Модифицирующие добавки для бетона: виды, применение
Модифицирующие добавки для бетона — это химические продукты неорганического или органического происхождения, включаемые в состав смесей с целью повышения их физико-химических характеристик и придания конечных положительных свойств бетону, необходимых для получения строительных конструкций с высокими эксплуатационными характеристиками и в наиболее приемлемые сроки.
Назначение добавок очень разнообразно, а их ассортимент включает в себя более 800 разновидностей. Таким образом, выбор необходимых присадок для корректировки свойств изделий и повышения технологии изготовления железобетонных конструкций являет собой невероятно сложную задачу.
Для того чтобы правильно использовать те или иные лигатуры, применимо к конкретным требованиям и условиям производства, необходимо иметь осознанное представление о назначении, классификации и механизме действия модификаторов (см. видео в этой статье).
Виды модификаторов для повышения технологических свойств бетона
Наиболее изученные и свободно применяемые в нашей стране добавки (ГОСТ 24211-2003), в зависимости от основного получаемого эффекта действия, условно можно распределить на три группы:
- модификаторы, регулирующие характеристики готовых к применению смесей;
- добавки, изменяющие и повышающие основные свойства бетонов;
- химические лигатуры для придания бетонам специальных свойств.
Некоторые типы присадок обладают многофункциональным действием, например, воздухововлекающие, пластифицирующие, газообразующие и др. В этом случае модифицирующую добавку классифицируют с учетом наиболее выраженного эффекта действия.
Химические реагенты, вводимые в состав растворов — это эффективный метод прямого воздействия на архитектуру и физико-технические характеристики бетонов, позволяющий получить серьезный экономический эффект и высокие показатели качества готовых изделий:
- уменьшить расход вяжущих (до 12%) с одновременным увеличением прочности до 25%;
- повышенные технологические качества смесей (однородность, подвижность и др.);
- возможность регулирования скорости твердения и тепловыделения бетонного раствора;
- сокращение времени тепловлажностной обработки;
- твердение бетона без дополнительного прогрева в условиях низких температур (до -25°С);
- в 2–3 раза повысить морозостойкость изделий;
- на 1–2 марки повысить водонепроницаемость и прочность изделий;
- повысить сопротивление конструкций к различным температурным и химическим воздействиям.
Из этого видео Вы узнаете, как модифицирующие добавки для бетона изменяют состав строительной смеси.
Присадки, регулирующие состояние бетонных смесей
В этой главе рассмотрим добавки, относящиеся непосредственно к улучшению качества смесей путем изменения их основных характеристик в процессе укладки в опалубку конструкций:
- пластификаторы;
- суперпластификаторы;
- стабилизирующие добавки;
- воздухововлекающие присадки.
Пластификаторы
Эффект разжижения, укладываемого в конструкцию бетона, получаемый в результате введения специальных модифицирующих лигатур называется пластификацией. Пластификаторы — это поверхностно-активные добавки представляющие собой жидкие суспензии или порошкообразные сухие смеси, которые при введении в раствор образуют нейтральные или слабощелочные соединения, регулирующие подвижность (удобоукладываемость) цементных бетонов.
Использование данных лигатур в производстве железобетонных конструкций позволяет упростить формование изделий за счет стабильного подвижного состояния применяемых составов. Помимо этого, сократить расход цемента, снизить водопотребность раствора и при этом увеличить плотность готового бетона.
К числу пластификаторов, которые дают возможность направленно регулировать характеристики цементных смесей относятся следующие добавки:
- Лингосульфонаты технические (сокращенно ЛСТ) представляют собой соединение солей натрия и лигносульфоновых кислот с добавлением различных минеральных субстанций.
- Сульфитно-дрожжевая бражка (сокращенно СДБ), получаемая из отходов целлюлозного производства.
- Синтетическая поверхностная активная добавка (СПД).
В стандартных тяжелых бетонах обычно используют пластификатор СДБ, хорошо повышающий подвижность смесей и позволяющий уменьшить расход цемента и водопотребность раствора на 8–12%. Поэтому, наиболее эффективно его использование при производстве конструкций с высоким проектным содержанием цемента.
Подсказки: применение добавки СДБ замедляет схватывание бетона и ее рекомендовано использовать только в сочетании с присадками, ускоряющими твердение растворов.
Суперпластификаторы
Первое место среди пластифицирующих добавок по праву занимают суперпластификаторы, относящиеся к разряду комплексных регуляторов состояния бетонных смесей.
- Суперпластификаторы, среди аналогичных реагентов, выделяются колоссальным эффектом разжижения цементных растворов без снижения параметров прочности при любых сроках испытаний.
- По своему составу — это синтетические полимерные присадки, которые не замедляют схватывание бетона. Расход СП обычно равен 0,1–1,2% от общего объема цемента.
- При использовании данных пластификаторов нужно учитывать, что действие СП ограничено 2–3 часами с момента их введения в бетонный раствор.
Основные виды СП представлены в таблице (см. фото).
Высокий эффект суперпластификаторов обусловлен их способностью образовывать на поверхностях зерен цемента и мелкозернистых заполнителей адсорбционных оболочек, уменьшающих внутреннее трение в структуре бетона.
Применение СП дает возможность широко применять бетонные смеси с низким водоцементным соотношением (В/Ц) при сооружении любых типов конструкций из монолитного железобетона классов прочности В15 и выше, при этом, используя простые технологические приемы, получить следующие преимущества:
- высокую прочность готовых изделий (60–80 МПа);
- возможность применения литьевого способа с краткосрочной вибрацией конструкций, при низком В/Ц, для производства сборного железобетона;
- благополучно заливать конструкции самого сложного профиля;
- повысить скорость формования изделий;
- снизить расход цемента;
- улучшить качество поверхности выпускаемых изделий;
- приготовление смесей на нестандартных заполнителях (мелкий песок);
- применение напрягающего цемента или расширяющих добавок при возведении монолитных конструкций;
- изготовление конструкций из жаростойкого бетона на портландцементе, глиноземистом цементе, шлакопортландцементе.
Эффект действия пластификаторов рассмотрим на примере наиболее распространенной добавки С–3 с прекрасными эксплуатационными характеристиками в соотношении цена–качество.
Пластифицирующая присадка С–3 вводится в смесь в форме водной суспензии необходимой концентрации. Состав используемого пластификатора выбирается потребителем с учетом проектных характеристик готового изделия. Эффективность действия добавки зависит от марки цемента и состава заполнителей.
Применение данного пластификатора позволяет получить следующие преимущества:
- увеличение подвижности бетона до П4–П5;
- улучшение пластичности (удобоукладываемости) в 1,5 раза;
- снижение В/Ц на 25%;
- повышает прочность конструкций на 25%;
- гидроизоляционные свойства W10 и более;
- морозостойкость F300;
- сцепление смесей с арматурным каркасом увеличивается в 1,6 раза.
Стабилизирующие добавки
Данный вид модификаторов — это минеральные или химические соединения, предотвращающие расслаиваемость бетонной смеси. Повышают ее однородность, водоудерживающую способность (проницаемость) и способствуют улучшению прохождения материала по трубопроводам.
- Бетон, изготавливаемый с применением стабилизирующих присадок, приобретает свойства самоуплотняющихся составов. Стабилизаторы снижают жесткость раствора, тем самым повышая степень его укладываемости.
- При введении в состав бетона стабилизирующей присадки, на поверхности цементных зерен формируется «микрогель», обеспечивающий создание «несущего каркаса» в цементном тесте и предотвращающий расслаивание раствора. Причем, эта конструкция позволяет заполнителям легко перемещаться, что не изменяет удобоукладываемости бетона.
- Такая технология позволяет укладывать смеси в густоармированные конструкции самой сложной конфигурации без использования вибраторов. Материал в период заливки самоуплотняется, выдавливая на поверхность излишки воды и вовлеченный воздух.
Из отечественных известных добавок — метилцеллюлоза водорастворимая. Представляет собой волокнистое белое вещество с легким желтоватым оттенком. Данное вещество позволяет легко регулировать плотность и реологические характеристики растворов, устраняет усадку и расслоение, повышает клеящую способность.
Все это дает возможность транспортировать смесь по трубопроводам с сохранением всех проектных требований. Может применяться с любым типом цемента, не оказывает влияния на сроки твердения и раннюю прочность.
Воздухововлекающие модифицирующие присадки
Воздухововлекающие добавки используются для вовлечения в цементную смесь установленного объема воздуха — с целью формирования в бетоне системы закрытых и равномерно разделенных по всему объему конструкции воздушных пор.
Использование воздухововлекающих лигатур позволяет:
- получать бетон высокой морозостойкости FЗОО и более;
- при необходимости, понизить плотность готовых изделий на 50-250 кг/м3;
- применять для приготовления легкого бетона крупнозернистый заполнитель высокой плотности или обычный кварцевый песок (взамен пористого);
- снизить расход пористых материалов, уменьшить водопотребность раствора, повысить теплофизические и деформационные свойства изделий;
- при малом содержании мелкозернистого заполнителя изготавливать изделия с монолитной однородной структурой;
- увеличивать подвижность бетонной смеси и тем самым, сокращать время формования изделий, увеличивать уплотнение смеси, снижать ее расслоение при доставке и укладке в формы;
- улучшать звуко- и теплоизоляционные характеристики изделий.
Весьма эффективным способом повышения морозостойкости конструкций является применение воздухововлекающих присадок. Для получения бетона с высокими морозостойкими свойствами необходимо, чтобы величина зазора между соседними пузырьками воздуха не была больше 0,025 см.
Поэтому, для соответствующего эффекта необходим не только запланированный объем воздуха, но и создание воздушных ячеек как можно меньшего размера.
Все эти условия, для повышения морозостойкости бетона, помогают осуществить воздухововлекающие составы.
Обычно в смеси с воздухововлекающими добавками пористая поверхность составляет 1000–2000 см2/см3, а размер самих пор — 0,005–0,1 см. При этом оптимальное количество вовлеченного воздуха должно быть 4–6% от общего объема цемента. Расход цемента может быть увеличен при снижении зернистости заполнителя.
Расчет состава бетона
Модификаторы для изменения основных характеристик бетонов
Следующая группа модифицирующих составов изменяет стандартные свойства бетонов:
- регуляторы твердения (замедлители, ускорители);
- регуляторы усадки и расширения;
- противоморозные добавки.
Регуляторы кинетики твердения
В зависимости от условий производства бетонных изделий, иногда возникает необходимость в удлинении или сокращении сроков твердения цементных композиций.
Необходимость в увеличении или уменьшении периода затвердевания бетонных растворов может возникать в следующих ситуациях:
- При производстве работ в жаркий период времени. В промежутке между разгрузкой и заливкой бетона, может происходить раннее схватывание цементного состава, влияющее на удобокладываемость смесей.
- При строительстве больших объектов — добавление замедлителей в сочетании с хорошей подвижностью растворов, может предотвратить формирование холодных швов при продолжительной заливке бетона.
- Снижение тепловыделения и предотвращение образования трещин в момент твердения бетона при строительстве гидротехнических сооружений достигается за счет введения замедляющих присадок.
Критерий, по которому можно определить, какие модификаторы относятся к группе замедлителей или ускорителей — это относительное падение или прирост прочности бетона в установленный промежуток времени.
Так, эффективность ускорителей твердения определяется увеличением прочности минимум на 20% в течении суток при нормальном схватывании. Эффективность замедлителей — это снижение показателя на 30% в продолжение 7 суток при нормальных условиях.
Замедлители
В принципе, все присадки пластификаторы, вводимые в бетонную смесь в завышенных дозировках, наряду с процессом пластификации приводят к замедлению твердения и уменьшению прочности бетона. Это обусловлено способностью пластифицирующих составов образовывать адсорбционные пленки вокруг зерен цемента, препятствующие прохождению нормальной гидратации.
В результате наблюдается замедление образования структуры цементного камня, а значит, и запаздывание кинетики аккумуляции прочности бетона.
К специальным веществам, помогающим замедлению процесса твердения, относят следующие известные материалы иностранного и отечественного производства:
- НТФ — Нитрилотриметиленфосфоновая кислота. Кристаллический порошок белого цвета, легко растворимый в воде. Отличается пластифицирующим действием, не способствует коррозии арматуры. Расход 0,02–0,15% от объема цемента.
- Молочная сыворотка — отходы молочного производства, представляющие собой жидкость желтоватого цвета, в структуру которой входят белок, жир и молочный сахар. Водится непосредственно в момент приготовления бетона в количестве 1,5–3,0% от массы цемента.
- Cementol Retarde — замедлитель-пластификатор иностранного производства (Словения). Добавляется в сухую бетонную смесь в виде предварительно приготовленного водного раствора. Рекомендуемый расход — 0,2–0,8 % от общего объема цемента.
Помимо рекомендуемых дозировок, указанных в главе, оптимальный расход добавок необходимо определять экспериментально в зависимости от проектных характеристик изделия.
Ускорители схватывания
Ускорители твердения, при добавлении в бетонную смесь, активируют процесс гидратации цемента и положительно влияют на формирование цементного камня. Эффект действия ускорителей схватывания характеризуется увеличением скорости твердения на 25% с повышением прочности бетона более чем на 20% в раннем возрасте при нормальных условиях.
В настоящее время в строительстве применяются следующие типы ускорителей процесса гидратации цемента:
- Карбонат кальция (поташ) — это порошок белого цвета, обладающий высокими щелочными характеристиками. Обеспечивает быстрое схватывание бетонного раствора с образованием крупнопористой структуры в готовом изделии. Расход присадки от 1,5–5% от массы цемента. Не рекомендуется применять в сочетании с кремнеземистыми заполнителями во избежание коррозии арматурного каркаса.
- Хлористый кальций (ХК) — ускоряет в 2 раза схватывание и набор прочности бетона. Например, введение 1% хлорида кальция повышает температуру раствора на 17°С. Не рекомендуется применять в производстве железобетона из-за ускорения коррозии армирующих деталей.
- Хлористый натрий (ХН). Сухой состав белого цвета, разводимый в воде. Оптимальный расход — до 4 % от массы цемента. При повышении расхода, может применяться в качестве противоморозной добавки. Хлористый натрий в обиходе — это поваренная соль, поэтому, при необходимости, смесь с такой добавкой доступно приготовить своими руками.
- АН (Алюминат натрия). Оптимальная дозировка — 3 % от общего объема цемента.
Применение ускорителей для легких пористых бетонов, подвергаемых автоклавной обработке, позволяет в 2 раза уменьшить время изотермического прогрева, и на 10–15% снизить расход цемента.
В этом видео рассказывается о том, как ускорить твердение бетона.
Регуляторы усадки и расширения
Суммарные причины усадки складываются из пластических изменений: трансформаций в результате обезвоживания смеси, усадочных явлений в результате гидратации и карбонизации цемента.
- Усадка от обезвоживания связана с быстрым высыханием бетона, и может длиться несколько месяцев. Влажностные изменения можно регулировать снижением водоцементного соотношения. С уменьшением количества свободной воды, в растворе снижаются значения усадки от высыхания.
- Низкие характеристики проницаемости также приводят к снижению скорости высушивания бетона. Усадка от обезвоживания еще может регулироваться технологически правильными способами ухода за твердеющим основанием.
- Химические усадочные процессы (гидратационные) являются результатом соединения цемента и воды в процессе гидратации и являются самыми проблемными в технологии производства сборного железобетона.
- Эта реакция происходит независимо от показателей влажности окружающей среды, и всецело определяется степенью химической реакции происходящей в результате гидратации цемента.
- Результативным методом снижения химической усадки является применение сульфоалюминатных расширяющих добавок. Механизм действия таких добавок основан на химической реакции образования эттрингита, увеличивающегося в объеме в процессе формирования структуры.
- Твердение цемента в этом случае сопровождается двумя этапами: на первом этапе — это химическая усадка, а на втором — расширение материала. Причем, эти процессы проходят параллельно, уменьшая при этом химическую усадку изделия.
Используя сульфоалюминатные расширяющие композиции, регулируя их количество и состав, можно активно воздействовать на объемные трансформации твердеющего бетона.
Наиболее эффективным средством против усадки является органоминеральная комплексная модифицирующая добавка — Calumex E.A, представляющая собой многокомпонентный продукт. Он содержит в своей структуре расширяющие инградиенты, способствующие предотвращению усадочных деформаций и созданию высокопрочных бетонов даже на основе сильно подвижных смесей.
Противоморозные добавки
Бетонирование при отрицательных температурах связано с рисками размораживания бетона. При температуре +5°С и ниже, влага, находящаяся в растворе, кристаллизуется и прекращается процесс гидратации цемента.
- Кроме того, вода при кристаллизации (замерзании) увеличивается в объеме, и при расширении разрывает существующие структурные связи, которые при оттаивании уже не восстанавливаются.
- Следовательно, к противоморозным присадкам относят химические вещества, препятствующие замерзанию воды в растворе, и продлевающие или сокращающие время гидратации цемента.
- Как упоминалось выше, в роли противоморозных добавок, при необходимой дозировке, могут выступать все виды ускорителей твердения бетона.
Помимо них, в зависимости от химических составляющих, различают еще два вида противоморозных добавок:
- Антифриз способствует снижению температуры кристаллизации воды, и одновременно продлевает время схватывания раствора. При этом данный вид химической присадки не влияет на формирование структуры.
- Противоморозные реагенты на основе сульфатов обеспечивают оптимальную скорость схватывания раствора. Эффект действия данных добавок выражается в обильном выделении тепла в момент соединения компонента с продуктами гидратации.
Обратите внимание! Подбор состава бетона с необходимыми добавками зависит от температуры воздуха и типа монолитной конструкции. Объем вводимых присадок увеличивается пропорционально снижению температуры.
Критерием выбора той или иной добавки служат результаты проведенных испытаний на коррозийное воздействие, образование высолов на поверхности конструкций, необходимая скорость схватывания раствора и прочностные эксплуатационные характеристики изделия.
Расчет состава бетона
Модификаторы специальных свойств бетонов
Для придания специальных свойств бетонным изделиям, в зависимости от эксплуатационных требований, существует ряд химических добавок в виде гидрофобизаторов и биоцидных присадок.
Гидрофобизирующие добавки
Гидрофобизаторы — это химические вещества, придающие оболочке капилляров в бетоне водоотталкивающие свойства. Эффект действия гидрофобных присадок объясняется тем, что они, участвуя в процессе гидратации цемента, осаждаются на стенках мелких капилляров, образуя гидрофобные оболочки c измененным углом смачивания, способствующим удалению излишков воды на поверхность материала.
В качестве основы для производства гидрофобизирующих составов, наиболее распространены кремнийорганические композиции двух классов:
- Сухие или водные растворы кремнеорганических соединений.
- Нерастворимые в водной среде: силиконы, силаны, силоксаны.
Многие зарубежные и отечественные специализированные предприятия предлагают готовые гидрофобизирующие смеси на основе вышеперечисленных материалов под различными обозначениями.
Например, кремнеорганическая добавка ГКЖ 136-41 позволяет улучшить следующие характеристики бетонных конструкций:
- в 5 раз увеличить морозостойкость;
- увеличить в 2 раза коррозийную стойкость;
- предотвращает появление высолов, плесени на поверхности изделий;
- на 30–40% сократить расход вяжущего;
- повысить водонепроницаемость;
- сократить сроки твердения на 20–50%;
Инструкция по использованию гидрофобизаторов рекомендует их применение в густоармированных тонкостенных конструкциях, для устройства полов, стен резервуаров и др.
Подсказки: содержание гидрофобизирующих присадок не должно превышать указанные в инструкции объемы, так как их ненормируемое применение может привести к снижению плотности и водостойкости покрытий.
Биоцидная защита
Для предотвращения развития бактерий, грибков и других микроорганизмов в жилых и общественных зданиях бетонные конструкции должны быть наделены биоцидными свойствами.
Бактерии в период своей жизнедеятельности вырабатывают органические кислоты, которые в сочетании с силикатными реагентами образуют кальциевые легкорастворимые соли. Плесень, откладываясь на загрязненном основании, выделяет кислоты (щавелевые, лимонные), которые в период эксплуатации конструкций также могут образовывать агрессивные соединения.
Все эти, и другие подобные образования способствуют увеличению карбонизации бетона, приводящей к его разрушению.
- Микроорганизмы могут энергично разрушать не только покрытия, но и арматурный каркас — путем образования азотнокислых соединений, влияющих на стойкость металлических изделий.
- Для защиты от биохимической коррозии, в структуру материала в момент приготовления вводят специализированные биоцидные добавки.
- Биоциды по своему агрегатному состоянию могут выпускаться в виде сухих растворов, жидкостей и газообразных соединений.
- Выбор необходимого действия добавки зависит от состава бетона и вида микроорганизмов. Биоцидные модифицирующие присадки должны характеризоваться высокой активностью, экологичностью, и не оказывать влияния на эксплуатационные свойства конструкций.
ГОСТ 24211 2003 добавки к бетону действует и на органику, и на неорганические модификаторы. Состав того или иного вида присадок, а так же возможность их применения, обычно определяется опытным путем — с параллельной проверкой образцов на растяжение–сжатие в соответствии с действующими нормативными документами.
