Современные химические добавки к бетону

В Великобритании в течение истекших 15 - 20 лет объем применения химических добавок в бетоне непрерывно увеличивался, и в настоящее время более 75 % объема товарного бетона и бетона, приготовляемого на строительной площадке, а также бетона, используемого при производстве сборных изделий, содержит эти добавки. Общий объем сбыта химических добавок в стране в указанный период удвоился, причем наиболее значительно увеличился объем сбыта суперпластификаторов и других добавок специального назначения, однако доминирующее положение сохранялось за обычными пластифицирующими добавками .

В Великобритании объемы применения суперпластификаторов и обычных пластифицирующих добавок различаются меньше по сравнению с другими странами Европы. Это, по-видимому, объясняется тем фактом, что в Великобритании еще сохраняется тенденция к установлению нормативной осадки конуса бетонных смесей 50 - 75 мм, что не соответствует требованиям современных стандартов, так как смеси с такой осадкой конуса характеризуются недостаточной удобоукладываемостью. В 2007 г. в Великобритании на долю бетона, содержащего суперпластификаторы, приходилось 36 % общего объема использованного бетона. В других странах Европы этот показатель был равен в среднем 56 %, при этом в Швеции, Швейцарии и Италии он превысил 90 %.

Свойства и применение химических добавок к бетону определены в 18-м техническом отчете "Руководство по выбору химических добавок к бетону" Общества бетона Великобритании, опубликованном в 2005 г. В отчете указаны следующие основные направления использования химических добавок к бетону:

повышение экономичности бетона за счет оптимизации его состава;

улучшение удобоукладываемости бетона за счет приготовления бетонных смесей соответствующей консистенции и уплотняемости, а также за счет развития процесса твердения бетона;

приготовление бетона, свойства которого соответствуют специальным требованиям к его укладке или эксплуатационным показателям;

повышение долговечности бетона;

улучшение экологических свойств бетона в результате снижения его воздействия на здоровье людей и окружающую среду при укладке бетона и в течение его жизненного цикла.

Свойства и применение химических добавок определяются национальными или европейскими стандартами. В частности, ранее действовавший стандарт Великобритании BS 5075, распространявшийся на добавки к бетону, заменен гармонизированным европейским стандартом BS EN 934-2, который охватывает пластифицирующие добавки, суперпластификаторы, замедлители и ускорители твердения бетона, воздухововлекающие добавки, добавки, снижающие водопотребность бетона, добавки, повышающие его водостойкость.

Стандарт Великобритании BS 4887 на добавки строительным растворам заменен гармонизированным европейским стандартом BS EN 934-3.

Стандарт BS EN 934 к настоящему времени дополнен двумя частями. Часть 4 опубликована и распространяется на добавки к предварительно напрягаемым растворам. Часть 5, распространяющуюся на добавки к торкретбетону, предполагалось опубликовать в 2009 г.

Указанные стандарты охватывают не все добавки, поэтому в настоящее время Ассоциацией добавок к цементу (Cement Admixture Association) совместно с Британским институтом стандартов разрабатывается новый стандарт BS 8443, который будет распространяться на следующие добавки: добавки, предназначенные для подводного бетонирования; добавки, снижающие усадку бетона; добавки-ингибиторы коррозии металлической арматуры в бетоне; добавки, облегчающие подачу бетонных смесей насосом; добавки, снижающие расслаиваемость бетонных смесей; вспенивающие и некоторые другие добавки.

Химические добавки обычно поставляются в виде растворов, что способствует их равномерному распределению в бетоне.

Количество добавок, как правило, составляет 0,2 - 2 % по массе цемента.

По воздействию на свойства бетонов и растворов добавки могут быть подразделены на следующие основные группы.

1. Диспергирующие добавки, включающие примерно 75 % всех применяемых химических добавок. Эти добавки адсорбируются на поверхности частиц цемента, что приводит к образованию дисперсии, которая повышает эффективность взаимодействия цемента с водой, в результате чего бетонная смесь становится более жидкой (при любом заданном расходе воды). В зависимости от степени воздействия добавки такой эффект носит название пластифицирующего или суперпластифицирующего.

Если повышения текучести бетонной смеси не требуется, расход воды может быть уменьшен, то есть может быть понижено В/Ц бетона, вследствие чего возрастают прочность и долговечность бетона. Расход воды может быть сокращен на 12 - 14 % при сохранении необходимой консистенции бетонной смеси. Возможно также одновременное сокращение расхода воды и цемента при сохранении заданной прочности бетона; при этом снижается стоимость бетона и улучшаются его экологические свойства. Соответствующий подбор количества применяемых добавок позволяет усилить указанные эффекты.

2. Добавки-регуляторы сроков схватывания и твердения бетона. Эти добавки влияют на процесс гидратации цемента, вызывая его ускорение или замедление. Они поглощаются поверхностным слоем гидратирующихся частиц цемента; при этом они блокируют процесс гидратации отдельных фаз цемента (замедление твердения) или способствуют его развитию (ускорение твердения). Некоторые добавки могут также воздействовать на растворимые фазы цемента.

3. Воздухововлекающие добавки, предназначенные для введения в бетон мелких воздушных пузырьков, что дает возможность улучшить когезионные свойства бетонных смесей, а также повысить морозостойкость бетона.

4. Добавки, предназначенные для модифицирования (увеличения или снижения) вязкости бетонных смесей. Они повышают когезионные свойства бетонных смесей и снижают их расслаиваемость. Такие добавки используются в бетоне, подаваемом к месту укладки насосами, при подводном бетонировании, а также для снижения расслаиваемости самоуплотняющегося бетона.

5. Добавки специального назначения, вводимые в бетон для придания ему специфических свойств, и включающие добавки, снижающие усадочные деформации бетона, ингибиторы коррозии арматуры в бетоне, добавки, придающие бетону водостойкость.

Пластифицирующие добавки и добавки, снижающие водопотребность бетона, обычно получаются на основе очищенных лигносульфонатов - отходов целлюлозно-бумажной промышленности. Эффективное количество добавок, вводимых в бетон, составляет 0,3 - 0,5 % по массе цемента, что дает возможность сократить расход воды примерно на 12 %. При большем количестве добавок наблюдаются побочные эффекты, например воздухововлечение и замедление твердения бетона. Возможность использования добавок в небольших количествах и их невысокая стоимость обусловливают их широкое применение. Снижение расхода воды, а также цемента при использовании пластифицирующих и водопонижающих добавок дает возможность оптимизировать состав бетонных смесей, одновременно понижая их стоимость и улучшая их экологические свойства.

Кроме того, применение пластифицирующих добавок позволяет получать бетонные смеси с высокой осадкой конуса. При относительно умеренных количествах этих добавок может быть приготовлен бетон с осадкой конуса 100 - 125 мм, что значительно облегчает его усадку и уплотнение.

Суперпластификаторы (высокоэффективные водопонижающие добавки) получаются на основе синтетических полимеров, например на основе продуктов конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида, и по сравнению с обычными пластифицирующими добавками характеризуются значительно большей эффективностью. Обычно количество вводимых в бетон суперпластификаторов составляет 0,7 - 1,5 % по массе цемента, что дает возможность уменьшить расход воды на 16 - 30 %.

К настоящему времени разработаны новые суперпластификаторы, получаемые на основе поликарбоксилатных эфиров. Они отличаются повышенной стоимостью, но могут вводиться в бетон в пониженных количествах. Их преимущество состоит в том, что они легко модифицируются, что дает возможность изменять свойства бетона в определенном направлении, в частности увеличивать время, в течение которого бетонные смеси сохраняют необходимую удобоукладываемость, повышать когезионные свойства смесей или увеличивать прочность бетона в раннем возрасте. Применение поликарбоксилатных суперпластификаторов способствовало росту производства самоуплотняющегося бетона в странах Европы.

Суперпластификаторы часто используются для одновременного снижения водопотребности и повышения удобоукладываемости бетона. Их применение позволяет также значительно повысить прочность бетона в раннем возрасте (на 200 % и более в возрасте 16 ч), что существенно, например, при производстве изделий из сборного бетона. В присутствии суперпластификаторов прочность бетона в более позднем возрасте также увеличивается, а уменьшение В/Ц снижает водо - и хлоридпроницаемость бетона, а также замедляет процесс его карбонизации. Введение в бетон суперпластификаторов облегчает укладку и уплотнение уложенного бетона.

Применение в бетоне суперпластификаторов позволило сократить количество ускорителей твердения, которые в настоящее время используются в основном при укладке бетона при пониженных температурах (часто в сочетании с суперпластификатором). Наиболее эффективными ускорителями твердения остаются добавки на основе хлоридов, однако их не следует использовать в железобетоне, так как они способствуют развитию коррозии стальной арматуры.

Особую группу ускорителей твердения представляют добавки к торкретбетону, применение которых обеспечивает очень быстрое твердение бетона (часто за несколько секунд). Эти добавки отличаются высокой щелочностью, что создает опасность для людей при их использовании, однако в настоящее время имеются безопасные бесщелочные добавки.

Применение замедлителей твердения требуется при укладке бетона на отдельных участках с некоторыми интервалами времени, а также в жаркую погоду. Обычно эти добавки используются в сочетании с другими добавками, которые улучшают когезионные свойства и удобоукладываемость бетона. В настоящее время разработаны добавки-замедлители для строительных растворов, применение которых дает возможность сохранять необходимую консистенцию растворов в течение 36 ч.

Химические добавки вводятся в бетон в количествах, не превышающих 0,15 % по массе, поэтому их воздействием на

окружающую среду можно пренебречь. Однако если они используются для оптимизации прочностных свойств и удобоукладываемости бетона, анализ жизненного цикла бетона должен подтвердить улучшение его экологических свойств (особенно по отношению к энергозатратам и парниковому эффекту). К настоящему времени Европейской федерацией ассоциаций по химическим добавкам к бетону (European Federation of Concrete Admixture Associations-EFCA) выпущена декларация, распространяющаяся на основные типы химических добавок к бетону.