Добавки в бетон: классификация и свойства


ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ ДОБАВОК


Современные технологии транспортировки, подачи и укладки бетонной смеси предъявляют специфические требования к бетону
фото: Олег Герасименко

Бетон – это искусственный каменный материал, получаемый в результате затвердевания бетонной смеси, состоящей из цемента, воды, заполнителей и специальных добавок. По словам Сергея Скрипникова, заместителя директора ПТБ по производству ООО «Хай-Рейз Констракшнз», «современное производство бетонных смесей немыслимо без применения химических добавок, поскольку современные технологии транспортировки, подачи и укладки бетонной смеси предъявляют специфические требования к бетону».
Как отмечает Валентин Лайкин, начальник технологического отдела компании «Хенкель Баутехник (Украина)», «добавки – это вещества, предназначенные для регулирования свойств бетона и бетонной смеси. Они подразделяются на химические (растворимые в воде, вводятся в бетон с водой) и минеральные (нерастворимые в воде, вводятся в бетон в сухом виде, обычно с помощью дозатора цемента). В зависимости от предназначения бетона, подбираются одна или несколько комплексных добавок, решающих вопросы укладки бетона, повышения его морозостойкости, технологичности и т.д. Добавок к бетону очень много, их применение и производство регламентируется государственными нормами, в зависимости от условий работы материала в конструкции».
Анатолий Синякин, начальник технического отдела «Сика Украина», дочерней компании концерна SIKA, рассказывает, что «действие добавок третьего поколения – гиперпластификаторов на основе поликарбоксилатов в бетонной смеси основано на одновременном использовании нескольких физико-химических явлений: поверхностной адсорбции, пространственной электростатической сепарации частичек, воздействующих на «зерна» цемента и заполнителей мелких фракций, а также влиянии на процесс гидратации цемента. Благодаря этому достигается:
– возможность значительного сокращения количества воды затворения (до 40%), что позволяет получить бетон высокой плотности и прочности;
– очень высокий эффект пластификации;
– получение дополнительного эффекта аэрации смеси (в пределах 1-3% в зависимости от рецептуры, вида цемента и количества добавки), что значительно улучшает податливость обработки бетонной смеси и морозостойкость бетона;
– возможность получения различного времени сохранения консистенции и темпа роста начальной прочности;
– возможность применения с различными видами цемента и заполнителей;
– эффект дополнительного диспергирования пигментов и улучшение интенсивности цвета в цветных видах бетона.
Кроме того, говоря о продукции концерна SIKA, и некоторых других производителей, следует назвать такие свойства:
– продукты не содержат хлоридов и других компонентов, которые могли бы отрицательно влиять на коррозионную стойкость бетона и пассивацию арматурной стали;
– не содержат формальдегидов и практически не имеют запаха;
– поликарбоксилатные добавки могут быть применены без ограничений в бетонных, железобетонных и других сложных конструкциях.


КЛАССИФИКАЦИЯ ДОБАВОК
Согласно европейскому стандарту EN 934-2, можно выделить следующие виды добавок: пластификаторы, суперпластификаторы, водоудерживающие, увеличивающие водонепроницаемость, воздухововлекающие, ускорители схватывания, ускорители твердения, замедлители схватывания, замедлители/пластификаторы, замедлители/суперпластификаторы, ускорители схватывания/пластификаторы.
Существуют также типы добавок, которые не покрываются EN 934-2, но их использование контролируется с помощью требований этого стандарта: ингибиторы коррозии, снижающие трещинообразование, для подводного бетонирования, для сборного железобетона.


ПЛАСТИФИКАТОРЫ
Пластификатор увеличивает подвижность бетонной смеси. Поверхностно-активные вещества, входящие в состав пластификаторов, адсорбируясь на поверхности «зерен» цемента, уменьшают трение между ними, благодаря чему смесь становится более текучей (пластичной). Если говорить о лигносульфонатных пластификаторах, а также о таких пластификаторах, как УПБ, СДБ, то эти разновидности пластификаторов замедляют гидратацию цемента, что приводит к замедлению темпа твердения бетона в раннем возрасте, а превышение оптимальной дозировки добавки может привести к замедлению темпов роста прочности.
По словам Станислава Щербины, главного технолога ОАО «Завод ЗБК им. С. Ковальской», «существуют три основных причины использования добавок-пластификаторов: благодаря разжижающему действию добавки достигается увеличение подвижности бетонной смеси; благодаря снижению расхода воды – увеличение прочности бетона (при этом снижение подвижности компенсируется введением пластификатора); благодаря снижению соотношения воды и цемента достигается экономия цемента».
Главным достоинством лингосульфонатных пластификаторов, к примеру, пластификаторов-замедлителей, лигносульфонатных, поликарбоксилатных и для товарного бетона и др., является длительное время сохранения подвижности бетонной смеси. Они незаменимы для бетонирования при высоких температурах, к примеру, летом, когда бетонную смесь необходимо подвозить к месту укладки с завода автобетоновозами-миксерами больше двух часов. Ведь при температуре более 30 градусов смесь схватывается, а при введении пластификаторов сроки схватывания увеличатся на 2-3 часа.
Основным предназначением пластификаторов, Сергей Шапетько, к.т.н., менеджер по развитию рынка представительства «БАСФ АГ» в Украине, называет снижение количества воды, необходимого для получения бетона требуемой консистенции: «При этом увеличивается прочность, снижается водопроницаемость, и, как следствие, увеличивается долговечность бетона. Свойство пластификаторов снижать количество воды затворения можно использовать и по-другому. Можно снизить количество цемента и воды для получения равнопрочного бетона. При этом также снижается усадка бетона, ползучесть под нагрузкой, минимизируется возможность трещинообразования.
Вода является одновременно и другом, и врагом бетона. Она необходима для протекания химических реакций твердения, от количества воды зависит консистенция бетона и его способность к переработке, транспортировке (удобоукладываемость). Однако, с точки зрения химии (для обеспечения водой химических реакций взаимодействия с цементом), достаточно добавить воду в количестве около 25% от массы цемента. А с точки зрения физики, такой бетон похож на «гарцовку». Из него невозможно строить, уложить в формы и уплотнить, он слишком быстро схватывается и при этом не имеет необходимой прочности. Для обеспечения возможности перерабатывать бетон в него еще добавляют воды (до 50-70% от массы цемента). Бетон получается необходимой консистенции, его можно транспортировать и укладывать».
Кроме того, пластификаторы – одни из самых дешевых и доступных добавок, но сейчас на украинском рынке они практически вытеснены более современными и эффективными суперпластификаторами.


СУПЕРПЛАСТИФИКАТОРЫ
Суперпластификатор увеличивает подвижность бетонной смеси без потери прочности бетона. Большинство современных суперпластификаторов являются специально синтезированными веществами, что позволяет получить стабильный эффект, но, одновременно, увеличивает стоимость. Широкое распространение в мире пластификаторы получили в 1960-е годы в связи с развитием монолитного строительства. В СССР такие добавки начали выпускаться с конца 1970-х. Сейчас практически весь товарный бетон, выпускаемый заводами Украины, поставляется с добавкой-суперпластификатором.
По своей эффективности модифицированные лигносульфонаты находятся между обычными пластификаторами и суперпластификаторами и являются самыми дешевыми среди этого вида добавок. Практически все виды модифицированных лигносульфонатов безопасны для человека и не создают побочных эффектов.


КОМПЛЕКСНЫЕ ДОБАВКИ
Комплексные добавки представляют собой подобранную смесь нескольких компонентов, снижающих побочные эффекты друг друга и при возможности совместно увеличивающих общую эффективность (так называемый, «кумулятивный эффект»). Если обычные добавки классифицируются по механизму действия, то комплексные добавки – по области применения, к примеру, на «летние» и «зимние», или «добавки для бетона с повышенной морозостойкостью».


ПРОТИВОМОРОЗНЫЕ ДОБАВКИ И ДОБАВКИ-УСКОРИТЕЛИ
Противоморозная добавка позволяет проводить бетонные работы при отрицательных температурах.
По словам Станислава Щербины, «противоморозные добавки можно разделить на 2 группы: понижающие температуру замерзания жидкой фазы и ускоряющие твердение бетона, так называемые добавки-антифризы (нитрит натрия, хлорид натрия и формиат натрия); объединяющие в себе способность к ускорению процессов схватывания и твердения бетона с эффектом понижения температуры его замерзания (поташ, хлористый кальций, ННХК).
Добавки-ускорители можно применять не только как противоморозные, но также при положительной температуре для ускорения твердения бетонных изделий».


МИНЕРАЛЬНЫЕ ДОБАВКИ
Минеральные добавки представляют собой порошки, получаемые из природного или техногенного сырья, не растворимые в воде (основное отличие от химических добавок) и характеризуемые крупностью зерен менее 0,16 миллиметра (основное отличие от заполнителей). Основным показателем тонкости порошковых веществ является удельная поверхность, измеряемая в см3/г. Не растворяясь в воде, минеральные добавки являются частью тонкой составляющей твердой фазы бетона.
Минеральные добавки позволяют обеспечивать экономию цемента и высокую эксплуатационную надежность бетона, обеспечивают значительное повышение прочности. Заполняя пустоты между «зернами» цемента, способствуют уплотнению структуры бетона. При этом значительно уменьшаются размеры воздушных пор, повышается реакционная способность смеси цемента с наполнителем.


СОВМЕСТИМОСТЬ ДОБАВОК
Разные виды добавок в бетон могут быть как совместимыми, так и несовместимыми. Поэтому, по словам Сергея Скрипникова, «при необходимости применения добавок разных производителей требуются лабораторные испытания на их совместимость». Или, как отмечает Сергей Шапетько, «технологам необходимо знать о химической природе используемых добавок и внимательно читать рекомендации производителей по последовательности введения добавок для достижения наилучшего эффекта. Так, совместная подача по единому трубопроводу пластификаторов на основе лигносульфонатов и воздухововлекающих добавок на основе омыленной канифоли может привести к закупориванию трубопровода из-за коагуляции последней. Не рекомендуется также смешивать нафталин- или меламинсульфонатные добавки с поликарбоксилатными, поскольку образуется желеобразная масса».
Валентин Лайкин рассказывает, что «добавки, которые применяются при изготовлении бетона, являются комплексными, состоят из целого ряда компонентов, использующихся для достижения того или иного эффекта. Смешивать можно добавки, которые решают вопросы ускорения твердения. Но обычно мы ограничиваемся использованием одной-двух добавок, если же требуются какие-то особые свойства, проводятся специальные исследования, в ходе которых выясняют, какие именно компоненты необходимо использовать, чтобы получить задуманный эффект».
Однако, к примеру, гиперпластификаторы можно применять в комбинации с некоторыми специальными добавками. По словам, Анатолия Синякина, «такие комбинации могут использоваться для перекачивания бетононасосом на большие расстояния или высоту, для обеспечения дополнительной защиты арматуры от коррозии, для получения бетонов высокой плотности или повышенной стойкости к коррозии, при необходимости дополнительного замедления схватывания, для ускорения схватывания и твердения, либо при производстве работ в условиях низких температур.
Такие добавки после соответствующей проверки применяются при изготовлении различных железобетонных конструкций. Они позволяют значительно снизить водоцементное отношение, увеличить подвижность и однородность бетонной смеси, улучшить качество бетонных поверхностей, а также значительно ускорить темпы строительства».


НАИБОЛЕЕ ВОСТРЕБОВАННЫЕ ДОБАВКИ
По словам Сергея Шапетько, легче перечислить виды бетонной смеси, в которых добавки не применяются – «это низкомарочные (М100-М200) жесткие бетонные смеси для изготовления фундаментных блоков, очень жесткие (как гарцовка) для изготовления бетонных колец для колодцев и некоторых других изделий, более прочные (М100-М250) и несколько более подвижные бетонные смеси на шлакопортландцементе. Остальные виды бетона требуют применения добавок.
Для товарного бетона в летнее время применяются пластификаторы или суперпластификаторы с замедляющим эффектом; в зимнее время необходимы суперпластификаторы-ускорители и противоморозные добавки. Для сборного железобетона (фабричное изготовление бетонных изделий) необходимы суперпластификаторы-ускорители твердения, позволяющие сократить (или исключить) цикл пропаривания».
Эксперты утверждают, что наибольшее применение получили добавки-пластификаторы. В частности, в зависимости от времени года применяются противоморозные (зимой), замедлители твердения (летом) или комплексные добавки.
Но есть виды бетона либо виды работ, позволяющие сочетать лишь определенные добавки. «Так, бетон марок выше М500 нельзя выпускать с дешевыми лигно- или нафталинсульфонатными добавками – необходимы поликарбоксилатные добавки. Отсутствует дешевая альтернатива при бетонировании прочных массивных густоармированных конструкций (используются поликарбоксилатные суперпластификаторы и стабилизаторы бетонной смеси), при подводном бетонировании (необходимы специальные добавки, препятствующие размыванию свежеуложенного бетона водой)», – рассказывает Сергей Шапетько.
Подбирают добавки в бетон еще и в зависимости от погодных условий и времени года. По словам Валентина Лайкина, «зимой наиболее востребован антифриз, то есть, добавка, позволяющая производить укладку бетона без нарушения технологии и добиваться требуемых показателей в условиях пониженной температуры. Второй наиболее распространенный случай, – когда необходимо подавать бетон на большую высоту. При этом используются специальные насосы, в которых происходит расслоение бетонной смеси. Чтобы этого не происходило добавляются специальные пластифицирующие добавки. Таким образом, для каждого отдельного случая добавку подбирают в зависимости от конкретных условий работ».


ПРОИЗВОДСТВО ДОБАВОК
По словам Сергея Шапетько, «производство добавок заключается в растворении в воде концентратов одного или нескольких веществ и разливе полученного продукта в емкости, поэтому продавцов добавок сейчас много. Однако химические вещества (концентраты) для производства добавок производят такие мировые лидеры, как BASF, Dow Chemical, Atofina, Clariant, Nippon Oil & Fat. Производство нафталинсульфонатов налажено и на некоторых предприятиях России. Лигносульфонаты являются отходами производства и поставляются целлюлозно-бумажными комбинатами. Производителям добавок остается только приобрести концентрат (или порошок) и смешать с водой.
Качество добавок зависит от компонентов, которые использует производитель. Украинские производители добавок вместо воды (и в качестве активного компонента добавки) используют водный раствор отходов коксохимического производства. Такие добавки очень дешевые, но их нужно вводить в бетон в больших количествах (20-50 л/м3 бетона против 2-4 кг/м3 для качественных добавок). Чем большее количество пластификаторов производители введут в состав добавок, тем более качественными (и дорогими) они становятся».


ПРЕИМУЩЕСТВА И ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Преимуществами бетона и железобетона, по данным экспертов, являются низкий уровень затрат на изготовление конструкций, возможность применения в сборных и монолитных конструкциях различного вида и назначения, механизация и автоматизация приготовления бетона и производства конструкций.
За последнее десятилетие технология бетона обогатилась средствами регулирования, достижения и поддержания заданных свойств бетонных смесей и бетона. С их применением на основе новых знаний исследованы принципиальные закономерности в бетоноведении. Как отмечает Анатолий Синякин, «уже сейчас может быть достигнута, при использовании соответствующих добавок, требуемая степень технологичности бетонных работ, сокращение трудозатрат, снижение затрат по уходу за бетоном и очень высокие показатели прочности и долговечности. Созданы виды бетона, получившие названия высокофункциональный (High Performance Concrete – HPC), самоуплотняющийся (Self Compacting Concrete – SCC), реакционно-порошковый (Reactiv Powder Concrete – RPC). Эти виды бетона с успехом применяются в разных странах при возведении высотных зданий, мостов и тоннелей, сложных объектов типа морских буровых установок и т.д.
Так, при строительстве новых и ремонте старых конструкций используются новейшие добавки в бетон – гиперпластификаторы, на основе поликарбоксилатов (раскислителей воды). Эти добавки отличаются небольшими дозировками при сравнимом эффекте действия (в 4-6 раз меньше, нежели у пластификаторов, в 2-3 раза меньше по сравнению с известными суперпластификаторами). Такую комбинацию добавок можно применять для бетона различных классов по прочности при общественном, коммерческом, промышленном, гидротехническом дорожном и мостовом строительстве. Это композиция материалов на основе современных полимеров, позволяющих получить необходимый эффект с различными видами цементов и заполнителей. Следует отметить, что сегодня сложилась неоднозначная ситуация с экономической эффективностью добавок, из-за того, что цена цемента в Украине сравнялась или превышает цену в европейских странах, а стоимость высокоэффективных добавок постоянно снижается из-за обострившейся конкурентной борьбы между производителями. Таким образом, при существующей цене на цемент, а также традиционно низком качестве используемых заполнителей(что влечет за собой перерасход цемента в бетоне от 5 до 25%), а также популярности у строителей высокоподвижных бетонных смесей (П4-П5), – все это приводит к необходимости использования необоснованно высоких дозировок цемента – 420-560 кг на 1 м3 бетона. В результате применение высокоэффективных добавок на основе поликарбоксилатов стоимостью 8-13 грн/кг, при одновременном значительном снижении расхода цемента на 100-150 кг/м3, является экономически эффективным при изготовлении бетонов с подвижностью более П-2 и классов более В20, при этом себестоимость 1 м3 бетона снижается на 5-40 грн. Кроме того, при использовании добавок и снижении расхода цемента существенно улучшаются другие показатели качества бетона: снижается усадка и трещинообразование, увеличивается водонепроницаемость и коррозионная стойкость бетона».


ТРЕБОВАНИЯ К СВОЙСТВАМ БЕТОНА


Применение добавок позволяет получить бетон с заданными свойствами в очень широких границах при разумных расходах цемента
фото: Олег Герасименко

«Требования к свойствам бетона и бетонной смеси задаются при проектировании состава, – рассказывает Станислав Щербина. – Простейшим способом получить бетон и бетонную смесь с заданными свойствами можно при изменении пропорции компонентов при приготовлении бетонной смеси. Главные требования, предъявляемые к бетонной смеси, – удобоукладываемость (способность бетонной смеси легко укладываться в опалубку и уплотняться под воздействием вибрации) и отсутствие расслоения. Чем выше задаваемая прочность бетона, тем больше должен быть расход цемента. Применение добавок позволяет получить бетон с заданными свойствами в очень широких границах при разумных расходах цемента. Бетонная смесь должна обеспечивать получение бетона с заданными техническими требованиями и обладать такими свойствами, чтобы ее можно было транспортировать, укладывать и обрабатывать с минимальными затратами труда и без расслаивания».


ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ
Стоимость бетона с добавками дешевле, нежели без их применения. И в большинстве случаев целесообразность применения добавок в бетон определяется именно на основе экономических расчетов.
Как отмечает Сергей Шапетько, «применение более эффективных (и, соответственно, более дорогих) добавок позволяет экономить цемент и при этом получать бетон более высокого качества (дольше сохранность подвижности бетонной смеси, меньше усадочных и температурных трещин и отсутствие раковин на поверхности бетона). Заплатив чуть больше за добавку на основе поликарбоксилатов, вы имеете возможность получить более гладкую поверхность бетона и экономить на отделочных работах». Однако следует отметить, что на сегодняшний день в Украине в основном используются добавки импортного производства. А это, по словам Валентина Лайкина, «может приводить к удорожанию стоимости бетона до 30%. Таким образом, использование добавок не всегда оказывается экономически выгодным».