Комплексный прогноз значения добавок в бетонных технологиях

РЕФЕРАТ. Химические добавки уже давно известны благодаря роли, которую они играют в улучшении технических свойств бетона и строительных растворов. Оглядываясь на прошедшие десятилетия, можно сказать, что использование воздухововлекающих добавок и суперпластификаторов позволило расширить применение бетона в разнообразных областях. Химические добавки положительно влияют на различные характеристики бетонов, например увеличивают их прочность при сжатии и изгибе на всех этапах эксплуатации, повышают долговечность за счет снижения проницаемости. В статье приведен комплексный анализ многочисленных функций химических добавок с целью установить, какие возможности добавок, необходимые для приготовления, укладки и увеличения срока службы бетона, потребуются в будущем. Функциональные возможности следующего поколения химических добавок позволят использовать более широкий спектр заполнителей и цементозамещающих материалов и сделают более предсказуемыми свойства бетона в его пластичном и затвердевшем состоянии.

Ключевые слова: бетон, воздухововлекающие добавки, суперплас­тификаторы.

Keywords: concrete, air entraining agents, superplasticizers.

Введение

Еще до того как экологически рациональное и ресурсосберегающее развитие строительных бетонных технологий стало основной целью их разработчиков, использование химических добавок позволяло оптимизировать состав бетонных смесей и способствовало сокращению выбросов СО₂ [1]. Способность водоредуцирующих добавок улучшать удобоукладываемость бетонной смеси без изменения содержания воды и цемента или уменьшать содержание воды без существенного изменения удобоукладываемости была и остается наиболее востребованной функцией химических добавок. Кроме того, химические добавки, применяемые на протяжении последних десятилетий, положительно влияют на реологию и долговечность бетона, обеспечивают возможность использовать материалы не очень высокого качества как компоненты бетона [2].

Широкий спектр воздействия химических добавок на производство и эксплуатационные свойства бетонных смесей представлен ​​на рис. 1. С точки зрения рационального развития бетонных технологий химические добавки играют решающую роль в улучшении долговечности, минимизируя влияние многочисленных факторов, которые могут способствовать коррозии бетона в связи с физическими и химическими воздействиями. Химические добавки дают возможность производителям бетона с помощью широкого разнообразия подходов и спектра материалов достичь разнообразных проектных показателей. Подрядчики особенно выигрывают от улучшения укладки, схватывания и финишной отделки, обеспечиваемых химическими добавками. В целом химические добавки стали важным компонентом бетонных смесей, способствуя расширению рынка бетона за счет повышения экономичности, ресурсосбережения и качества бетонных технологий.

Рис. 1. Влияние химических добавок на бетонную индустрию

Разработка и внедрение новых добавок опережают возможности различных организаций, которые разрабатывают стандарты, содержащие рекомендации по применению добавок и технические требования к ним [3]. Например, ингибиторы коррозии были использованы в составе железобетонных конструкций задолго до того, как был официально утвержден стандарт ASTM C1582, регламентирующий применение этих добавок. Чтобы решить эту проблему, в классификацию химических добавок, приведенную в стандарте на химические добавки ASTM C494, был дополнительно введен специальный тип "S". Критерий качества добавок типа S предоставляет их потребителям сведения об ожидаемых эксплуатационных параметрах (сроках схватывания, прочности, линейных деформациях, морозостойкости) до момента, пока не разработан стандарт, регламентирующий использование новой добавки. Новые химические добавки, например соли лития (применяющиеся для регулирования щелоче-кремнеземных реакций), реологические и противоусадочные добавки, будут квалифицироваться как добавки типа S до того момента, пока на них не будут разработаны специальные стандарты.

Перспективным добавкам в бетон, которые могут уменьшить воздействие бетонных технологий на окружающую среду, автор данной статьи посвятил свой доклад на одной из конференций по развитию бетонной промышленности [4].

В данной работе обсуждаются новые инновационные добавки и методики, используемые в производстве бетона или находящиеся на стадии опытно-промышленных испытаний, в том числе:

• три способа применения обычных водопонижающих добавок и суперпластификаторов;

• совместное применение суперпластификаторов на основе поликарбоксилатов с ускорителями гидратации и твердения бетона на основе солей кальция, приводящее к синергетическому эффекту;

• химические добавки для повышения качества песка;

• добавки, снижающие негативные последствия от присутствия углистых частиц в золах.

Обсуждение новых разработок

Три направления использования суперпластификаторов. Широкую известность получили преимущества добавок, позволяющих существенно сократить водопотребность (также известных как суперпластификаторы) и вместе с тем повышающих качество перемешивания, укладки, уплотнения и отделки бетонных смесей и, соответ­ственно, прочность и долговечность бетонов. Суперпластификаторы используются для уменьшения водопотребности при сохранении удобоукладываемости бетонных смесей или для придания малоподвижным бетонным смесям подвижной либо литой консистенции. Уменьшение соотношения В/Ц сопровождается уплотнением цементного теста, улучшением его адгезии к заполнителям, что, в свою очередь, увеличивает скорость твердения бетона и повышает его устойчивость к факторам коррозии [5]. Безусловно, возможность снизить водопотребность без значительного изменения удобоукладываемости бетонной смеси является наиболее распространенной причиной применения химических добавок. Составы и технические характеристики, приведенные в табл. 1, иллюстрируют эту и еще две причины применения суперпластификаторов. Их использование в данных целях стало возможным благодаря антикоагуляционному действию водопонижающих добавок. Коагуляция частиц цемента при затворении водой — обыч­ное явление для всех цементов, которое вызывается поверхностными электрическими зарядами, создающимися при измельчении клинкера. Вода частично оказывается связанной в агре­гатах из частиц цемента. Соответственно в отсутствие суперпластификатора для достижения высокой подвижности бетонной смеси требуется более высокое содержание воды или цементного теста, чем в его присутствии. Если количество воды затворения сократить в соответствии с тем, сколько ее может высвободиться при разрушении коагуляционных структур в результате действия суперпластификаторов, то это приведет к росту прочности и снижению проницаемости бетона. В присутствии плас­тифицирующих добавок имеется также возможность снизить содержание цементного теста при сохранении удобоукладываемости бетонной смеси и прочности получаемого бетона.

Повышенная прочность: эффект совместного присутствия добавок. Довольно неожиданный эффект дают поликарбоксилаты в сочетании с кальцийсодержащими ускорителями затвердевания. Источник данных, приведенных в табл. 2, — производитель бетона, который использовал водопонижаю­щую добавку типа А (по ASTM C494) совместно с суперпластификатором на основе соединений нафталинформальдегидного и лигносульфонатного рядов (добавка типа G) в составе бетонной смеси для изготовления преднапряженного железобетона. Замена нафталинформальдегидного компонента поликарбоксилатным привела к существенному увеличению прочности; эти данные были подтверждены другими производителями, использующими такие добавки, которые стали предметом крупного исследования [6]. 

Интересно, что рост прочности не сопровождается увеличением теплоты гидратации и, скорее всего, обусловлен тем, что в присутствии поликарбоксилатных добавок микро­структура бетона становится более плотной. То, что прочность бетона в присутствии поликарбоксилатов увеличивается, позволяет использовать в его составе цементозамещающие материалы без значительного замедления схватывания и развития ранней прочности. В табл. 3 на примере серии бетонных смесей, приготовленных в лабораторных условиях, показан эффект совместного действия добавок: сроки схватывания и проч­ность в ранний период для бетонной смеси с 40 %-м замещением цемента золой-уносом практически такие же, как у контрольного состава без золы. Смесь (см. табл. 3), содержащая водоредуцирующую добавку на основе поликарбоксилатов и ингибитор коррозии (нитрит кальция), имела время схватывания лишь на 1 ч больше, чем контрольная смесь, а ее прочность при сжатии составляла 85 % прочности контрольного образца.

Химические добавки для улучшения характеристик песков из отсевов дробления. Как известно, форма, текстура и гранулометрический состав заполнителей в совокупности существенно влияют на реологические свойства свежего бетона. Оптимизация заполнителя может обеспечить и технические, и экономические преимущества, однако доступность материалов и особенности проведения строительных работ часто диктуют использование и дозирование определенных видов сырья (например, как песка из отсевов дробления), которые могут отрицательно влиять на реологические свойства цементных смесей.

Использование некоторых химических добавок, таких как модификаторы вязкости, зачастую позволяет избежать увеличения водопотребности или содержания цементного теста с целью компенсировать ухудшение удобоукладываемости, обусловленное присутствием плоских, продолговатых, угловатых и грубых частиц [7]. Рис. 2 иллюстрирует влияние модификаторов вязкости на зависимость давления насоса от содержания в заполнителе песка из отсева дробления. Снижение давления насоса в присутствии модификатора вязкости обусловлено эффектом «смазки» частиц песка. Характеристики исследованной бетонной смеси указаны в табл. 4.

Рис. 2. Зависимость давления насоса от содержания в заполнителе песка из отсевов дробления. Стрелками и кружками показано снижение давления насоса при введении модификатора вязкости (3 мл на 100 кг суммарной массы цемента и золы-уноса)

Химическая обработка песков. Присутствие частиц глины может быть особенно вредным для бетонных смесей, так как эти частицы способны поглощать большое количество воды, что может привести к ухудшению удобоукладываемости или (если для поддержания требуемой удобоукладываемости увеличивают водопотребность) снижению прочности, а также может сопровождаться образованием трещин. Недавно была разработана новая добавка — Clay Mitigating Agent (СМА), связывающая частицы глины и минимизирующая поглощение воды [8]. Об эффективности этой добавки можно судить на основании приведенных на рис. 3 значений адсорбционной емкости глин по красителю метиленовому синему (MBV) при различных значениях содержания добавки.

Рис. 3. Влияние добавки CMA на адсорбционную емкость глин (содержание глины в песке 0,50 масс. %)

Влияние добавки CMA на свойства бетонных смесей и бетона показано на рис. 4. Состав бетонных смесей был идентичным, за исключением содержания воды и качества мелкого заполнителя (песка). Количество воды подбиралось таким, чтобы осадка конуса находилась в пределах 90 ± 5 мм. По мере замещения промытого песка непромытым потребность в воде возрастала, что приводило к снижению прочности. При использовании добавки CMA соотношение В/Ц было примерно таким же, что и для контрольного состава. Добавка СМА позволила заместить до 80 % промытого песка непромытым без вредных последствий.

Рис. 4. Влияние добавки СМА на зависимость соотношения В/Ц, при котором достигается эквивалентная осадка конуса (а), и на зависимость прочности при сжатии бетона в возрасте 28 сут (б) от степени замещения промытых песков непромытыми

Химическая обработка золы для контролируемого воздухововлечения. В связи с прогнозируемым увеличением использования золы-уноса в бетонных технологиях влияние качества зол на характеристики бетонов будет по-прежнему определять степень замещения ими цемента в бетонной смеси. Влияние остаточного содержания углерода в золах на воздухововлечение является одним из наиболее важных факторов. Химическая обработка веществами, способными адсорбироваться преимущественно на углеродных частицах, присутствующих в золах, рассмотрена в работах [9, 10].

Требования к таким веществам следующие: 1) отсутствие воздухововлекающей активности и 2) необратимая и более быстрая адсорбция по сравнению с воздухововлекающими добавками и другими веществами, входящими в состав химических добавок. Кроме того, требуется простой способ, позволяющий быстро определить степень химической обработки, требующейся для нейтрализации адсорбционной способности углеродного компонента золы. Также должен быть найден оптимальный способ введения добавок, гарантирующий одинаковое содержание вовлеченного воздуха в бетонных смесях от партии к партии. Некоторые перспективные технологии, возможно, скоро появятся на рынке; ожидается, что они будут способствовать более широкому использованию зол в составе бетонов.

Заключение

Учитывая все тенденции, имеющие отношение к бетонным технологиям, можно сделать вывод, что химические добавки будут играть все более важную роль в разработке рецептур, реологическом контроле для облегчения укладки, в увеличении долговечности. Многие новые разработки, такие, например, как суперпластификаторы на основе поликарбоксилатов, значительно улучшающие эффективность производства и качество бетона, в скором времени получают признание производителей бетона. Быстрая коммерциа­лизация инновационных химических добавок будет играть ключевую роль в дальнейшем развитии ресурсоберегающего бетона.

ЛИТЕРАТУРА

1. Sabnis G. Green building with concrete, sustainable design and construction. CRC Press, 2012.

2. Jeknavorian A., Roberts L.R., Jardine L., Koyata H., et al. Condensed polyacrylic acid-aminated polyether polymers as superplasticizers for concrete // 5th CANMET/ACI Conference on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures in Concrete, Venice, 1997.

3. Nmai C. C494 Standard on Chemical Admixtures, SP-288 // 10th Intern. Conf. on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures, 2012.

4. Jeknavorian A. Chemical admixtures of the future: opportunities and challenges for sustainable concrete production, placement, and service life // NRMCA Intern. Concrete Sustainability Conf. Boston, 2011.

5. ACI 212.3R-10 Report on chemical admixtures for concrete // ACI Education Bulletin E4—12: www.concrete.org›Portals/0/Files/PDF/fE4—12.pdf.

6. Jeknavorian A., Berke N., Connolly J., Prescott J. Synergistic interaction of condensed polyacrylic acid-aminated polyether superplasticizer with calcium salts // The 6th Canmet/ACI Conf. on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures in Concrete. SP 195, 2000. P. 585—600.

7. Jeknavorian A., Hazrati K., Bentur A., Koyata H., et al. Use of chemical admixtures to modify the rheological behavior of cementitious systems containing manufactured aggregates // Eighth CANMET/ACI Intern. Conf. on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures in Concrete, 2006. P. 15—29.

8. Kyriazis A., Perry B., Koeheler E., Bablouzian L. Clay-bearing manufactured sands for hydratable cementitious compositions. US20130263761 A1. 2011.

9. Howard C., Kabis S., Farrington S. Advances in chemical beneficiation of fly ashes containing natural carbon or powdered activated carbon // World Coal Ash (WOCA) Conf., Lexington, 2013.

10.Jolicoeur C., To T.C., Benoit E., et al. Fly ash-carbon effects on concrete air entrainment: fundamental studies on their origin and chemical mitigation //  9th ACI Intern. Conf. on superplasticizers and other chemical admixtures in concrete. Seville, Spain. 2009. ACI, SP-262.