Химические добавки для бетона

Каждый год в мире изготавливается около 1 тонны бетона на человека. Немыслимые объемы бетонной смеси каждую секунду производятся вне зависимости от погоды и сложности территории строительства.

Но этот строительный материал не был бы таким популярным, если бы не мог подстраиваться под суровые условия современных строительных площадок.

Его изначальная рецептура, по которой строили храмы и театры еще во времена Римской Империи, уже не используется. Почему же?

Со временем бетонные конструкции изнашиваются. Чем суровее условия эксплуатации, тем быстрее происходит разрушение. В северных городах – из-за частого цикла замораживания-оттаивания, на гидротехнических объектах – из-за процесса выщелачивания.

Бетон – многокомпонентный раствор с разными по размеру и свойствам ингредиентами. Поэтому, каким бы образом не происходило замешивание, из составляющих не получится создать равнодисперсную бетонную смесь. Все инертные и активные материалы реагируют по разному на эксплуатацию, климатические воздействия, которые разрушают химическую связь между ними.

И вы знаете, как исправляют недостатки качества бетона – специальными добавками, которые повышают необходимые характеристики смеси в зависимости от условий строительства.

По происхождению существуют два вида добавок:

• химические
• минеральные

Подробно мы разберем именно химические добавки, ведь они используются намного чаще в бетонном растворе.

Химические добавки используются в смеси непосредственно перед или во время смешивания. Производители применяют химвещества в первую очередь:

• для удешевления бетонных конструкций
• модифицировать свойства затвердевшего материала
• обеспечение качества раствора при смешивании, транспортировке, укладке и затвердевании

Но даже когда вы применяете химические вещества в бетонной смеси, необходимо следить за несколькими факторами. Иначе добавки не будут так эффективны. К примеру, нужно учитывать:

1. тип и количество цемента
2. содержание воды
3. время смешивания, осадка бетона
4. температура воздуха

Все химические примеси классифицируются по функциям и конкретным качествам, которые они придают бетонному раствору. 

Всего есть 5 видов:

• воздухововлекающие
• водоредуцирующие
• замедляющие
• ускоряющие
• пластификаторы или же суперпластификаторы

Воздухововлекающие добавки

Из самого названия уже понятно воздействие и функция вещества. Воздухововлекающие добавки ускоряют образование микроскопических пузырьков воздуха внутрь бетона во время смешивания. Действие вовлеченного воздуха заключается либо в снижении водопотребности смеси при постоянной удобоукладываемости, либо в увеличении удобоукладываемости при постоянном водоцементном соотношении.

Зачем ее используют?

В холодном климате вода в капиллярах бетона замерзает и расширяется, когда температура сильно снижается. Лед оказывает давление на затвердевший бетон и вызывает растрескивание, если предел прочности бетона на растяжение превышен. Вовлеченные воздушные поры, расположенные внутри бетонной структуры, обеспечивают место для движения замерзающей и расширяющейся воды, что снижает давление и тем самым предотвращает растрескивание.

Но почему в структуре бетона не хватает уже содержащегося там воздуха?

Во всех бетонах присутствуют воздушные пустоты, которые по размерам больше 0,1 мм и менее полезные, чем вовлеченные воздушные поры.

С помощью этой добавки в бетонной смеси образуются микроскопические поры с воздухом. Пузырьки имеют сферическую форму диаметром от 0,01 до 1 мм. Подобный размер помогает пустотам лучше распределяться по всему объему раствора. А значит обеспечивает свободное перемещение воды из капилляр в воздушные поры, чтобы расшириться и сбросить давление в структуре бетона.

В итоге, химическая добавка повышает устойчивость материала к циклу замораживания-оттаивания и образованию накипи, вызванной противогололедными химикатами, а также улучшают удобоукладываемость бетонного раствора.

Осадка конуса бетонной смеси без добавки, дюйма	Осадка конуса бетонной смеси с добавками, дюйма	при воздухосодержании,  %
0,7- 1,5	0,4-1,2	1-2
1,5-2,5	1,2-1,5	2-4
2,5-8	1,5-2,5	3-5
3-4	2,5-3	4-6
4-4,7	3-4	5-7

Стоит заметить, что каждая добавка может не только повышать конкретные характеристики, но и ухудшать другие качества бетонной смеси.

Например, воздухововлечение снижает прочность бетонной конструкции. Как правило, увеличение содержания воздуха в бетоне на 1% снижает прочность на сжатие, а через 28 дней – примерно на 3-5%.  Также, если содержание цемента в смеси превышает примерно 350 кг/м3, то вовлечение воздуха будет затруднено и необходимо увеличивать объем воздухововлекающего химического вещества

Водоредуцирующие добавки

Подобное химическое вещество снижает необходимое содержание воды в бетонной смеси примерно на 5-10%. При применении водоредуцирующего вещества смесь может иметь более низкое водоцементное отношение. Обычно это указывает на то, что более прочный бетон может быть получен без увеличения количества цемента.

Водоредуцирующие добавки делятся на три группы: низко-, средне- и сильнодействующие. Эти группы основаны на диапазоне сокращения воды в примеси. Процент уменьшения количества воды зависит от уже добавленной в смесь жидкости, необходимой для получения заданной осадки.

Зачем ее применяют?

Удобоукладываемость является важным свойством бетона, которое улучшается при добавлении воды, но если воды добавляется больше, чем необходимо, это повлияет на прочностные и долговечные свойства бетона. Поэтому после того, как бетон провибрировали, необходимо удалить жидкость, пока раствор не затвердел. Иначе излишняя жидкость, которая была необходима для удобоукладываемости, испариться и оставит после себя поры в затвердевшей конструкции. Именно эти пустоты снижают прочность и ведут к постепенному разрушению. Применение водоредуцирующей добавки сокращает содержание жидкости в ходе набора прочности, что позволяет избежать образование пустот в структуре бетона.

Также водоредуцирующие вещества:

• улучшают прочность бетона
• повышают сцепление между бетоном и сталью
• предотвращают растрескивание и сегрегацию

Водоредуцирующие добавки в первую очередь используются для снижения водоцементного содержания бетона, повышая тем самым его прочность. В некоторых случаях их можно использовать для повышения удобоукладываемости или осадки бетона, что облегчает его укладку.

Средние водопонижающие добавки были разработаны для увеличения осадки по сравнению с диапазоном, доступным с обычными водопонижающими добавками, без чрезмерного замедления, которое, как известно, происходит. Недавние достижения в технологии добавок привели к разработке понизителей воды среднего класса. Эти добавки снижают содержание воды не менее чем на 8 процентов и имеют тенденцию быть более стабильными в более широком диапазоне температур. Водоредукторы среднего диапазона обеспечивают более стабильное время схватывания, чем стандартные вещества этого класса.

Высокоэффективные понизители воды, обычно называемые суперпластификаторами, были разработаны для применения в высокопрочных бетонах с высокими эксплуатационными характеристиками.

Замедляющие добавки

Подобные химические вещества замедляют скорость схватывания бетона. Они используются для противодействия ускоряющему эффекту жаркой погоды на схватывание бетона.

Для чего ее используют?

Высокие температуры часто вызывают повышенную скорость затвердевания бетонной смеси, что затрудняет укладку и отделку бетона. Быстрый набор прочности в некоторых ситуациях может привести к разрывам в конструкции и отсутствием связи между поверхностями бетонных конструкций. Например, когда разные секции одного объекта бетонируют с задержкой во времени. Из-за этого образуются пустоты в бетоне, что приводит к постепенному разрушению сооружения. Поэтому добавка почти всегда используется в областях с высокими температурами, где бетон быстро затвердевает.

Замедлители сохраняют работоспособность бетона во время укладки, задерживают начальное схватывание раствора и тормозят процесс гидратации. Поэтому данную добавку часто применяют в производстве смеси на стационарных бетонных заводах, чтобы увеличить срок жизни раствора.

Как работает?

Добавки пролонгированного действия используются для задержки гидратации на многие часы или даже дни. Обычно это двухкомпонентное вещество, состоящее из:

• стабилизатора, замедляющего схватывание бетона
• ускорителя, преодолевающего процесс замедления

Вещество существенно замедляет раннюю гидратацию, уменьшая скорость реакции трехкальциевого силиката с водой. Кроме того, добавка замедляет рост кристаллов гидроксида кальция.

Обе реакции развивают характеристики раннего схватывания и набора прочности пасты. Эффект сохраняется до тех пор, пока добавка не включится в гидратированный материал, тем самым удаляя его из раствора и позволяя произойти первоначальному схватыванию. Продолжительность замедления зависит от дозы и химического состава замедлителя, состава цемента, температуры и времени его добавления в смесь.

Бетон обычно достигает первоначального схватывания только через несколько часов после реакции с добавкой.

Применение

• Замедлители чаще всего используются для укладки бетона в жарком климате, когда ожидается длительное время в пути или, в экстренных случаях, когда укладка задерживается.
• Они также применяется при монолитной заливке бетона, чтобы предотвратить холодные швы.
• В производстве сборных железобетонных изделий замедлители схватывания также используются в качестве замедлителей схватывания поверхности.

Замедлители схватывания поверхности используются при изготовлении архитектурных сборных конструкций из заполнителя с открытым заполнителем. Их распыляют или накатывают на формы. Затем бетон заливают в формы. На следующий день цемент с замедленным схватыванием сбрасывается с поверхности бетона струей воды или счищается щеткой, в результате чего получается отделка с открытым заполнителем.

Ускоряющие добавки

В противовес замедляющим добавкам, данные вещества увеличивают скорость набора ранней прочности. Тем самым они сокращают время, необходимое для надлежащего твердения и защиты, ускоряют начало отделочных работ.

Для чего ее применяют?

При низких температурах реакция гидратации протекает намного медленнее. Следовательно, процесс набора прочности бетона также замедляется. Чем холоднее, тем медленнее затвердевает конструкция. Так как вода кристаллизуется и не вступает в реакцию с цементом, в дальнейшем готовая конструкция будет подвержена быстрому разрушению при циклах замораживания-оттаивания.

Предварительное затвердевание бетона полезно в ряде ситуаций таких, как: раннее снятие опалубки, более короткий период схватывания, аварийный ремонт и для зданий в регионах с низкими температурами и т. д.

Как они работают?

Эти добавки увеличивают скорость гидратации цемента. В частности, они ускоряют взаимодействие трехкальциевого силиката с водой, тем самым увеличивая раннюю прочность.

Есть два типа ускорителей:

• быстрые

Позволяют бетону затвердевать за считанные минуты. Используются при торкретировании, ремонтных работах против гидростатического давления или в случаях, когда требуется очень быстрое схватывание. Они обычно не применяются при производстве бетонной смеси для сборного железобетона.

• Стандартные

Стандартные или обычные ускорители используются для ускорения строительства в условиях бетонирования при низких температурах; однако важно отметить, что они не являются морозостойкой добавкой.

Также ускорители для бетона делят по происхождению:

• растворимые неорганические соли
• растворимые органические соединения
• твердые материалы

Хлорид кальция, растворимая неорганическая соль, является одним из наиболее часто используемых ускорителей, поскольку он эффективный и недорогой.

Однако будьте осторожны – в бетоне, содержащем арматурную сталь, добавка может вызвать хлоридную коррозию. Хлорид кальция также может обесцветить бетон, но повлияет это только на эстетический вид.

Как замедлители, так и ускорители, по-видимому, оказывают незначительное влияние на вовлечение воздуха. Однако при включении реагентов, снижающих содержание воды, таких как лигносульфонаты, может быть вовлечено некоторое количество воздуха.

Некоторыми смесями ускорителей являются триэтаноламин, формиат кальция, активный кремнезем, хлорид кальция, тонкоизмельченный силикагель. Хлорид кальция является недорогой и широко используемой смесью ускорителей.

Ускоряющие добавки увеличивают ранние прочностные характеристики бетона. Но прочность в более позднем сроке службы бетонной конструкции может быть снижена, по сравнению с тем же бетоном без ускорителя.

Подобные добавки также имеют тенденцию к увеличению скорости усадки и ползучести в раннем возрасте, но тесты показали, что конечные значения, по-видимому, не изменяются.

Пластификаторы и суперпластификаторы

Пластификаторы, также известные как сильнодействующие понизители содержания воды, снижают содержание воды на 12–30%. Они добавляются в бетон для получения текучего бетона с высоким уровнем усадки.

Для чего применяют?

Одна из характеристик бетонной смеси – удобоукладываемость. Иногда, чтобы повысить эту характеристику, в раствор добавляют большее количество воды, Из-за чего бетон легко заливается и растягивается по всей опалубке, но снижаются его прочностные характеристики.

Пластификаторы предотвращают проблему с недостаточной текучестью бетона. При добавлении данных веществ бетонная смесь становится пригодным для обработки раствором, который можно укладывать практически без вибрации или уплотнения.

С добавкой достигается более высокая прочность бетона за счет уменьшения водоцементного отношения при той же удобоукладываемости, что и у смеси без примесей. Или же – можно добиться той же удобоукладываемости за счет уменьшения содержания цемента и снижения теплоты гидратации в бетонной массе.

Как работает?

Портландцемент, находящийся в состоянии расслоения, имеет тенденцию к слипанию во влажном бетоне. Цемент захватывает определенное количество воды, используемой в смеси, и, таким образом, вода не может растворить порошок и не делает смесь более текучей.

Когда добавляется пластификатор, то он поглощается хлопьями цемента. Химическое вещество поглощает слипшиеся хлопья и создает между мельчайшими частицами порошка и воды силу отталкивания, которая превосходит силы притяжения.

Тем самым молекулы пластификатора заставляют частицы цемента разъединяться и диспергироваться. Поэтому вода, попавшая внутрь хлопьев, высвобождается и теперь доступна для разжижения смеси. Из-за мощного воздействия на бетонную смесь дозировка может быть ограничена от 0,5 до 3% от массы цемента.

Также сама реакция вещества и длительность составляет всего  30-60 минут, в зависимости от марки и дозировки, и сопровождается быстрой потерей удобоукладываемости.

Обычно в качестве пластификаторов используются следующие вещества:

• Лигносульфаты и их производные и модификации, соли сульфонатов углеводородов
• Полигликолевые эфиры, кислоты гидроксилированных карбоновых кислот и их производные и модификации
• углеводороды

Из этих материалов наиболее популярны лигносульфаты натрия, кальция и аммония. Количество используемых пластификаторов варьируется от 0,1% до 0,4% от массы цемента. При постоянной удобоукладываемости ожидается снижение воды затворения при использовании 0,1-0,4% пластификатора с 5% до 15%, что, естественно, повышает прочность. При одинаковом водоцементном отношении повышение удобоукладываемости может составлять от 11 line до 60 line осадки в зависимости от начальной осадки бетона, марки цемента, содержания цемента и дозы пластификатора.

Пластификатор обеспечивает текучесть бетона или строительного раствора, чем воздухововлекающая добавка. Однако некоторые пластификаторы также захватывают воздух наряду с улучшением удобоукладываемости. Пластификатор не должен вовлекать воздух в бетон более чем на 1-2%, так как вовлечение воздуха снижает прочность бетона.

Основные принципы, лежащие в основе улучшения удобоукладываемости обычных пластифицирующих добавок, применимы и к суперпластификаторам, но в гораздо большем масштабе. Проще говоря, частицы примеси заряжены отрицательно и адсорбируются на поверхности частиц гидратирующего цемента, которые также становятся отрицательно заряженными. Поскольку отрицательно заряженные частицы отталкиваются друг от друга, частицы цемента диспергируются, что значительно повышает удобоукладываемость.