не более 1,65 нормальной густоты цементного теста (НГЦТ). Добавки в бетон могут сдвигать этот предел. Не стоит забывать, что при повышении расхода воды не меняя расход цемента увеличивается В/Ц, что снижает прочность бетона.

Подвижность при расходе портландцемента от 200 до 400 кг/м3 в основном зависит от расхода воды. Такую закономерность называют законом постоянства водопотребности.

• вид цемента. Удобоукладываемость бетонного раствора зависит от НГЦТ. Например, пуццолановые цементы имеют высокую НГЦТ, в результате чего получается более вязкое цементное тесто, которое в содержании бетонных смесей приводит к худшей подвижности по сравнению с бетонными растворами, приготовленными на портландцементе.
• С повышением крупности заполнителей (щебня, гравия, песка) общая площадь их зерен уменьшается. Т.о. требуется меньше цементного теста для их обволакивания, толщина из его (ЦТ) прослоек между зернами заполнителя увеличивается, что в результате повышает подвижность бетонного раствора.
• форма зерен заполнителя. Бетоны, приготовленные на заполнителях с гладкой поверхностью – гравии, речном / морском песке имеют большую подвижность по сравнению с бетонными растворами на щебне и карьерном песке. Пропорция крупного заполнителя и песка должна подбираться с таким расчетом, чтобы количество полостей в их смеси было как можно меньшим. При повышенном содержании песка площадь поверхности зерна повышается, что приводит к меньшей подвижности бетонной смеси.
• чистота заполнителей. Наличие микрофракционных частиц (например глины) в заполнителях негативно сказывается на удобоукладываемости бетонов. Они увеличивают общую площадь заполнителя и забирают на себя воду.

Добавки в бетон изначально подразделяют на два вида: химические вещества, которые вводятся в бетон в незначительном количестве (0,1- 2% от массы цемента) и меняют в нужном направлении свойства бетонного раствора и полимеризовавшегося бетона, и тонкомолотые добавки (5-20% и выше), используемые для замены цемента, получения плотного бетона при экономии цемента.

В зависимости от способа действия ПАВ и других модификаторов на подвижность бетонных смесей, а также от их метода корректировки одного или нескольких из выше перечисленных показателей бетонов добавки в бетон классифицируются следующим образом:

Регулирующие подвижность бетонных растворов и показатели за нее отвечающие:

1. пластификаторы:
   - I группа – суперпластификаторы (повышают подвижность бетонных смесей, увеличивают прочность, плотность и водонепроницаемость бетона, снижают расход цемента, не влияя на прочность бетона);
   - II группа – сильнопластифицирующие;
   - III группа – среднепластифицирующие;
   - IV группа – слабопластифицирующие;
   1. стабилизаторы (предупреждают расслоение бетонной смеси),
   2. водоудерживающие (уменьшающие водоотделение);
   3. улучшающие подвижность (перекачиваемость);
   4. регулирующие жизнеспособность бетонных растворов: замедление, ускорение схватывания;
   5. поризующие (для получения облегченных бетонов):
      - воздухововлекающие,
      - пенообразующие,
      - газообразующие.
2. Регулирующие схватывание бетона:
   1. замедляющие твердение (используются в жаркое время года или в случае длительной перевозки бетонного раствора);
   2. ускоряющие твердение (ускоряют набор прочности в ранние сроки твердения 1-3 суток, повышая марочную прочность бетона).
3. Повышающие прочность и / или стойкость к коррозии, морозостойкость бетона и готовых ж/б-конструкций, снижающие проницаемость бетона:
   1. водоредуцирующие I, II, III, IV групп;
   2. кольматирующие (способствуют образованию структур , «самозакрывающих» поры бетонной смеси);
   3. поризующие (для тяжелых бетонов):
      - воздухововлекающие;
      - газообразующие;
   4. антикоррозионные, повышающие щелочность бетона для защиты стальной арматур от коррозии (ингибиторы коррозии).
   5. красящие пигменты;
   6. повышающие бактерицидные и противогрибковые свойства,
   7. электроизоляционные,
   8. электропроводящие,
   9. противорадиационные.
4. Придающие бетону специфические свойства:
   1. противоморозные (обеспечивающие твердение при отрицательных температурах – от -8оС и ниже);
   2. гидрофобизирующие I, II и III групп.
5. Комплексные добавки объединяют в себе несколько типов воздействия на бетонный раствор и полимеризовавшуюся конструкцию, облегчая тем самым приготовление самой смеси и давая возможность избегать возникновения нежелательных реакций, которые возможны в случае добавления нескольких однокомпонентных. Именно таким добавкам отдают предпочтение мировые производители.

Однако не стоит забывать про тот факт, что качество цементов, используемых за рубежом значительно выше, нежели отечественных аналогов, поэтому не во всех случаях можно положиться на помощь комплексных добавок. Не рекомендуется также совмещать разные добавки от нескольких производителей.

Добавки-пластификаторы начали применять для регулирования подвижности бетонных растворов в 40-50-х годах 20-го столетия, и по сей день занимают главенствующее положение среди множества других. Объясняется это высокой эффективностью таких добавок, отсутствием негативного действия на бетон и арматуру, доступностью и невысокой стоимостью самых простейших и распространенных (лигносульфонаты). По принципу действия пластификаторы бывают гидрофильными (способствующие диспергированию коллоидной системы цементного теста), гидрофобными (вовлекающими в смесь пузырьки воздуха). Суперпластификаторы – полифункциональная добавка, влияющая положительно на подвижность бетонной смеси и, улучшающая показатели набора первоначальной прочности, а также, оказывающая положительный эффект на характеристики готового бетонного изделия.

Воздухововлекающие добавки используются в основном для повышения морозостойкости бетонов и растворов. Они немного понижают прочность бетона (1% вовлеченного воздуха снижает прочность на сжатие на 3%), поэтом у не следует вводить их в бетонный раствор в большом количестве лишь с целью пластификации. Если содержание вовлеченного воздуха не превышает 4-5%, прочность бетона практически не снижается, поскольку его отрицательное влияние нивелируется ростом прочности цементного камня из-за уменьшения содержания воды за счет пластифицирующего эффекта таких добавок. Пузырьки воздуха играют роль резервного объема для замерзания воды, не вызывая таким образом высокого напряжения в теле бетонной конструкции. Являются более эффективными в бетонах с небольшим расходом цемента.

В качестве газообразователя применяется алюминиевая пудра. И, наоборот, для получения более плотной структуры бетона используют нитрат кальция, хлорид или сульфат железа, сульфат алюминия, диэтиленгликолиевую / триэтиленгликолиевую смолы.

Вышеупомянутые добавки, введенные в смесь в больших количествах, а также кормовая сахарная патока, нитрилотриметиленфосфоновая кислота и ее растворы замедляют схватывание бетонных растворов.

Для гидрофобизации бетона, повышения его стойкости к агрессивной среде и долговечности применяют кремнийорганические жидкости, обладающие одновременно водоотталкивающим и пластифицирующим эффектом: метилсиликонат натрия, этилсиликонат натрия, этилгидросилоксановая жидкость.

Чтобы уплотнить структуру бетона используют хлористое железо, в качестве ингибиторов коррозии – нитрит натрия, бихромат калия, для достижения противорадиационного эффекта – соли тяжелых металлов, для повышения проводимости электричества - кокс, для придания бактерицидных свойств – азотсодержащие соединения, для стабилизации свойств бетонной смеси – метил целлюлозу и т.п.

Добавки, обладающие полифункциональным действием, например, являющиеся одновременно пластификатором и воздухововлекающей, газообразующей и пластифицирующей классифицируют по наиболее выраженному из эффектов.

Комплексные добавки условно делятся на пять групп: смеси ПАВ (I), смеси ПАВ и электролитов (II), смеси электролитов (III), комплексные добавки на основе суперпластификаторов (IV), сложные многокомпонентные комплексные добавки (V).

В добавках I группы сочетаются пластифицирующие составляющие диспергирующего эффекта с гидрофобизирующими воздухововлекающими или гидрофобизирующими газообразующими веществами. Первые рекомендованы для пластифицирования жирных бетонных растворов с высоким цементным расходом, вторые применяются для тощих бетонных смесей. В результате «работы» комплексных добавок I-й группы в 2-5 раз возрастает морозостойкость готового бетона, на 1-2 марки - водонепроницаемость, повышается стойкость к коррозии. Заданная подвижность бетонной смеси сохраняется в течение 2-3 ч (что полезно для транспортировки смеси и при бетонировании в жаркую погоду). Наблюдается также сокращение расхода цемента на 5-10% для получения бетонного раствора с желаемыми техническими характеристиками.

Комплексные добавки II группы, состоящие из ПАВ и электролитов, расширяют возможность модификации готового бетона и растворов. Введение электролитов позволяет регулировать темп твердения и улучшать структурно-механические показатели бетона (перечисленные выше), а ПАВ регулируют удобоукладываемость бетонного раствора, его воздухосодержание, придают бетонам некоторые дополнительные свойства.

В комплексных добавках III группы сочетаются несколько электролитов с разным способом воздействия на бетонный раствор и бетон, что позволяет добиться полифункционального эффекта. К примеру, смесь ускорителей твердения и ингибиторов коррозии уменьшает опасность разрушения арматуры в ж/б конструкциях, а смесь поташа и алюмината натрия позволяет регулировать сроки схватывания бетонной смеси. Добавки III группы в основном используют при литье бетона зимой.

К IV группе комплексных добавок (равно как и к I группе пластификаторов) относят суперпластификаторы, многие из которых являются комплексными добавками на основе комбинации высокоэффективных ПАВ. Введение в суперпластификаторы дополнительных компонентов позволяет: регулировать сроки схватывания и набора прочности бетона; увеличивать жизнеспособность бетонного раствора; уменьшать расслоение раствора; регулировать содержание воздуха в бетонной смеси, проницаемость бетона и его морозостойкость; повышать плотность, водонепроницаемость готовой бетонной конструкции.

К комплексным добавкам V группы относятся многокомпонентные комплексы, например битумные эмульсии и суспензии, обладающие гидрофобно-пластифицирующими свойствами и применяющиеся для повышения водонепроницаемости бетона. Добавки, включающие эмульгатор (вещество, способствующее равномерному распределению одной составляющей смеси в другой), гидрофобизатор, бентонитовые гидрофильные порошки и пластификатор применяют для стабилизации литых бетонных смесей.

И это далеко не весь перечень существующих на сегодняшний день добавок в бетон. Поставляются они в виде водных растворов, порошков и эмульсий. Большинство добавок водорастворимы, и поэтому их можно вводить в миксер в виде предварительно приготовленного водного раствора. Некоторые нужно вводить в виде эмульсии или в виде взвесей в воде. Оптимальная дозировка добавки зависит от вида цемента, состава бетонной смеси, способа изготовления бетонной конструкции. Как правило, используются следующие пропорции: пластификаторов - 0,1-0,3% от массы цемента; суперпластификаторов - 0,5-1%; воздухововлекающих добавок - 0,01-0,05%; ускорителей схватывания – 1-2%. Оптимальная дозировка добавки определяется опытным путем.