Структурообразование бетона под влиянием химических и минеральных добавок. Химические добавки в цементе


Химическая добавка для цементных бетонов и строительных растворов "универсал п-4"

Настоящее изобретение относится к составу химической добавки для цементных бетонов и растворов и может найти применение в промышленности строительных материалов. Химическая добавка для цементных бетонов и строительных растворов содержит, мас.%: лигносульфонаты технические 20-30, натрий хлористый 20-53, тетраборат натрия 2-5, суперпластификатор С-3 остальное. Технический результат - снижение расхода добавки, вводимой в цементные бетоны и растворы при повышении прочности последних. Увеличение сохраняемости подвижности бетонной смеси и строительного раствора с указанной добавкой.

 

Изобретение относится к области строительства, к добавкам полифункционального действия для цементных бетонов и строительных растворов.

Известна химическая добавка для цементных бетонов и строительных растворов в виде лигносульфонатов технических - побочный продукт переработки древесины сульфатным способом (ОСТ 13-183-33) /1/.

Данный известный ингредиент входит в состав многих химических добавок для цементных бетонов и строительных растворов.

Так, например, известна химическая добавка для цементных бетонов и строительных растворов, повышающая прочность бетона, содержащая лигносульфонаты технические, отход производства калийных удобрений на основе натрия хлористого, золу-унос и вспученный перлитовый песок (Патент РФ №2039718, кл. С 12 В 28/04, опубл. 1995) /2/.

Однако данная известная химическая добавка не обладает широким спектром положительных свойств, придаваемых ею цементным бетонам и строительным растворам.

Известна химическая добавка для цементных бетонов и строительных растворов, представляющая собой лигносульфонаты технические модифицированные - смесь лигносулъфонатов технических с солями минеральных кислот: натрием хлористым, сульфатом натрия, нитратом натрия и нитратом кальция (Строительный каталог СК-4. Химические добавки для бетонов и строительных растворов, май 1987, с.27-29) /3/.

Данная известная химическая добавка вводится в цементные бетоны и строительные растворы в качестве пластификатора. Она повышает подвижность бетонных смесей и сокращает расход цемента или срока выдерживания бетона в естественных условиях при положительной температуре.

Однако эффективность данной известной добавки недостаточно высокая.

Известна химическая добавка для цементных бетонов и строительных растворов, содержащая натрий хлористый и кальций хлористый (Руководство по применению химических добавок в бетоны. М., 1981, с.19) /4/.

Данная известная химическая добавка применяется как противоморозная. Однако она не придает широкого спектра положительных свойств цементным бетонам и строительным растворам. Кроме того, она оказывает отрицательное влияние на арматуру в бетоне - вызывает ее коррозию.

Известна химическая добавка для цементных бетонов и строительных растворов, содержащая поташ и тетраборат натрия (Руководство по применению химических добавок в бетоны. М., 1981, стр.18 /5/.

Данная известная химическая добавка является ускорителем твердения, замедлителем схватывания. Она повышает сохраняемость бетонной смеси. Вместе с тем ее эффективность недостаточно высокая.

Известен суперпластификатор С-3 - продукт поликонденсации нафталинсульфокислоты с формальдегидом (ТУ 6-36-0204229-625-90 /6/.

Наиболее близкой к предлагаемой является химическая добавка для цементных бетонов и строительных растворов, содержащая суперпластификатор С-3, лигносульфонаты технические и натриевую соль минеральной кислоты (Пособие по применению химических добавок при производстве сборных железобетонных конструкций и изделий к СНиП 3.09.01-85, М., 1989, с.6) /7/.

В качестве натриевой соли минеральной кислоты данная известная добавка содержит сульфат натрия.

Недостатком данной известной химической добавки является то, что ее необходимо использовать с высоким общим расходом, при этом она не обеспечивает достаточную сохраняемость бетонной смеси, не влияет на скорость ее твердения и не обладает пластифицирующим эффектом.

Техническим результатом, достигаемым настоящим изобретением, является повышение экономичности за счет обеспечения возможности снижения общего расхода химической добавки при повышении сохраняемости бетонной смеси и повышении ее прочности на сжатие.

Указанный технический результат достигается тем, что химическая добавка для цементных бетонов и строительных растворов, содержащая суперпластификатор С-3, лигносульфонаты технические и натриевую соль минеральной кислоты, имеет ту отличительную особенность, что в качестве натриевой соли минеральной кислоты она содержит натрий хлористый и тетраборат натрия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

лигносульфонаты технические 20-30

натрий хлористый 20-53

тетраборат натрия 2-5

суперпластификатор С-3 остальное.

При подборе оптимального качественного и количественного соотношения ингредиентов химической добавки для цементных бетонов и строительных растворов была обнаружена возможность резкого уменьшения необходимого количества добавки при сообщении бетонной смеси комплекса улучшенных свойств.

Ниже приведены примеры, иллюстрирующие изобретение.

Пример 1. Готовят химическую добавку со следующим соотношением ингредиентов, мас.%:

лигносульфонаты технические 20

натрий хлористый 20

тетраборат натрия 2

суперпластификатор С-3 остальное.

Сопоставление свойств приготовленной и известной /7/ добавок показало, что добавку согласно изобретению можно использовать в количестве 0,3-0,8% от массы цемента для приготовления цементного бетона, в то время как известную добавку нужно вводить в количестве до 2.05 мас.%. При этом сохраняемость бетонной смеси при использовании известной добавки /7/ в количестве 2,05% составляет 3 ч, а сохраняемость бетонной смеси при использовании химической добавки согласно изобретению, взятой в количестве 0,3% и 0,8%, составляет соответственно 4 ч 15 мин и 4 ч 30 мин. Прочность на сжатие у равноподвижных сопоставляемых смесей значительно выше при использовании добавки согласно изобретению, несмотря на значительно меньший ее расход по сравнению с известной /7/ добавкой.

Пример 2. Готовят химическую добавку со следующим соотношением ингредиентов, мас.%:

литносульфонаты технические 30

натрий хлористый 53

тетраборат натрия 5

суперпластификатор С-3 остальное.

Сопоставление свойств приготовленной и известной /7/ добавок показало, что добавку согласно изобретению можно использовать в количестве 0,3-0,8% от массы цемента для приготовления цементного бетона, в то время как известную добавку нужно вводить в количестве до 2.05 мас.%. При этом сохраняемость бетонной смеси при использовании известной добавки /7/ в количестве 2,05% составляет 3 ч, а сохраняемость бетонной смеси при использовании химической добавки согласно изобретению, взятой в количестве 0,3% и 0,8%, составляет соответственно 5 ч и 5 ч 20 мин. Прочность на сжатие у равноподвижных сопоставляемых смесей значительно выше при использовании добавки согласно изобретению, несмотря на значительно меньший ее расход по сравнению с известной /7/ добавкой.

Химической добавке для цементных бетонов и строительных растворов присвоили наименование “Универсал П-4”.

Таким образом, химическая добавка согласно изобретению вводится в бетонные смеси в малых дозах, но при этом заметно улучшает их полезные свойства: сохраняемость и прочность на сжатие.

Химическая добавка для цементных бетонов и строительных растворов, содержащая суперпластификатор С-З, лигносульфонаты технические и натриевую соль минеральной кислоты, отличающаяся тем, что в качестве натриевой соли минеральной кислоты она содержит натрий хлористый и тетраборат натрия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Лигносульфонаты технические 20-30

Натрий хлористый 20-53

Тетраборат натрия 2-5

Суперпластификатор С-З Остальное

www.findpatent.ru

Химия строительных материалов | Портландцемент с добавками разных видов

Добавки помогают регулировать свойства вяжущих материалов и в последние годы нашли широкий выход в практику. Их большое разнообразие при недостаточной изученности механизма действия привело к затруднениям в правильном использовании этого одного из простых и экономически эффективных способов улучшения качества вяжущих материалов.

Рассмотрим химическое воздействие применяемых добавок на составные компоненты цемента. Условно, по В.Б. Ратинову, добавки можно разделить на четыре группы.

Первая – добавки изменяют растворимость вяжущих веществ и не взаимодействуют с ними.

Вторая – добавки образуют с вяжущими труднорастворимые или малодиссоциирующие соединения.

Третья – добавки являются центрами кристаллизации.

Четвертая – добавки адсорбируются на зернах вяжущего.

К первому виду добавок можно отнести, во-первых, соли, не имеющие с вяжущими одноименных ионов. Такими добавками по отношению к алиту и белиту являются поваренная соль, сульфат и хлорид калия, нитрат натрия и другие. Эти добавки не гидролизуются и не изменяют щелочности среды, но повышают растворимость силикатов кальция, что ускоряет их твердение. Во-вторых, сюда относят соединения с одноименными вяжущими ионами, например СаСl2, Ca(NO3)2. При действии их на строительный гипс, алит и белит, они в малых дозах понижают растворимость вяжущих и увеличивают скорость кристаллизации продуктов твердения.

Добавки второй группы можно разделить на несколько подгрупп: уменьшающие щелочность среды, вступающие с Са(ОН)2 в обменные реакции с образованием малорастворимых продуктов, в реакции присоединения с образованием двойных солей – гидратов. К ним следует отнести кислоты и соли сильного основания и слабой кислоты, например хлорид и сульфат железа (III), сульфат алюминия, ускоряющие твердение бетона и повышающие его непроницаемость. Наряду с ними, также соли, вступающие с Са(ОН)2 в обменные реакции с образованием плохо растворимых продуктов, например поташ К2СО3 (или Na2CO3), алюминат и фторид натрия. Эти добавки повышают щелочность растворов цементного камня. Их введение ускоряет твердение цемента. Между тем, необходимы разные меры защиты от коррозии стальной арматуры (понижение рН) и активного кремнеземистого заполнителя (повышение рН среды).

На практике нашли применение поташ в целях снижения температуры замерзания воды при холодном бетонировании и алюминат натрия как уплотняющая добавка.

Третья группа добавок данного типа – это соединения, образующие с С3А и C4AF цементного клинкера трудно растворимые комплексные соли – гидраты. Сюда относят СаСl2, CaSO4, Ca(NO3)2 и т.п. Следует помнить, что те же соли по отношению к силикатным фазам портландцемента должны быть отнесены к добавкам первой группы. Взаимодействие С3А с хлоридом кальция протекает по следующей реакции:

Аналогично железосодержащие минералы клинкера выделяют с сульфатами натрия, калия или кальция гидросульфоалюмоферрит кальция:

Эти комплексные соли можно считать близкими к двойным солям, которые при растворении диссоциируют на простые ионы, т.е. константа устойчивости таких комплексов очень низка. Подобно этому идет взаимодействие алюмоферритов кальция с другими добавками.

При одновременном присутствии в цементе нескольких добавок возникает «борьба» между ними за участие в реакциях с С3А и С4АF. Оптимальным поведением обладает сульфат кальция, образующий с этими минералами наименее растворимые соли, имеющие наибольшую скорость кристаллизации, – гидросульфоалюминаты кальция и близкие к ним по составу соединения. Прочие добавки, введенные при затворении, сохраняются без изменения в жидкой фазе цементного теста и действуют как добавки первого вида. Впоследствии и эти добавки (СаСl2, Ca(NO3)2 и др.) входят во взаимодействие с минералами цемента аналогично сульфату кальция, но уже как добавки второй группы.

Растворимые карбонаты щелочных элементов (сода, поташ) вступают в реакцию с Са(ОН)2, образуя труднорастворимый СаСО3. Действие этих добавок состоит в ускорении твердения и уплотнении цементного камня, что снижает скорость фильтрации жидкостей и газов и диффузионных процессов через бетон. К таким добавкам относят также фториды щелочных элементов, образующие с CaF2 продукт, очень слабо растворимый в воде, и ряд других.

К добавкам третьей группы принадлежат такие соли, которые формируют центры кристаллизации и являются затравками. Таковы добавки тонкоизмельченного гипса CaSO4 · 2Н2О, применяемые в качестве эффективных ускорителей затвердевания, когда самой медленной стадией является стадия кристаллизации.

При необходимости придания бетонам кислотостойких и жаростойких свойств нашли применение гидросиликаты кальция для изготовления, например, автоклавного силикатного вяжущего. Эти добавки вводят в небольшом процентном отношении к массе цемента (3 – 5%), что определяется опытным путем.

Добавки четвертой группы, как правило, замедляют твердение бетона, хотя главная цель – это придание цементному тесту пластичности, гидрофобности и других свойств. В основном это основано на поверхностно-активном характере действия таких добавок по отношению к вяжущему. Сюда относят сульфитно-спиртовую барду (содержащую лигносульфонаты кальция), абиетат натрия, высокомолекулярные жирные кислоты, их мыла и др. Эти соединения имеют в своем составе полярные функциональные группы –SO3H, –СООН, –СООМе и неполярные радикалы. Полярные группы ориентируются у гидрофильной поверхности вяжущих, создавая тонкие пленки, что снижает коэффициент внутреннего трения между частицами. Водопотребность цемента при этом понижается, и он становится более пластичным, что повышает прочность, долговечность, морозостойкость сооружений. Такие поверхностно-активные добавки часто вводят в количестве 0,15 – 0,25 масс. % от веса цемента на стадии помола, что облегчает этот процесс. Адсорбция молекул органических соединений на частицах вяжущих сопровождается замедлением сроков схватывания и твердения, затрудняя диффузию воды через пленки новообразований. В связи с этим наблюдается стремление использовать комплексные добавки, нивелирующие их отрицательное свойство и придающие им новые и усиливающие имеющиеся положительные стороны.

Разработка и поиск новых добавок и исследование их действия на строительно-технологические свойства бетонов позволяют создавать новые вяжущие материалы, обладающие необходимыми свойствами. Такие материалы под названием пластифицированного, гидрофобного, расширяющегося портландцемента, разработанные нашими учеными, применяют для изготовления монолитных сооружений, сборного бетона и железобетона в наземных и подземных сооружениях. Наиболее эффективно его использовать в зонах переменного уровня (смена циклов замораживания – оттаивания, увлажнения – высыхания), а также в дорожном строительстве.

3ys.ru

Химические и минеральные добавки в технологии цемента и бетона

filling-form.ru

ХИМИЧЕСКИЕ И МИНЕРАЛЬНЫЕ ДОБАВКИ В ТЕХНОЛОГИИ ЦЕМЕНТА И БЕТОНА

Ушеров-Маршак А.В., д-р техн. наук, Циак М, канд. техн. наук, Харьковский государственный университет строительства и архитектуры, Украина, Университет Варминско-Мазурский, Польша

http://www.bi.zp.ua/tem6.html

Терминология и систематика

Исторически устоялось разделение компонентов цемента и бетона на основную и дополнительные категории. При этом огромный по объему использования и функциональной значимости класс материалов регуляторов технологических процессов, составов и свойств цементов, бетонных смесей и бетонов как бы традиционно выделяется в дополнительную категорию, называемую добавками.Термин «добавка», как хорошо известно, охватывает химические и минеральные вещества неорганической и органической природы, растворимые и нерастворимые, инертные и реакционноспособные, жидкие и твердые, в т.ч. в дисперсном состоянии. В отечественной нормативной и научно-технической литературе III кроме термина «добавки» зачастую употребляются наименования модификаторы или, что совершенно неправомерно, наполнители. В стандартизированной международной терминологии /2,3/ различают: admixtures или добавки, вводимые в количестве до 5, и additives - более 5% от массы цемента. Аналогичные термины - domieski и dodatki приняты в Польше.

Систематика добавок построена, в основном, по признакам и достигаемым технологическим эффектам. К ним относят /4,5/ -регулирование сроков и скорости схватывания и твердения, содержание воды затворения, подвижность бетонной смеси, воздухововлечение и т.п. Предпринимались основательные попытки классифицировать добавки по механизму действия, а, вернее, взаимодействия с цементами 161. Однако, в данный момент ориентироваться в разнообразии химических и минеральных добавок практически невозможно. Концерны, компании и фирмы, производящие и распространяющие эту продукцию для сохранения секретов и в рекламных целях, создают и развивают излишне сложную терминологию, оставляя потребителей перед зачастую трудно решаемыми задачами корректной и всесторонней оценки позитивных и негативных последствий использования добавок в технологии цемента и" бетона. В этом плане следует:

  • продолжать работы по стандартизации терминологии и методов оценки эффективности действия добавок в рамках отечественных ДСТУ и ДБН;
  • определить головную и сеть региональных, действительно независимых, оснащенных современным испытательным оборудованием лабораторий для сертификации добавок в цементы и бетоны;
  • организовать постоянно действующие семинары для повышения квалификации производителей, дилеров и потребителей добавок.
Специфика ситуации, сложившейся на рынке, использование нецивилизованных методов конкуренции, искажение в некоторых публикациях и изданиях 111 опыта производства и применения химических и минеральных добавок в Украине по крайней мере за последнее десятилетие побуждает нас обратиться к краткому ретроспективному анализу этого вопроса.

Ретроспектива

Добавки в технологии цемента и бетона используются с глубокой древности. Еще наши предки, согласно римским летописям, использовали при сооружении дорог, оснований, мостов яичные белки и кровь. Симптоматичен термин - «пуццолановые добавки» по аналогии с местностью в Италии, где они были открыты. Почти сто лет находят применение органические пластификаторы бетонных смесей. Несмотря на то, что основные детали механизма гидратации цементов, еще более усложняемые влиянием добавок, до сих пор не установлены, системы «цемент-добавка» развиваются стремительно во всем мире /4/.

Отчетливо, также на протяжении полувека /8-12/, прослеживается тенденция использования комплексных химических добавок, основанная на фундаментальных положениях физической и коллоидной химии. К их числу относятся явления и понятия аддитивности, синергизма и антагонизма, корректную трактовку которых легко найти в любом соответствующем учебнике, в частности, в /13/.

Направление работ Харьковской научной школы. Развитие, как раньше называли «химизации» бетона можно проследить на примере деятельности ведущей в этом направлении в Украине Харьковской научной школы. Начиная со второй половины 50s годов прошедшего десятилетия, здесь под руководством проф. О.П.Мчедлова-Петросяна был взят курс на создание комплексных химических добавок. Он базировался на законах и методах физической и коллоидной химии. Ярчайший пример: комплекс «пластификатор - ускоритель твердения - порообразователь», позволивший решить также комплекс задач технологии бетона. Ускорения твердения, экономия цемента, обеспечение безусадочности и расширения, повышение плотности и коррозионной стойкости - технологические эффекты, достигаемые благодаря сформулированному О.П.Мчедловым-Петросяном и Л.Г.Филатовым принципу компенсированного расширения /14/. Суть его проста. Снижение прочности за счет образования пор при введении алюминиевого порошка компенсируется термодинамически предпочтительным образованием на поверхности раздела «газ (пора) - твердое (цементный камень)» одного из основных структурообразующих элементов - гидросульфоалюмината кальция. Это направление развивалось в разных аспектах (В.И.Бабушкин, Г.А.Улитина, Д.А.Угинчус и др.).

Обращение к химическим и минеральным добавкам, как наиболее эффективному средству управляемого структурообразования, совпало по времени и потребностям с резким ростом производства цемента и бетона, особенно железобетонных изделий заводского изготовления. Пионером в применении добавок стал будущий флагман крупнопанельного домостроения Харьковский домостроительный комбинат №1, где впервые в СССР были разработаны комплексы для агрегатно-поточной, кассетной и прокатной технологий, созданы автоматизированные отделения химдобавок (В.П.Жильцов, А.И.Бирюков, Ю.Л.Воробьев, А.Н.Плугин, В.Г.Братчиков и др.). Работы тиражировались по всей стране. Десятки миллионов кубических метров изделий и товарного бетона с добавками позволили решать проблемы строительства и оказали решающее, на наш взгляд, влияние на развитие «химизации» в стране. И сегодня работы Харьковской школы строительного материаловедения, в которых участвовали сотрудники строительных институтов и кафедр строительных материалов (И.М.Грушко и др.), заводов ЖБИ и ДСК, не потеряли актуальности.

Пользуясь правом соавтора доклада, позволим привести данные хронологического характера (табл.1).

 Таблица 1 - Основные этапы разработки и применения добавок в бетоны и цементы

Этап  Период  Направление  Публикации1 
1960-1980  Комплексные химические добавки  Бетоны ускоренного твердения комплексными химическими добавками (авторефер. кандидатской диссертации, 1965) 
II  1980-1990  Комплекс «супер-пластификатор + минеральная добавка»  Пластифицирующая добавка в касетной технологии бетона («Бетон железобетон», 1981) Перспективы использования ПГПФ технологии бетона («Бетон и желез бетон», 1986)
III  1990-1995  Механохимическое воздействие. Новое поколение вяжущих низкой водопотребности (ВНВ) Гидратация механоактивированных цементов в присутствии СП («Цемент», 1991) Физико-химические особенности гидратации вяжущих низкой водопотребности («Неорганические материалы», 1993) 
IV  1995-2000  Системы химических добавок  Система химических добавок в бетоны и строительные растворы «Релаксол» («Будівництво України", 2000) 
Как видно из табл. 1 ход и характер развития работ Харьковской научной школы полностью отвечает тенденциям «химизации» бетона в мире.

Примечательно, что еще 20 лет назад был разработан и успешно применялся пластификатор повышенной эффективности ХДСК-1 на основе модифицированного щелочью лигносульфоната, который до эпохи суперпластификаторов позволил осуществить литьевую, безвибрационную технологию кассетных и товарных бетонов.

Состояние украинского рынка химических добавок. В данное время в Украине действуют 4 основных производителя химических добавок в бетон (табл.2).

Таблица 2 - Основные производители химических добавок в цементы и бетон

№  Название фирмы  Характеристики продукции 
1 ООО «Будіндустрія", г.Запорожье  Система химических добавок «Релаксол» в бетоны и цементы 
2 Научно-производственная фирма «Композит», г.Черновцы  Комплексные модификаторы цемента и бетона /1/ 
3 Фирма «Дофен», г.Донецк  Суперпластификаторы и комплексные добавки /15/ 
4 Химический завод «Заря», г.Рубежное  Ускорители твердения и пластификаторы 
Анализ эффективности использования добавок разных производителей сделать не представляется возможным. Поэтому мы остановимся на некоторых особенностях, связанных с разработкой и применением добавок ООО «Будіндустрія", с которой на протяжении 5-6 лет осуществляется тесное сотрудничество.

Система химических добавок «Релаксол». До начала проведения совместных работ (см.табл.1) продукция

Эти работы были положены в основу предложенной в 1998 году «Системы добавок» /16/. В отличие от подхода, принятого ранее, «Система» обеспечивала потребителей четкими, понятными и совершенно конкретными сведениями для эффективного применения добавок в разнообразных целях для ЖБИ, монолитного, дорожного, легких и специальных бетонов с последующим расширением на сухие строительные и ремонтные смеси.

Весьма отрадно и важно (с учетом системного принижения эффективности «Релаксола» в нецивилизованно конкурентных целях 111} упомянуть, что по результатам испытаний фирмой США «Duke Eng. Services» «Релаксол», в соответствие с /3/, отнесен к категории «F -добавок, значительно уменьшающих количество воды затворения или суперпластификаторам с ускоряющим эффектом».

«Релаксол» с успехом применяется в Украине. Совместно с известными в СНГ разработчиками популярной добавки суперпластификатора С-3 внешнеэкономической ассоциацией «Полимод» и НИИЖБ «Релаксол» получает распространение в Москве и др. российских регионах. Результативно использование одной из разновидностей «Релаксола» в технологии цемента. Как показал опыт ее введения при помоле цемента на Днепродзержинском, Бахчисарайском и др. цементных заводах, обеспечивается увеличение производительности шаровых мельниц, сокращение энергозатрат на помол, рост удельной поверхности и улучшение свойств шлакопортландцемента, в частности, снижение водопотребности и рост темпов набора ранней прочности.

Добавки четырех указанных выше производителей, а также импортные реагенты распространяются различными фирмами и дилерами. Хорошо, если это делают грамотные и подготовленные специалисты, осознающие все позитивные и негативные последствия использования добавок. Хорошо, если рекламные или меркантильные соображения не доминируют. Но сегодня рынок непрерывно наполняется новыми добавками разной эффективности, часто не совместимыми с традиционными цементами и методами проектирования составов бетона, приготовления, транспорта бетонных смесей и формования изделий или конструкций. Значимость таких добавок в технологии бетона возрастает. Необходимо поэтому учитывать тенденции бетоноведения и технологии бетона на стыке столетий.

Перспективы

Современный бетон превращается, благодаря новым химическим добавкам, во все более сложный композиционный материал, свойства которого могут намного превосходить комбинацию свойств компонентов. На пороге III тысячелетия терминология бетоноведения дополнилась новыми определениями, отражающими прогресс в науке о бетоне (табл.3).

Таблица 3 - Новое в терминологии бетона

Термин  Аббревиатура 
Бетон высокофункциональный  БВФ 
High Performance Concrete  HPC 
Бетон самоуплотняющийся  БСУ
Self Compacting Concrete  SCC
Бетон реакционнопорошковый  БРП 
Reactive Powder Concrete  RPC 
Концепции новых разновидностей бетона были сформулированы в конце 80- - начале 90- годов. Первые две предусматривали:
  • высокую технологичность бетонных смесей при В/Ц - 0,25... 0,3 5;
  • сохранение подвижности не менее 60 мин;
  • интенсивные темпы набора ранней прочности;
  • расширение возможностей круглогодичности бетонного цикла;
  • высокую долговечность.
Термины «высокофункциональный» и «самоуплотняющийся» бетоны отвечают набору специальных функций и требований, которые не могут быть достигнуты при традиционных технологических подходах. Так, самоуплотняющийся бетон - это использование литых бетонных смесей, способных без вибрации заполнять самые сложные конфигурации конструкций в форме или опалубке, высокой однородности, без вовлеченного воздуха и водоотделения с тщательными контактами с арматурой, отсутствием предрасположенности к образованию микротрещин и снижением важности последующего ухода за твердеющим бетоном. Достигаемые эффекты отнесли за счет использования новых разжижителей и значительного содержания высокодисперсных минеральных добавок. Принципы достижения самоуплотнения определяют выбор соотношений объемов всех компонентов, включая крупный заполнитель, растворную часть и, главное, минеральные добавки.

Значение крупного заполнителя, как компонента, осложняющего транспорт бетонной смеси и оказавшегося «слабым звеном» из-за концентрации напряжений в контактной зоне с цементным камнем, пересматривается по мере успешной реализации попыток роста уровня прочности бетона на сжатие и растяжение с приближением этого свойства к свойствам металлов. Исключение крупного, а затем и мелкого заполнителей - суть концепции реакционнопорошкового бетона.

Напротив, значительно возрастает роль минеральных высокодисперсных добавок. К ним относят помимо традиционных зол-уноса и металлургических шлаков тонкомолотые кварцевые пески, известняковую муку, но, прежде всего, реакционноспособные микрокремензем, цеолиты, метакаолин и др. Как бы дополняются успешные поиски путей резкого увеличения прочности бетона на изгиб и растяжение применением микроармирования разнообразными волокнами, включая специальную металлическую, пропиленовую и др. фибры.В этом плане именно за счет химических добавок -суперпластификаторов освоены недостижимые ранее технологические эффекты: разжижения, снижения до 40-45% водосодержания при высокой однородности и стабильности.

Сложный механизм действия суперпластификаторов новой генерации типа поликарбоксилатов и акриловых сополимеров трактуется пока в дискуссионном плане. Предполагается наличие т.н. стерических сил отталкивания в адсорбционных слоях вокруг зерен цемента. Вклад стерического эффекта оценивается гораздо выше вклада электростатических сил отталкивания между частицами, которые линейно связаны с текучестью цементного теста. В свою очередь, эффект действия добавки и сохранность его во времени во многом определяются составом и свойствами цемента. Установлено, что возможности достижения и сохранения высоких технологических эффектов ограничиваются явлением совместимости высокоэффективных добавок с цементами.Проблема совместимости, как показывает анализ ее состояния, в т.ч. по материалам VI конференции 2000 г. по суперпластификаторам и другим химическим добавкам в Ницце, выдвинута в качестве первоочередной. Нельзя не отметить, что еще в 60-70е годы СШ.Мчедловым-Петросяном /1/ был сформулирован принцип соответствия параметров любых, в т.ч. и химических, воздействий характеристикам гидратации цементов. Сегодня совместимость добавок с цементами рассматривается с разных позиций, в основном, реологических, хотя хорошо известно, что проявление любых технологических эффектов обусловлено влиянием добавок на т.н. элементарные процессы твердения -смачивание, адсорбцию, образование и кристаллизацию новообразований. Особенно наглядно действие добавок и их совместимость с цементами проявляются в начале гидратации, что может быть количественно оценено методами калориметрии.

Калориметрия в оценке эффективности добавок в связи с этим оказывается весьма результативной и информативной /16/. Действительно, взаимосвязь технологических эффектов с механизмом воздействия добавок позволяет количественно, хотя и на феноменологическом уровне, оценить по значениям экзоэффектов на термокинетических зависимостях «скорость тепловыделения - время» и др. интенсивность адсорбционных явлений, длительность медленных и быстрых периодов взаимодействия, обусловленных торможением или ускорением гидратации. Можно привести примеры результативности калориметрии в создании суперпластификатора С-3 и его модификаций, упомянутого также выше пластификатора ХДСК-1, добавок системы «Релаксол» и многих других. Удалось во многих случаях даже приблизиться к пониманию механизма действия химических и минеральных добавок в цементы и бетоны /16/. Но значение калориметрии далеко не исчерпывается оценкой эффективности добавок. Калориметрическая информация позволяет корректировать и регулировать составы и технологические режимы твердения ЖБИ и монолитного, в особенности массивного бетона в зависимости от многих известных факторов. Показатели тепловыделения цемента и бетона -блестящий источник информации обеспечивают наполнение компьютерных банков и баз данных и знаний для осуществления информационных технологий бетона на заводах и строительных площадках.

Заключение

Использование современных исследовательских и испытательных средств, систем мониторинга бетона с химическими и минеральными добавками - основной путь реализации не изменяющейся в течение десятилетий главной технологической задачи - изготовления изделий и конструкций из материала с прогнозируемыми свойствами при минимальных затратах сырьевых, трудовых и энергетических ресурсов. Освоение наукоемких технологий бетона - дело сегодняшнего и завтрашнего дня.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. ДСТУ БА. 1.1 - 47 - 94 "Хімічні добавки для бетонів. Терміни та визначення". К., 1998.
  2. Нормы европейские EN 934-2 "Добавки к бетонам, растворам, цементному тесту».
  3. Стандарт США ASTM С 499-92 "Классификация добавок».
  4. Rixom L. Chemical Admixtures for Concrete. 3th Ed., London E& FN Symp., London, 1999.
  5. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. 2-е изд., М., 1998.-768 с.
  6. Ратинов В.Б., Розенберг Т.Н. Добавки в бетон. М.:Стройиздат, 1989. -188с.
  7. Файнер М.Ш. Новые закономерности в бетоноведении. К.:«Наукова думка», 2001.
  8. Москвин В.М. Добавки - ускорители твердения бетона. М.:ОНТИ, 1937.
  9. Юнг В.Н. Введение в технологию цемента. М.:Госстройиздат, 1938.
  10. Шестоперов С.В. Цементный камень с пластифицирующими добавками. М.:Дориздат, 1952. 
  11. Юнг В.Н., Тринкер Б.Д. Поверхностно-активные добавки и электролиты в бетонах. М.:Госстройиздат, 1960. - 164 с. 
  12. Рамачандран В. Добавки в бетон. Справочное пособие. М.гСтройиздат, 1988.-575 с.
  13. Колоїдна хімія. / Под ред. В.В.Манка. К.: 1999. - 238 с. 
  14. Н.Мчедлов-Петросян О.П. Химия неорганических строительных материалов. М.:Стройиздат, 1988. - 304 с.
  15. Чернышев Ю.П., Козлова Л.А. Пластичный бетон. Донецк, 1987. - 64с. 16.Ушеров-Маршак А.В. Калориметрия цемента и бетона. Харьков:Факт, 2002.-183 с.

Структурообразование бетона под влиянием химических и минеральных добавок - Статьи

Влияние химических добавок. Влияние химических добавок на процессы гидратации цемента и структурообразование цементного камня и бетона удобно рассматривать в соответствии с классификацией и теоретическими представлениями, развитыми В.Б. Ратиновым и Т. И. Розенберг (классификация добавок приведена в первом разделе). В основе действия добавок первого класса лежит изменение ими растворимости исходного вяжущего и конечных продуктов его гидратации вследствие изменения ионной силы раствора. Электролиты, содержащие одноименные с вяжущими ионы, при невысоких концентрациях снижают их растворимость, а также растворимость гидратных новообразований. По мере повышения концентрации добавок до определенного предела их эффект несколько возрастает. В результате изменения растворимости увеличивается или уменьшается пересыщение в растворе, что влияет соответственно на скорость гидратации и твердения вяжущих. Ускорение твердения бетона характерной группой добавок первого класса обусловлено увеличением при росте пересыщения вероятности возникновения зародышей кристаллогидратных новообразований. Характерными представителями добавок этого класса являются электролиты, содержащие одноименные с вяжущими ионы. К числу таких добавок принадлежит также гипс. На эффективности действия добавок сказывается радиус образуемых ими ионов. При повышенной концентрации добавок первого класса возможна их реакция с гидроксидом кальция с образованием двойных солей. В результате увеличивается растворимость Са(ОН)2 и силикатных минералов цементного клинкера, что сказывается на кинетике гидратации цемента. Добавки-электролиты первого класса, не содержащие одноименного с вяжущим иона (хлориды натрия и калия, нитрит натрия и др.), при малых концентрациях повышают пересыщение и ускоряют твердение, а при больших возможен противоположный эффект. Добавки-неэлектролиты, не взаимодействующие с цементом и продуктами его гидратации (например, спирты), обычно понижают растворимость и относятся к числу замедлителей твердения. Добавки второго класса относятся к достаточно многочисленным и представлены, как правило, электролитами, которые могут химически взаимодействовать с минералами портландцементного клинкера или продуктами их гидратации. Их обычно разделяют на добавки, участвующие в реакциях присоединения и в обменных реакциях. К добавкам первой группы относятся такие популярные ускорители твердения, как хлорид и нитрат кальция. На силикатные фазы эти добавки действуют как добавки первого класса. Соли кальция образуют с трехкальциевым алюминатом двойные соединения типов: 2СаО*Аl2О3*СаХ2*10-12Н2О и 2) ЗСаО*Аl2О3*3СаХ2*14-32Н2О (где X - однозарядный анион). В результате химического взаимодействия добавок второго класса с гидроксидом кальция цементного камня образуются также гидроксисоли типа Са(ОН)2СаХ2ар. Такое взаимодействие возможно при введении повышенных дозировок добавок, например, при зимнем бетонировании. Молекулярный объем двойных солей больше молекулярного объема исходного вяжущего, что при определенных условиях приводит к формированию на его зернах экранирующих пленок, тормозящих процессы гидратации и твердения. С ростом концентрации добавки изменяется скорость формирования, дисперсность двойных солей и, как следствие, их экранирующая способность. Наряду с экранирующим действием, вызываемым продуктами взаимодействия добавок с алюминийсодержащими фазами цемента, они оказывают одновременно ускоряющее действие в результате изменения растворимости и степени пересыщения силикатных фаз. Ускоряющее действие на процессы твердения цемента указанных добавок превалирует. При повышенной дозировке добавок СаСl2, Са(NО3)2 и их комбинаций образуются заметные количества игольчатых кристаллов Двойных солей, которые повышают плотность и микроармируют цементный камень. Повышенной прочности бетонов с добавками указанных типов способствует образование первичного структурного каркаса из игольчатых двойных солей-гидратов и гидроксисолей, обрастающего затем гидросиликатами кальция. Ряд добавок второго класса вступают с вяжущими веществами в обменные реакции. Характерными из них являются соли сильного основания и сильной или слабой кислоты (NаСl, NаNO2, СН3СООNa и др.). Они могут влиять на кинетику твердения С3S и Ь-С2S не только через изменение ионной силы раствора, но и вследствие снижения в поровой жидкости концентрации ионов кальция, выделяющихся при гидратации силикатных фаз цемента. Разнообразие особенностей протекаемых химических процессов приводит и к различию эффекта от добавок этой группы. В результате взаимодействия указанных добавок с цементом в жидкой фазе быстро накапливаются ионы Н3SЮ4 и Н2SiO42 а также алюминатные ионы. Вскоре после затворения сухой смеси раствором добавки начинается выкристаллизовывание кристаллогидратов, образующих гель, который захватывает в свои ячейки большое количество жидкой фазы и, вследствие этого, вызывает быстрое схватывание и последующее интенсивное упрочнение бетона. Добавки третьего класса - центры кристаллизации или т.н. кристаллические затравки - облегчают выделение при гидратации цемента новых фаз из пересыщенных растворов. К ним относятся, например, гидросульфоалюминат кальция, сульфатсодержащие твердые вещества типа «крентов» и др. Эти добавки ускоряют твердение цемента и повышают его прочность, благодаря более быстрой гидратации силикатных фаз и, в основном, алита. К добавкам четвертого класса относят поверхностно-активные вещества (ПАВ). Органические ПАВ делят на ионогенные и неионогенные. Первые диссоциируют в воде и водных растворах на поверхностно-активный ион и углеводородную часть молекулы, вторые такой способностью не обладают. Добавки ПАВ делят также на гидрофилизирующие и гидрофобизирующие. Из гидрофилизирующих добавок широко известны анионоактивные ПАВ: лигносульфонаты, гидроксикарбоновые кислоты и их соли, углеводы и их производные, а также синтетические вещества-суперпластификаторы, получаемые конденсацией с формальдегидом нафталин- или меламин-сульфокислоты. Эти добавки водорастворимы и их можно вводить с водой затворения. Гидрофилизирующие ПАВ улучшают смачивание цементного теста и бетонных смесей водой. При введении добавок ПАВ, обладающих пластифицирующим действием, в результате их адсорбции преимущественно на гидратных новообразованиях уменьшается межфазовая энергия и облегчается дезагрегация (дефлокуляция) частиц. При этом высвобождается большая часть воды, иммобилизованной флокулами гидратируемых частиц, что и обусловливает пластифицирующий эффект. Кроме того, адсорбционные слои ПАВ сглаживают микрорельеф частиц, уменьшая коэффициент трения между ними. В механизме действия пластифицирующих ПАВ, и в особенности суперпластификаторов, важное значение имеет возникновение на частицах твердой фазы в результате адсорбции электрического потенциала (^ - потенциала), который приводит к отталкиванию частиц и предотвращает их коагуляцию. У цементов с разным минералогическим составом значение ^ - потенциала различно, что отражается на степени пластификации бетонных смесей. Величина х-потенциала, имеющего отрицательный знак, зависит от адсорбционной способности ПАВ. Эффект электростатического отталкивания частиц цемента, обусловленный ^ - потенциалом на поверхности частиц, преобладает в механизме действия суперпластификаторов нафта-лино- и меламиноформаль-дегидного действия, модифицированных лигносульфатов. Для некоторых добавок типа поликарбоксилатных суперпластификаторов взаимное отталкивание частиц цемента и пластифицирующий эффект обусловлены в большой мере т.н. стерическим эффектом, вызванным формами цепей макромолекул и характером зарядов на поверхности зерен цемента и гидратов. Степень адсорбции ПАВ на цементах возрастает пропорционально их дозировке до определенного предела, после которого интенсивность адсорбции снижается. В составе суперпластификаторов имеются фракции с различной молекулярной массой. Наибольший пластифицирующий эффект имеют более «тяжелые» фракции. Однако с ростом длины цепи замедляются сроки схватывания и скорость гидратации клинкерных минералов. «Легкая» фракция, слабо пластифицируя цементные материалы, может выступать как ускоритель твердения и обусловливать прирост прочности в ранние сроки. Вместе с тем, в более позднем возрасте положительное влияние на прочность бетона оказывают полимерные фракции пластификатора с определенным диапазоном степени поликонденсации макромолекул. На стадии производства эффективных пластифицирующих добавок производят их направленный синтез или разделяют на фракции. Адсорбируясь на частицах гидратируемого цемента, добавки ПАВ оказывают определенный стабилизирующий эффект, замедляя процессы гидратации и твердения цемента. При введении суперпластификаторов их стабилизирующий эффект перекрывается увеличением действующей поверхности цемента в результате дезагрегации флокул, возникающих в начальный период гидратации цемента. Важным для направленного изменения строительно-технических свойств бетона является влияние ПАВ на морфологию гидратных фаз. Экранируя возникновение зародышей кристаллизации, добавки ПАВ способствуют увеличению пересыщения в твердеющем цементном тесте и формированию более дисперсных структур (эффектадсорбционного модифицирования структуры). Нарядусадсорбционными и коллоидно-химическими явлениями при введении ПАВ в цементные системы возможны химические взаимодействия, что также сказывается на процессах твердения и свойствах цементного камня. Для гидрофобизирующих ПАВ в отличие от гидро-филизирующих характерна резкая асимметрия молекул. Если гидрофилизирующие ПАВ адсорбируются на поверхности твердой фазы «плашмя», то гидрофобизирующие образуют своеобразный «частокол», уменьшающий смачивание цемента водой. Благодаря хемосорбции гидрофобизирующих ПАВ, на поверхности твердой фазы прочно фиксируются углеводородные радикалы, что позволяет придать гидрофобные свойства как цементу при введении в процессе его помола, так и бетону при его пропитке или введении с водой затворения. При гидрофобизации цемента вводят преимущественно высокомолекулярные нефтяные и жирные кислоты и их соли, вызывающие умеренное воздухо-вовлечение и образующие сетчатые гидрофобные оболочки, сдираемые при перемешивании растворных и бетонных смесей. В бетонные смеси вводят эмульсии битумов, алкилгидросилоксанов и нерастворимых кремний-органических соединений, а также водные растворы алкилсиликонатов и различных продуктов химической обработки древесины, синтетические ПАВ, относящиеся к группе воздухововлекающих добавок. Гидрофобизирующие добавки также пластифицируют бетонные смеси, но этот эффект выражен значительно слабее, чем гидро-фибизирующих, и в значительной мере обеспечивается пузырьками газовой фазы. Модифицирующий эффект добавок этой группы обусловлен наряду с воздухововлечением или газовыделением гидрофобизацией стенок пор и капилляров бетона, что снижает скорость капиллярного подсоса и повышает стойкость бетона к различным видам агрессивных воздействий.

Влияние минеральных добавок. При введении в цементные системы минеральных добавок идут как химические, так и физико-химические процессы их взаимодействия с цементом и продуктами его гидратации. К основным химическим процессам относятся процессы взаимодействия материалов, обладающих пуццолановой активностью, с Са(ОН)2, выделяющимся при гидролизе алита и в меньшей мере других клинкерных минералов. При этом образуются в основном гидросиликаты СSН(1) с низкой степенью закристаллизованности и с переменным составом, характерным для тоберморита. При соответствующем химическом составе пуццолан возможно также образование гидроалюминатов, гидросуль-фоалюминатов и гидроалюмосиликатов. Решающую роль в связывании Са(ОН)2 играют стеклообразные и аморфизированные компоненты добавок, содержащие активные SiO2 и А12О3. В настоящее время признано, что пуццолановая активность обусловлена термодинамической нестабильностью указанных компонентов. На пуццолановую активность, кроме химико-минералогического состава и структуры, влияет тонкость измельчения добавок. Кинетика взаимодействия гидролитической извести с активными добавками зависит также от температурно-влажностных условий твердения. Экспериментально установлено, например, что после 24 ч гидратации количество не вступившего в реакцию СаО практически не зависит от температуры и составляет 3-8%. При90°С через 2,5ч в реакцию вступает 68-95% СаО, а при температуре 55° за то же время - только 25-55% СаО. Связывание активными добавками Са(ОН)2 как продукта гидролиза клинкерных минералов повышает степень гидратации цемента, что при условии предотвращения увеличения водопот-ребности и соответственно пористости бетона приводит к увеличению его прочности. Химическое связывание Са(ОН)2 обусловливает соответствующее изменение свойств цементного камня и бетона (повышение водостойкости, сульфатостойкостиидр.). На процессы твердения и структурообразования цементного камня активно влияют дисперсные минеральные материалы, как обладающие пуццолановой активностью, так и химически инертные при нормальной температуре, как молотый кварцевый песок. Цементный камень, по определению В.Н. Юнга, можно считать «микробетоном». Значительная часть цементных зерен гидратируется не полностью и выполняет роль своеобразных наполнителей цементного камня. Глубина гидратации отдельных клинкерных минералов неодинакова и, как следует из данных Ю.М. Бутта, даже в 6 мес. не превышает для наиболее активногоминерала С3S -15 мкм, а наименее активного С25 -2,7 мкм.

Многочисленными исследованиями показано, что, кроме «естественных» наполнителей, которыми служат ядра большей части клинкерных частиц, в цементы и бетонные смеси могут быть с успехом введены «искусственные» наполнители (микронаполнители) -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. Роль активных наполнителей в бетонных смесях наряду с химически инертными материалами выполняют и материалы, обладающие пуццолановой активностью (активные минеральные добавки). Последние увеличивают дополнительно объем гидратных новообразований цементного камня. При затворении наполненных смесей водой частицы минеральной добавки и цемента в пространственной структурной сетке фиксируются с помощью коагуляционных контактов. Химически активные добавки смещают направленность реакции гидратации в сторону интенсивного выделения новообразований. Активные минеральные добавки, вступая во взаимодействие с гидроксидом кальция Са(ОН)2, образуют низкоосновные гидросиликаты. Карбонаты кальция и магния взаимодействуют с алюмосодержащими клинкерными минералами, образуя комплексные соединения типа ЗСаО*А12О3*(Са, Мq) СО3*11Н2О. Обнаружена также возможность обменных реакций между карбонатными наполнителями и гидросиликатами кальция. Обладая высокой удельной поверхностью, дисперсные добавки, наряду с прямым химическим взаимодействием, влияют на физико-химические процессы у поверхности раздела фаз.

В соответствии с учением Гиббса-Фольмера энергия образования зародышей кристаллов значительно уменьшается при наличии центров кристаллизации, которыми могут служить частицы наполнителя. Уменьшая радиус зерен наполнителя и поверхностное натяжение на границе «кристалл - жидкая фаза», можно значительно повысить вероятность зарождения новой фазы. При оптимальной концентрации и дисперсности добавок образуется мелкозернистая структура связующего, что благоприятно отражается на технических свойствах искусственного камня. При введении наполнителя в систему «цемент-вода» скорость твердения и прочность возрастают до тех пор, пока все его зерна остаются окруженными продуктами гидратации. Для кремнеземистых частиц степень наполнения можно определить по количеству СаО, которое может связать 1 г наполнителя. Степень наполнения, рассчитанная таким образом, колеблется от 5 до 10% массы цемента. При избытке добавок с высокой дисперсностью зерен возникают участки самонапряжения, что по мере роста кристаллов может привести к образованию трещин и другим нарушениям однородности микроструктуры. Дисперсная минеральная добавка должна обеспечить максимальную адгезионную прочность между связующими и заполнителем и когезионную прочность связующего, минимальную пустотность за счет вытеснения цементного теста в контактную зону и общую пустотность бетона в целом. При этом степень наполнения должна быть такой, чтобы на начальной стадии формирования структуры были обеспечены заданные реологические параметры смеси. В известных опытах Э.Р. Пинуса было показано, что уменьшение межзерновых расстояний в растворах на кварцевом песке с 210 до 30 мкм позволяет в 1,5-2 раза увеличить твердость цементного камня, связывающего зерна заполнителя. Без добавки-наполнителя достичь столь тонкой прослойки цементного камня, близкой к удвоенной ширине контактного слоя, весьма затруднительно, поскольку требуется высокая степень отощения смесей, при которой значительно ухудшаются условия их приготовления и формования. Уменьшая радиус зерен наполнителя и поверхностное натяжение на границе «кристалл - жидкая фаза», можно значительно повысить вероятность зарождения новой фазы. При оптимальной концентрации и дисперсности добавок образуется мелкозернистая структура связующего, что благоприятно отражается на технических свойствах искусственного камня. При введении наполнителя в систему «цемент-вода» скорость твердения и прочность возрастают до тех пор, пока все его зерна остаются окруженными продуктами гидратации. Для кремнеземистых частиц степень наполнения можно определить по количеству СаО, которое может связать 1 г наполнителя. Степень наполнения, рассчитанная таким образом, колеблется от 5 до 10% массы цемента. При избытке добавок с высокой дисперсностью зерен возникают участки самонапряжения, что по мере роста кристаллов может привести к образованию трещин и другим нарушениям однородности микроструктуры. Дисперсная минеральная добавка должна обеспечить максимальную адгезионную прочность между связующими и заполнителем и когезионную прочность связующего, минимальную пустотность за счет вытеснения цементного теста в контактную зону и общую пустотность бетона в целом. При этом степень наполнения должна быть такой, чтобы на начальной стадии формирования структуры были обеспечены заданные реологические параметры смеси. В известных опытах Э.Р. Пинуса было показано, что уменьшение межзерновых расстояний в растворах на кварцевом песке с 210 до 30 мкм позволяет в 1,5-2 раза увеличить твердость цементного камня, связывающего зерна заполнителя. Без добавки-наполнителя достичь столь тонкой прослойки цементного камня, близкой к удвоенной ширине контактного слоя, весьма затруднительно, поскольку требуется высокая степень отощения смесей, при которой значительно ухудшаются условия их приготовления и формования. Создание достаточно прочных адгезионных контактов в системе «цемент-наполнитель» возможно лишь в том случае, если поверхностная энергия наполнителя значительно выше, чем цемента. Определение поверхностной энергии твердых тел затруднительно. Для жидкостей эквивалентом понятия поверхностной энергии служит поверхностное натяжение, определяемое хорошо разработанными экспериментальными методами. О значении ее для твердых тел можно судить косвенно - с помощью ряда расчетных методов или измерения некоторых механических характеристик. Например, для оценки поверхностной энергии минералов распространены методы шлифования, сверления, царапания, затухающих колебаний. Применяют также методы, основанные на определении энергии разрушения, в основу которых положена теория Гриффитса. Интервал значений поверхностной энергии у разных материалов весьма широк: от 0,072 Дж/м2 у воды при нормальной температуре до 1-2 Дж/м2 у таких материалов как алмаз или карбид кремния.

Поверхностная энергия является частью полной энергии твердого тела, которая определяется суммарным эффектом энергии колебания атомов, кинетической энергии хаотического, поступательного и вращательного движения микрочастиц (молекул, атомов, ионов, свободных электронов и др.), потенциальной энергии взаимодействия этих частиц, энергии электронных оболочек атомов и ионов, внутриядерной энергии, энергии электромагнитного излучения. Возможен ряд способов увеличения поверхностной энергии (активации) дисперсных минеральных добавок в бетонные смеси. Для кристаллических твердых тел удельная поверхностная энергия зависит от прочности решетки, а также от свойств среды, окружающей тело. Эффективным свойством активации минеральных добавок за счет увеличения поверхностной энергии является механохимическая обработка. Увеличение поверхностной энергии вызывается, прежде всего, разрывом межатомных связей структуры. Это имеет место при дроблении, помоле, истирании твердых тел. Новые свежеобразованные поверхности имеют значительно более высокие значения поверхностной энергии, что обусловливает их более высокую адгезионную активность. Особое энергетическое состояние новых поверхностей измельченных минеральных материалов - кварца, известняка, магнезита, гипса и др. можно объяснить образованием большого количества ненасыщенных валентных связей. Так, при измельчении кристаллов кварца в результате разрыва значительного количества связей 51-0 на поверхности зерен образуются ионы Si4+ и О2+. Определенный вклад в повышение активности кварцевого наполнителя при измельчении дает также его поверхностная аморфизация. Толщина поверхностного аморфизованного слоя измельченного кварца достигает (150-400)*10-10 м. При измельчении карбонатных материалов происходит глубокое нарушение их кристаллической структуры вплоть до частичной диссоциации с выделением СО2. Механические процессы при измельчении минеральных материалов обусловливают, наряду с увеличением их поверхностной энергии, и их химическую активность, что также способствует высокой адгезионной прочности при контакте их со связующими. Одним из путей активации наполнителей является создание оптимального рельефа его поверхности. Увеличение шероховатости наполнителя не только способствует механическому заклиниванию связующего, но и повышает таким образом площадь поверхности контакта. Увеличение адгезионной прочности в этом случае идет за счет улучшения условий смачивания. Форма частиц и рельеф их поверхности зависят от типа помольных агрегатов и природы материалов. Так, при грубом измельчении песка в вибромельнице крупные зерна получаются округленными, а мелкие - более угловатыми. При измельчении в шаровой мельнице до размера частиц 0,15-0,6 мм преобладают круглые зерна. Дезинтеграторный помол преимущественно дает угловатые зерна песка. Создание развитого микрорельефа и одновременно очистка поверхности наполнителей достигаются при травлении их кислотными или щелочными растворами. Перспективной в этом плане является ультразвуковая обработка, при которой на материалы воздействует интенсивная кавитационная эрозия. Активацию адгезионной способности наполнителей за счет увеличения их свободной поверхностной энергии можно достичь воздействием электрического и магнитного полей, ультразвуковой обработкой, с помощью ионизирующих излучений. Для достижения высокой адгезионной прочности важно обеспечить необходимую смачиваемость наполнителя связующим, что возможно путем обработки их поверхностно-активными веществами (ПАВ). По данным П.Г. Комохова, в композиции с добавками суперпластификаторов оказались особенно эффективны высокодисперсные кремнеземистые порошки - микрокремнеземы (МК). Как показали работы исследования П. Г. Комохова, формирование структур цементных систем с МК зависит как от физических, так и химических факторов. Ультрадисперсные частицы МК заполняют пространство между сравнительно грубодисперсными частицами цемента и образуют многочисленные коагуляционные контакты. При этом за счет увеличения объема адсорбционно-связанной воды уменьшается объем свободной воды, повышаются связность и тиксотропность смесей. Взаимодействие МКсгидроксидом 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. Модифицирование бетонов комплексами, содержащими МК и СП, 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 или воздухововлекающую добавку.

Авторы: Л. И. Дворкин, О. Л. Дворкин

  • Перед оформлением заказа нужно определиться с составом смеси для бетона, его свойствами и задачами строительства.
  • Приведенная в разделе информация положительно повлияет на расходы по доставке раствора в Долгопрудном.
  • Детальные данные в разделе о бетоне B 20 (цена, характеристики, сфера употребления и месторасположение производств).

m350.ru

Добавки для цемента бетона фундамента

dom.dacha-dom.ru

Химические добавки для бетонной смеси Вид и количество химических добавок назначают согласно «Руководству по применению химических добавок в бетоне» (Москва, 1981). Химические добавки вводятся в бетонную смесь с водой в виде 5 - 10 % растворов. При использовании комплексных добавок растворы каждого компонента готовятся и дозируются раздельно. Необходимая концентрация достигается путем растворения определенного количества добавки в воде, подогретой до 70 ° С.  Бетонную смесь с добавками необходимо укладывать в опалубку не позднее, чем через 1,5 ч после ее приготовления [раздел 6 Рекомендаций по технологии применения химических добавок при производстве бетонных и железобетонных конструкций тоннелей и метрополитенов, Москва, 1988]. Максимально допустимое количество вводимой одной добавки: 50 г на 1 кг цемента, двух добавок: 60 г на 1 кг цемента.

Таблица №67. Основные химические добавки к бетону*

Вид и назначение добавок

Наименование добавки

Кол-во сухого вещества добавки в % от массы цемента

Пластифицирующие

Для повышения пластичности бетонных смесей, экономии цемента и придания бетону большей прочности и морозостойкости, водонепроницаемости. Уменьшают водопотребность бетонной смеси до 30%.

Суперпластификатор С-3 

Сульфитно – дрожжевая бражка (СДБ) 

Пластификатор адипиновый (ПАЩ-1)

0,35 - 0,7

 0,15 - 0,25

 0,1 - 0,3  

Пластифицирующие – воздухововлекающие

Способствуют связности и однородности бетонных смесей, увеличивают время твердения и сокращают расход цемента

Мылонафт (М1)   Омыленная растворимая смола (ВЛХК) Этил силиконат натрия (ГКЖ 10) Метил силиконат натрия (ГКЖ 11) Нейтрализованный черный контакт (НЧК) Нейтрализованный черный контакт рафинированный

0,1 - 0,2 0,1 - 0,2 0,1 - 0,2  0,1 - 0,2 0,1 - 0,2 0,1 - 0,2

Воздухововлекающие

Сокращают расход цемента при небольшом снижении прочности бетона. Обеспечивают равномерность окраски цемента. Повышают морозостойкость бетона при водоцементном отношении          < 0,68

Смола нейтрализованная воздухововлекающая  Синтетическая поверхностно – активная добавка (СПД) Омыленный древесный пек (ЦНИПС – 1)

0,01 - 0,02

0,01 - 0,02

0,01 - 0,03

Ускорители твердения

Ускоряют твердение бетона и увеличивают его прочность в возрасте 28 суток.

Сульфат натрия (СН)   Нитрат натрия (НН) Хлорид кальция (ХК) Нитрат кальция (НК) Нитрит-нитрат-сульфат натрия (ННСН)   Нитрит нитрат-хлорид кальция (ННХК)

0,5 - 1,0 0,5 - 1,0 0,5 - 2,0 1,0 - 3,0 1,0 - 2,0 2,0 - 3,0

Противоморозные

Придают бетону способность твердеть при отрицательной температуре.

Хлорид натрия в сочетании с хлоридом кальция (ХН+ХК) Нитрат натрия в сочетании с хлоридом кальция (НН+ХК)  Поташ (П) Нитрат кальция с мочевиной (НК+М) Соединение нитрата кальция с мочевиной (НКМ)  Нитрит-нитрат хлорид кальция (ННХК) Нитрит-нитрат хлорид кальция в сочетании с мочевиной (ННХК+М)

Количество зависит от температуры воздуха 1,5 - 2,5

Для увеличения морозостойкости

Твердые пористые добавки, выполянющие роль резерных пор для отжатия в них увеличивающейся при замерзании на 9% воды.

Молотый цементный камень (МЦК) Измельченный ячеистый бетон автоклавного твердения (МЯБ)

См. Шейкин А.Е ., Добшиц Л.М. Цементные бетоны высокой морозостойкости. Л., Стройиздат, 1989

Красители

красный

Сурик железный

Сурик железоокисный

8

5

желтый

Пигмент железоокисный

5

зеленый

Окись хрома

8

голубой

Фталоцианиновый

0,5

черный

Руда марганцевая

10

белый

Мел, известняк, двуокись титана, белый цемент

Экспериментальный подбор

*Таблица адаптирована из  материалов Методического пособия по приготовлению бетонных смесей компании группы компаний «Мастек», г. Златоуст. При использовании химических добавок следует иметь в виду, что улучшение одного из свойств бетона, может привести к ухудшению другого. К тому же с помощью химических добавок невозможно улучшить исходное качество бетонной смеси, при использовании некачественных компонентов или при нарушениях технологических процессов.


Смотрите также