Есть мнение Сухие смеси Комплексные добавки в производстве цементных растворов и бетонов

Комплексные добавки в производстве цементных растворов и бетонов

О.В. ТАРАКАНОВ, доктор техн. наук; профессор, заведующий кафедрой "Земельный и городской кадастры"; декан факультета "Управление территориями"; Т.В. ПРОНИНА, аспирант кафедры "Земельный и городской кадастры"; Е.О. ТАРАКАНОВА, студентка Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

Ученые пензенского университета доказывают, что комплексные добавки и модификаторы направленно воздействуют на химические и физические процессы, происходящие как на молекулярном уровне, так и на стадии формирования макроструктуры цементных материалов.

Современный бетон - это композиционный строительный материал, приготовляемый на основе минеральных вяжущих веществ, заполнителей, микронаполнителей и модификаторов различного функционального назначения.

Применение современных методов исследований процессов, происходящих в модифицированных цементных системах, и новых технологий в практике строительного материаловедения позволяет получать материалы с заданными свойствами, управлять процессами гидратации и твердения на всех уровнях формирования структуры композиционных строительных материалов. При этом химические добавки и модификаторы выполняют одну из основных задач - направленно воздействуют на химические и физические процессы как на молекулярном уровне, так и на стадии формирования макроструктуры цементных материалов.

Наиболее широко в производстве растворов и бетонов применяются пластифицирующие добавки, гипер- и суперпластификаторы, регуляторы схватывания и твердения, добавки воздухововлекающие, пори-зующие, повышающие долговечность цементных материалов, придающие им специальные свойства, а также комплексные полифункциональные модификаторы. Значительно увеличивается выпуск высокопрочных многокомпонентных бетонов нового поколения, в составе которых наряду с традиционными материалами используются ультрадисперсные микронаполнители различной химической природы и свойств, позволяющие совместно с гипер- и суперпластификаторами получать высокотехнологичные бетонные смеси с низким В/Т и высокопрочные бетоны, обладающие уникальными свойствами и высокой долговечностью.

Производство химических добавок постепенно выделяется в самостоятельную и интенсивно развивающуюся отрасль промышленности строительных материалов. В настоящее время в России количество модифицированных бетонов составляет 60-70% от общего выпуска, и надо полагать, что в недалеком будущем многокомпонентные бетоны с полифункциональными химическими добавками, микро- и макронаполнителями станут традиционными.

Комплексные добавки различного функционального назначения широко используются для улучшения ряда основных физико-технических свойств и долговечности растворов и бетонов. Как правило, они обладают полифункциональностью действия, т.е. способностью влиять сразу на несколько характеристик, часто не связанных друг с другом. С их помощью создается возможность существенно усилить эффект, достигаемый при введении однокомпонентной добавки. Например, при совместном введении в бетонную смесь поверхностно-активных веществ (ПАВ) и электролитов удается получить более пластичные смеси и бетоны повышенной прочности. При введении комплексных добавок резко уменьшается или полностью устраняется нежелательное побочное действие каждой из составляющих. Так, ПАВ, вводимые в бетон даже в незначительном количестве (0,2-0,5%), уменьшая водопотребность смесей, одновременно замедляют процессы гидра-тационного твердения вяжущих, а применение комплексных добавок ПАВ и электролитов исключает этот факт. Кроме того, ПАВ устраняют нежелательное действие электролитов - увеличение гигроскопичности бетонов. В ряде случаев с помощью добавок удается добиться большой универсальности их действия, под которым понимается практическая независимость получаемого эффекта от химико-минералогического состава цемента.

Комплексные органоминеральные добавки позволяют эффективно использовать гидравлическую активность минеральных компонентов и одновременно сокращать количество воды затворения (для водопонижающих комплексных смесей) либо улучшить другие физико-механические характеристики бетона и его долговечность.

В современной технологии бетона для улучшения свойств цементных систем и получения высококачественных растворов и бетонов в большинстве случаев применяют комплексные добавки. В зависимости от достигаемых технологических и физико-механических свойств растворов и бетонов комплексные добавки условно разделены на пять групп: 1 - смеси ПАВ; 2 -смеси ПАВ и электролитов; 3 - смеси электролитов; 4 - комплексные добавки на основе суперпластификаторов; 5 - многокомплексные добавки полифункционального действия.

К комплексным добавкам 1 группы относятся смеси диспергирующих добавок и гидрофобизирующихвоздухововлекающих или гидрофобизирующих газообразующих и др. Подобные комплексные добавки являются эффективными пластификаторами растворных и бетонных смесей, изготовляемых на цементах различного химико-минералогического состава. Одновременно с высоким пластифицирующим эффектом комплексные добавки 1 группы изменяют структуру и основные свойства растворов и бетонов в нужном направлении. Применение добавок позволяет в 2-3 раза увеличить морозостойкость бетона, на 1-2 марки возрастают водонепроницаемость и коррозионная стойкость.

Следует отметить, что комплексные добавки 1 группы вследствие активного протекания адсорбционных процессов замедляют гидратацию и твердение цементных растворов и бетонов. Этот фактор необходимо учитывать при изготовлении бетонных и железобетонных конструкций, подвергаемых тепловлажностной обработке (ТВО). Время предварительного выдерживания бетона до начала ТВО должно составлять не менее 2-3 ч, а скорость подъема температуры не должна превышать 15-20 °С/ч. Для бетонов на обычных портланд-цементах продолжительность тепловой обработки должна составлять не менее 10-13 ч, а для бетонов на шлако- и пуццола-новых цементах - не менее 13-1 5 ч.

Перспективным'направлением в технологии бетонов является применение комплексных пластифицирующе-стабилизи-рующих добавок, которые позволяют получать растворные и бетонные смеси с повышенной связностью, обладающие водо-удерживающей способностью и нерассла-иваемостью.

Комплексные добавки 2 группы, представляющие собой смеси ПАВ и электролитов, позволяют регулировать подвижность растворных и бетонных смесей и улучшать структурно-механические свойства цементных материалов за счет активации процессов гидратации и твердения в присутствии электролитов.

Комбинируя содержание электролитов и гидрофилизирующих ПАВ с учетом химико-минералогического состава цемента и условий твердения, можно эффективно использовать их в условиях нормального твердения, при тепловлажностной обработке, а также при зимнем бетонировании.

Достаточно продолжительный период низких положительных и отрицательных температур в России значительно сдерживает темпы строительства и отделки зданий вследствие снижения интенсивности твердения растворов и бетонов, что приводит к увеличению материальных и энергетических затрат для создания необходимых температурных условий твердения.

Анализ закономерностей твердения цементных материалов в условиях отрицательных температур и механизма действия ускоряющих, противоморозных и комплексных добавок в сочетании с микронаполнителями позволяет эффективно обеспечивать безобогревное твердение бетонов, строительных растворов и бетонов на морозе. Введение противоморозных добавок - самой простой из технологических приемов, позволяющих обеспечивать твердение растворов и бетонов при отрицательных температурах.

Противоморозные добавки можно условно разделить на две группы:

В отдельных случаях могут использоваться вещества со слабыми антифризными свойствами, но относящиеся к сильным ускорителям схватывания и твердения, одновременно вызывающие сильное тепловыделение на ранней стадии твердения цементных растворов и бетонов. К таким добавкам относятся, например, сульфаты трехвалентного железа и алюминия.

В последние годы на рынке химических добавок появились комплексные противоморозные смеси, в состав которых наряду с противоморозными компонентами входят умеренные пластификаторы и суперпластификаторы (лигнопан Б-4, криопласт СП 15-1.СП 15-2 идр.).

Следует отметить, что большинство новых добавок рекомендуется к применению в качестве противоморозных в период приготовления, транспортирования и укладки раствора (бетона) и до начала активной тепловой обработки конструкций. В рекомендациях по применению подобных добавок указываются дозировки не более 3-4 % по массе цемента при температуре наружного воздуха до-1 5...-18 "С. Очевидно, что в соответствии с законом Рауля такое количество добавок даже сильных электролитов не позволит обеспечить незамерзающую жидкую фазу раствора при низких отрицательных температурах, что может оказать негативное влияние на прочность бетона. Поэтому в подобных случаях противоморозные добавки лучше применять только совместно с другими методами зимнего бетонирования (термос, электропрогрев и т. д.).

Еще одним негативным фактором применения комплексных добавок на основе электролитов и пластификаторов является то, что при повышенных дозировках добавок пластифицирующие компоненты, практически не понижающие температуру замерзания жидкой фазы растворных и бетонных смесей, вследствие большой молекулярной массы и низкой моляльности раствора (жидкой фазы) значительно замедляют процессы гидратации и твердения цементных систем на морозе. При этом электролиты, присутствующие в комплексной смеси в малом количестве, не могут обеспечить достаточно высокие темпы твердения в условиях низких отрицательных температур.

Следствием подобной несбалансированности дозировок компонентов добавок в составе комплексной смеси может стать замораживание раствора (бетона) в состоянии низкой прочности, что негативно отражается на кинетике последующего твердения и долговечности конструкций и покрытий.

Наиболее рационально раздельное применение водоредуцирующих и противоморозных добавок в растворах и бетонах в зависимости от температурных условий твердения, достижения требуемой пластичности смесей и обеспечения заданного темпа набора прочности.

Применение химических добавок в технологии производства растворов и бетонов, твердеющих на морозе, - один из наиболее широко распространенных методов обеспечения безобогревного твердения цементных материалов при отрицательных температурах, поскольку модификаторы различных классов позволяют не только изменять температуру замерзания жидкой фазы, но и направленно воздействовать на формирование структуры и прочности растворов и бетонов.

При введении добавок, увеличивающих морозостойкость, используют гидрофоби-зацию порового пространства бетона и образование в нем условно-замкнутых, демп -фирующих газовых полостей за счет поверхностно-активной составляющей при одновременном снижении давления пара и, соответственно, температуры замерзания по-ровой жидкости, а также уменьшения микропористости бетона за счет введения электролитов. Это способствует получению бетонов высокой морозостойкости.

Для повышения морозостойкости бетона применяются комплексные смеси на основе суперпластификаторов, воздухо-вовлекающих добавок и ускорителей твердения.

При правильно подобранных дозировках электролитов и ПАВ сначала удается использовать пластифицирующий эффект последних, а затем обеспечить высокий темп роста прочности бетонов. Известно, что ПАВ, адсорбируясь на зернах цемента, препятствуют их гидратации. Поэтому прочность образцов с добавками ПАВ, как правило, ниже прочности эталонных образцов без добавок, потому что продукты гидратации цемента оказываются экранированными адсорбционными пленками. Использование электролитов в качестве второго компонента комплексных добавок позволяет активизировать процессы гидратации и твердения вяжущих вследствие уменьшения ими критической концентрации мицеллообразования ("высаливающий" эффект электролитов), а также снижать проницаемость адсорбционных пленок. Кроме того, совместное введение в бетонные смеси ПАВ и электролитов улучшает структурно-механические свойства цементного камня, способствует снятию внутренних напряжений (например, термических при тепловлажностной обработке бетона) и, в конечном счете, повышает его прочностные и деформативные характеристики, а также морозостойкость.