Химические добавки для модификации бетона

ХИМИЧЕСКИЕ ДОБАВКИ ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ БЕТОНА

 

Общая характеристика и классификация химических добавок для бетона

 

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 затворения и могут иметь жидкое, твердое или пастообразное состояние.

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.

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.

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 20 – 30%. 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 выбранную 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, 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 раствороотделение (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.

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 сохранении 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 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.

 

 

Таблица 9.1 – Виды и наименование основных добавок для бетона

Вид добавок	Наименование добавок *
Пластифицирующие 1 группы	Суперпластификаторы C-3, 10-03, МФАС-100П,40-03, 50-03,С-4 (ДОФЕН), STAHEMENTN, STAHEMENTNN, STAHEMENTML, MELMENT, MELCRET 500 и другие.
Пластифицирующие 2 группы	Модифицированные лигносульфонаты ЛСТМ-2, МТС-1,АПЛ, МЛСТ, зарубежные добавки: BETOFLUID, STACHEPLAST и др.
Пластифицирующие 3 группы	ВРП-1, ЛСТ, УПБ, С-1, ПДК Пластификатор адипиновый - ПАЩ -1 и др.
Пластифицирующие 4 группы	НЧК, КНЧК, ПДК. ПФЛХ и др.
Стабилизирующие	ПОЭ, МЦ, ГП, ассоциативные загустители для бетона типа StarvisVP 1-895 IIF (основа- поликарбоксилат), MecelloseFMC 60150 (SamsungFineChemicals)- низко вязкий эфир целлюлозы (метилгидроксипропилцеллюлоза).
Водоудерживающие	ПОЭ, МЦ, ГП, ассоциативные загустители для бетона типа StarvisVP 1-895 IIF (основа- поликарбоксилат), MecelloseFMC 60150 (SamsungFineChemicals)- низко вязкий эфир целлюлозы (метилгидроксипропилцеллюлоза).
Улучшающие перекачиваемость	ПОЭ, МЦ, ГП, КОД-С, бентонит
Замедляющие схватывание	ЛСТ, НТФ, КП, ФЭС, RETARDALTKP
Ускоряющие схватывание	П, ХК, НК, ННК, ННХК, ХН, СН, алюминат натрия, Лиг-нопанБ-2, EKOSALL, BETODURNA-и др.
Воздухововлекающие (для легких бетонов)	СНВ, КТП, ОТП, СДО, ОП,ЩСПК, ЩСПКм, НЧК, КЧНР, ГКЖ-10, ГКЖ-11, ПФЛХ, ПМЩ, ЛХД, сульфанол, и др.
Пенообразующие (для легких бетонов)	Сульфанол, Неозол, Неопор, ПО-1,ПО-6, ПО-6К, ПО-ПБ-1, ПБ-2000, Морпен и др.
Газообразующие (для легких бетонов)	Полигидросилоксаны типа ГФ 136-41, 136-157М, пудра алюминиевая ПАК или ПАП-1
Ускоряющие твердение бетона	Сульфат натрия (СН), Нитрат натрия (НН), Хлорид кальция (ХК), Нитрат кальция (НК), Нитрит-нитрат-сульфат натрия (ННСН), Нитрит-нитрат-хлорид кальция (ННХК), Лигнопан Б-2, Кнут, УТБ Бетадур, EKOSALL, BETODURNA, KAKODUR и др.
Замедляющие твердение	Лигносульфонаты (ЛСТ), нитрол-триметиленфосфоновая кислота (НТФ), кормовая сахарная патока КП, глюконат натрия, RETARDALTKP, BCRETARDER, BCLANOSAN 70 H 120, BCWASCHBETONLACK и др.
Водоредуцирующие 1 группы	СП: C-3, 10-03, МФАС-100П,40-03, 50-03, С-4 (ДОФЕН), СМФ, Универсал П-4, Ламинакс Р73-1 и др.
Водоредуцирующие 2 группы	Модифицированные лигносульфонаты (ЛТМ, ЛСТМ, ЛСТМ -2, Лигнопан Б -1), ВРП -1, “ Монолит -1” и др.,
Водоредуцирующая 3 группы	Лигносульфонаты, пластификатор адипиновый (ПАЩ-1) и др.
Водоредуцирующие 4 группы	ГКЖ-10, ГКЖ-11, ПМЩ и др.
Кольматирующие	Хлорид и сульфат железа, сульфат алюминия, смолы С-89, ДЭГ-1,ТЭГ-1 и др.
Газообразующие	Алюминиевая пудра, ГКЖ-94 и др.
Воздухововлекающие	СНВ, СДО, ОП, ЩСПК, ЩСПКм, НЧК, КЧНР, ГКЖ-10, ГКЖ-11, ПФЛХ, ПМЩ, ЛХД, POROLANSTA и др.
Повышение защитных свойств бетона по отношению к стальной арматуре	Нитрит натрия, бихроматы натрия или калия, тетраборат натрия (калия), нитрит-нитрат кальция, катапин
Противоморозные	Хлориды натрия и кальция, поташ, нитрит натрия, формиат натрия, мочевина и комплексы на их основе, лигнопан Б-4
Гидрофобизующие добавки 1 группы То же 2 группы То же 3 группы	ГФ113-63,АМСР-3, ПластИЛ, Пента 814, Пента 820 и др. ГФ136-41 (ГКЖ-94), 136-157М (ГКЖ-94М), КОМД-С ГКЖ -10, ГКЖ -11, сернокислые соли пеназолинов

* Примечание. Расшифровка сокращенного наименования добавок приводится ниже при описании соответствующих групп добавок.

Суперпластификаторы

Противоморозные добавки

В соответствии с классификацией по ГОСТ 24211-2003 противоморозные добавки отнесены в четвертую группу добавок, придающих бетону специальные свойства, в данном случае способность твердеть при отрицательной температуре. Роль этих добавок заключается в основном в активизации процесса гидратации цемента, вызывающей ускоренное образование гелей. В результате энергичных реакции обмена ускоренно выделяется свободная известь в раствор и повышается растворимость силикатных составляющих цемента, что приводит к образованию гелей гидроксидов металла и кальция.

Одновременно ускоряется коагуляция появляющегося коллоидного раствора, при которой сближаются зерна цемента и частицы гидратных новообразований. При растворении любой противоморозной добавки происходит не простое распределение ее частиц (молекул или ионов) по всему объему воды, а химическое их взаимодействие с молекулами воды. В результате образуются сольваты (более или мене прочные соединения частиц растворенной добавки) с молекулами воды, что приводит к понижению температуры замерзания воды.

Таким образом, к противоморозным добавкам относят химические соединения, понижающие температуру замерзания воды и не препятствующие процессу взаимодействия цемента с водой.

Противоморозные добавки нашли широкое применение при возведении монолитных и сборно-монолитных бетонных и железобетонных конструкций и сооружений, монолитных частей сборномонолитных конструкций и сооружений, включая бетонирование в скользящей опалубке, для замоноличивания стыков сборных конструкций и при изготовлении сборных бетонных и железобетонных конструкций в условиях строительных площадок и полигонов при установившейся температуре наружного воздуха и грунта ниже +5°С и минимальной суточной температуре ниже 0 вплоть до – 30°С (температура бетона, при которой он с некоторыми противоморозными добавками, хотя и медленно, но систематически набирает прочность за счет гидратации цемента, составляет – 25°С).

Введение противоморозных добавок в 1,2 – 1,4 раза экономичнее, чем способ паропрогрева и бетонирования с предшествующим ограждением сооружения и его утеплением изнутри и в 1,3 – 1,5 раза экономичнее электропрогрева и электрообогрева.

Безобогревное зимнее бетонирование благодаря применению противоморозных добавок позволяет экономить тепло и электроэнергию при более гибкой технологии проведения работ.

Противоморозные добавки представляют собой стабильные вещества, которые могут храниться как в твердом виде, так и в виде раствора неограниченно долго. Они выполняют свои функции, прежде всего за счет снижения ими температуры замерзания воды. Поэтому наиболее обоснованно и правильно назначать их дозировку к массе воды затворения, что особенно четко проявляется при изменении водоцементного отношения (В/Ц).

Так, при постоянстве дозировки в расчете на массу цемента, бетонная смесь находится в тем более тяжелых условиях твердения при температуре ниже 0°С, чем выше ее В/Ц,чего не наблюдается при назначении добавок к воде затворения. Поэтому в отличие от дозировки органических поверхностно-активных веществ концентрация противоморозных добавок во всех таблицах дается в процентах к воде затворения. Это оказалось удобным и при приготовлении добавок, которые вводятся в виде водных растворов.

При необходимости проведения технико-экономических сопоставлений с добавками другого назначения эту дозировку легко пересчитать на цемент; для среднестатистических данных можно принять, что водоцементное отношение равно 0,5.

С учетом областей применения противоморозные добавки можно разделить на две группы:

1. Добавки, понижающие температуру замерзания жидкой фазы бетона и принадлежащие к числу либо слабых ускорителей, либо замедлителей схватывания и твердения цемента (нитрит натрия, хлорид натрия, слабые электролиты, вещества органического происхождения).

2. Добавки, совмещающие в себе способность к сильному ускорению процессов схватывания и твердения цементов с хорошими антифризными свойствами (поташ, хлорид кальция, нитрит натрия, нитрит-нитрат кальция, мочевина).

Кроме этих основных групп в отдельных случаях при зимнем бетонировании используют вещества со слабым антифризными свойствами, но относящиеся к сильным ускорителям твердения цемента, одновременно вызывающие сильное тепловыделение на ранней стадии твердения бетонной смеси и бетона. Эти добавки выбирают из числа тех, которые способствуют быстрому образованию плотной микрокапиллярной структуры цементного камня, например сульфаты трехвалентного железа и алюминия.

Основная цель, преследуемая при введении противоморозных добавок, заключается в том, чтобы обеспечить в сжатые сроки достижение проектной прочности бетона независимо от температуры окружающего воздуха, поэтому цемент должен обладать высокой активностью. Рекомендуется применять портландцементы марок не ниже 400. Для бетонных смесей с наиболее популярными противоморозными добавками водоотделение и связанная с ним седиментация твердых частиц не характерны.

К противоморозным добавкам, обеспечивающим твердение цементного теста при отрицательных температурах, относятся следующие, наиболее изученные и распространенные добавки:

ПОТАШ, (калий углекислый, карбонат калия) (П) – соль с сильно выраженными щелочными свойствами, выпускается в виде кристаллического порошка белого цвета. При хранении во влажных условиях возможно слеживание. При работе с кристаллическим порошком и его раствором следует остерегаться попадания его на кожу и в глаза. Поставляется в мешках или барабанах. Поташ относится ко второй группе. Максимальная концентрация раствора с учетом влажности заполнителя не должна превышать 30%.

Бетонную смесь с противоморозными добавками, вводимыми с водой затворения, готовят на цементах проектной марки и соответствующих мелких и крупных заполнителях. Бетонные смеси с добавками поташа можно использовать при возведении в вертикальной скользящей опалубке внутренних стен жесткости (ядер) в крупнопанельных многоэтажных зданиях, приставных и внутренних стен монолитных и лифтовых кирпичных и каркасных зданиях и наружных стен многоэтажных зданий.

ХЛОРИД КАЛЬЦИЯ (ХК) – бесцветные хорошо растворимые в воде кристаллы, должен храниться в условиях исключающих увлажнение.

НИТРАТ КАЛЬЦИЯ (НК) –бесцветные хорошо растворимые в воде кристаллы, хранить следует в упакованном виде в вентилируемых, закрытых, сухих и чистых складских помещениях, к которым предъявляются повышенные требования пожарной безопасности. Вместимость складов не более 1500 т.

НИТРИТ – НИТРАТ КАЛЬЦИЯ (ННК) – смесь нитрита кальция и нитрата кальция в отношении 1:1 по массе в виде 20%-го водного раствора или пасты. Токсичен. Разлагается в средах с рН>7. Не допускается смешивать с растворами лигносульфонатов.

НИТРИТ-НИТРАТ ХЛОРИД КАЛЬЦИЯ (ННХК) – продукт, получаемый смешиванием ННК с хлоридом кальция в отношении 1:1 по массе. Водный раствор желтоватого цвета плотностью 1,1 – 1,3 г/см³. Токсичен. При работах должны соблюдаться все правила техники безопасности. Разлагается в кислых средах. Вызывает сильное раздражение кожного покрова.

ХЛОРИСТЫЙ НАТРИЙ (ХН) – кристаллический порошок белого цвета, растворимый в воде; должен храниться в условиях исключающих увлажнение.

СУЛЬФАТ НАТРИЯ (СН) –поставляется в виде декагидрата, но может выпускаться в виде безводной соли – кристаллов белого цвета с желтым оттенком, трудно и ограниченно растворимых в воде. При хранении в открытом виде возможно выветривание кристаллов.

НИТРИТ НАТРИЯ (НН) – кристаллы белого цвета с желтоватым оттенком. Выпускается в виде 28%-го раствора по ГОСТ 19906-74. Технический нитрит натрия используется в качестве противоморозной добавки к бетонам в производстве строительных конструкций, ингибитора для защиты от атмосферной коррозии и для других целей в химической, металлургической, медицинской, целлюлозно-бумажной и других отраслях промышленности. Технический нитрит натрия – ядовитое, пожароопасное вещество, является окислителем. Взаимодействие технического нитрита натрия с горючими веществами может сопровождаться взрывом. По степени воздействия на организм технический нитрит натрия относится к веществам 3-го класса опасности. Технический нитрит натрия упаковывают в ламинированные мешки или полиэтиленовые мешки-вкладыши, вложенные в бумажные или полипропиленовые мешки. Масса нетто продукта не более 50 кг. Не допускается совместная перевозка нитрита натрия с горючими веществами и продуктами питания. Может поставляться бочками или в цистернах.

Технический нитрит натрия хранят в неотапливаемых, вентилируемых, закрытых, сухих и чистых складских помещениях в упаковке изготовителя. К складам предъявляются повышенные требования пожарной безопасности. Не допускается совместное хранение нитрита натрия с другими веществами. Гарантийный срок хранения продукта – 6 месяцев со дня изготовления.

Кристаллический продукт следует хранить в упакованном виде в вентилируемых, закрытых, сухих и чистых складских помещениях. К складам предъявляются повышенные требования пожарной безопасности. Ядовит, при попадании в организм человека вызывает тяжелые поражения, опасные для жизни.

КАРБАМИД (МОЧЕВИНА), (М) – бесцветные хорошо растворимые в воде кристаллы. Продукт пожароопасный (t_всп = 182°С), поэтому хранить его следует в отдельных складах с несгораемыми стенами. Поставляется в полиэтиленовых мешках. Широко используется в сельском хозяйстве как азотное удобрение, а также как исходное сырье для производства карбамидных смол.

В районах со сравнительно мягким климатом, где температура воздуха, как правило, не бывает ниже – 10°С, можно достаточно успешно применять карбамид. Эта противоморозная добавка одновременно пластифицирует бетонную смесь и обеспечивает спокойный невысокий темп твердения бетона. Указанные свойства карбамида частично используются в комплексных добавках ННКМ и ННХКМ, представляющих собой смесь соответственно мочевины с нитрит-нитратом кальция и нитрит-нитрат-хлоридом кальция.

ФОРМИАТ НАТРИЯ ТЕХНИЧЕСКИЙ (ТУ 2432-011-00203803-98) представляет собой формиат натрия с незначительной примесью пентаэритрита и его производных. Формиат натрия технический используется в качестве противоморозной и пластифицирующей добавки в производстве строительных конструкций, в кожевенной промышленности как агент в преддубильных операциях, как сырье в производстве муравьиной кислоты.

Добавка используется для возведения монолитных бетонных и железобетонных конструкций при отрицательной температуре наружного воздуха от 0°С до – 15°С.

Технология приготовления бетонной смеси с добавлением формиата натрия отличается от обычной тем, что в процессе ее приготовления дополнительно вводится предварительно отдозированный раствор добавки.

Формиат натрия обеспечивает быстрый набор прочности бетона. Обладает пластифицирующими свойствами; обеспечивает длительную жизнеспособность бетонной смеси. Расход добавки составляет 2 – 4% в пересчете на сухие вещества от массы цемента. Формиат натрия взрывобезопасен и не горюч, однако в местах хранения и работы с ним следует запрещать курение и применение открытого огня. По степени воздействия на организм относится к веществам 3-го класса опасности, вызывает раздражение верхних дыхательных путей и слизистых оболочек. Упаковывают добавку в пяти-, шестислойные бумажные мешки с полиэтиленовые мешком-вкладышем по 25 кг, полипропиленовые мешки с полиэтиленовым мешком-вкладышем, а также в мягкие контейнеры типа МКР-1.0С. Формиат натрия – сырец хранят в сухих закрытых складских помещениях на поддонах. Не рекомендуется нарушение герметичности упаковки ввиду высокой гидрофильности.

 

Список использованной литературы

1. Болдырев А.С., Ратинов В.Б. Добавки в бетон. Справочное пособие. М.: Стройиздат.-1988.- С 229-244.

2. Руководство по применению химических добавок в бетоне. М.:Стройиздат, 1985.- 64с.

3. Современные проблемы строительного материаловедения: материалы пятых академических чтений РААСН. Воронеж.гос. арх. – строит. акад., Воронеж, 1999.-672с

4. Хигерович М.И., Байер В.Е. Гидрофобно-пластифицирующие добавки для цементов, растворов и бетонов. М.:Стройиздат.- 1979.-126с.

5. Попко В.Н. Химические добавки для бетона. Учебное пособие. Казань. КИСИ, 1980.

 

ХИМИЧЕСКИЕ ДОБАВКИ ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ БЕТОНА