Комплексные модификаторы для бетонов

Рассматривается проблема применения комплексных добавок для наполненных многокомпонентных бетонов.

Монолитное домостроение в России является одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений строительной индустрии. Высокие требования качества и надежности, предъявляемые к современным зданиям и сооружениям из монолитного бетона, требуют применения не только высокоэффективных технологий строительства, но, в первую очередь, технологичных бетонных смесей, высококачественных и надежных бетонов.

Бетон является уникальным строительным материалом, удачно сочетающим в себе высокие эксплуатационные и экологические свойства при достаточно невысокой стоимости и технологические возможности, позволяющие возводить строительные конструкции, здания и сооружения практически любых пространственных форм.

Вместе с тем, интенсивное развитие высотного домостроения требует применения цементных материалов нового поколения, обладающих не только высоким уровнем физико-механических и технологических свойств, но и гарантированной долговечностью, позволяющей эксплуатировать здания и сооружения в течение столетий.

Современный бетон — это многокомпонентный модифицированный цементный материал, обладающий заданным набором эксплуатационных свойств. Поэтому проблема модифицирования бетона является сегодня одной из приоритетных проблем строительного материаловедения.

В монолитном домостроении модификация бетонов развивается в основном по следующим направлениям:

1. Обеспечение высоких технологических свойств бетонных смесей.

2. Регулирование процессов схватывания и твердения.

3. Получение бетонов с заданными параметрами физико-механических свойств и долговечности.

4. Обеспечение возможности производства работ в зимнее время.

В современном бетоноведении номенклатура модификаторов различных классов достаточно велика и многообразна. Разработана классификация добавок не только по функциональному признаку (ГОСТ 24211-03), но и по механизмам действия на процессы гидратации и твердения цементных материалов. Следует отметить, что в технологии современных многокомпонентных бетонов стирается грань между понятием “модификатор” и “компонент”. Например, ультрадисперсные микрокремнеземы и некоторые минеральные добавки в большей степени могут быть отнесены к компонентам бетонов сложного состава, чем к минеральным модификаторам.

В настоящее время в технологии монолитного бетона наиболее широко применяются модификаторы пластифицирующего, стабилизирующего и структурирующего действия, регуляторы схватывания и кинетики твердения, добавки, повышающие прочность и долговечность бетона, а также многочисленные комплексные модификаторы полифункционального действия.

Особое значение в широкой гамме комплексных добавок занимают пластификаторы, супер- и гиперпластификаторы. Новым перспективным направлением получения высококачественных бетонов является применение модификаторов пластифицирующе-стабилизирующего действия на основе поликарбоксилатов, достоинством которых является возможность модифицирования основной цепи и боковых участков макромолекул с изменением молекулярной массы соединения в широких пределах.

Важным аспектом получения комплексных модификаторов является анализ механизмов как индивидуального влияния компонентов добавок, так и всего комплекса в целом на процессы гидратации и твердения цементных материалов.

Цемент является чрезвычайно сложной гидратационной системой, на процессы гидратации и твердения в которой оказывают влияние химические добавки, вводимые даже в незначительных количествах. Известно, что добавки органического происхождения в большинстве своем не изменяют состава продуктов гидратации цементных минералов и влияют в основном на скорость кристаллизационных и конденсационных процессов и структуру гидратов, в то время как неорганические модификаторы могут повлиять на изменение фазового состава продуктов гидратации цементного камня. Минеральные добавки в зависимости от их состава и химической активности изменяют скорость гидролиза и гидратации вяжущего, связывая образующуюся известь в гидратные фазы, повышающие прочность твердеющей системы.

Задача получения высокоэффективных комплексных модификаторов заключается в рациональном использовании особенностей влияния отдельных компонентов добавок на гидратацию цементных систем с целью достижения высоких многофункциональных эффектов.

В данное время б?льшая часть бетона, используемого в монолитном строительстве, выпускается с применением пластификаторов и суперпластификаторов, позволяющих получать высокотехнологичные литые бетонные смеси и укладывать бетон в конструкции с минимальными энергетическими затратами. Однако, как известно из теории и практики применения пластифицирующих добавок, в большинстве случаев они замедляют процессы гидратации и твердения, что является негативным фактором при возведении зданий из монолитного бетона. Проблема может быть решена не только использованием эффективных ускорителей твердения, но и применением цементов и минеральных добавок заданного химико-минералогического состава. Известно, например, что алюминатные фазы портландцемента в начальный период гидратации связывают не только большое количество воды, но и интенсивно адсорбируют пластифицирующие добавки. В связи с этим применение пластификаторов в бетонных смесях на высокоалюминатных цементах будет менее эффективным, чем на средне- и малоалюминатных. Характер разжижающего действия пластификаторов зависит также от вида и количества минеральных добавок, вводимых в цементы и бетоны. Высокоактивные минеральные добавки, связывающие выделяющуюся при гидратации известь в гидратные фазы, значительно снижают эффективность пластификаторов, в отличие от малоактивных и инертных минеральных добавок.

Перспективным направлением в технологии монолитного домостроения является применение бетонных смесей, в состав которых наряду с пластифицирующими и ускоряющими добавками входят малоактивные минеральные добавки высокой дисперсности (каменная мука) в количестве до 50 % от массы цемента. Основной целью применения каменной муки в составе модифицированных бетонов является повышение реологической активности пластификаторов и суперпластификаторов и повышение плотности и прочности бетона вследствие снижения водосодержания смесей. При использовании рядовых портландцементов ПЦ 400, тонкодисперсных минеральных наполнителей, суперпластификаторов и активаторов твердения возможно повышение прочности бетона в 1,5–1,7 раза по сравнению с бетонами без каменной муки.

Вследствие более высокой плотности и прочности бетонов с тонкодисперсными микронаполнителями значительно повышаются эксплуатационные характеристики цементных материалов: непроницаемость, коррозионная стойкость, морозостойкость и др. Для повышения прочности бетонов высоких классов по прочности целесообразно использовать каменную муку прочных пород. При использовании каменной муки менее плотных пород и минеральных отходов производства, таких, как карбонатные и другие виды шламов, могут быть значительно улучшены технологические характеристики бетонных смесей и прочностные свойства бетонов средних классов по прочности.

Таким образом, на первом этапе проектирования модифицированных бетонов необходима оптимизация составов по параметрам пластичности, потере подвижности, кинетики твердения и прочности.

Более сложной задачей является исследование динамики развития кристаллизационных процессов и формирования макроструктуры модифицированных бетонов. Например, весьма сложно оценить гидравлическую активность минеральных добавок, полученных на основе горных пород полиминерального состава, которая оказывает значительное влияние на эффективность действия пластификаторов и суперпластификаторов. Кроме того, в цементных системах, наполненных минеральными добавками до 50 % от массы цемента, наряду с гидравлической активностью добавок могут проявляться эффекты активации образования и эпитаксиального наращивания гидратов на кристаллической основе минералов частиц микронаполнителей. Подобные случаи активации образования гидратов AFm- и AFt-фаз характерны, например, для цементных систем, наполненных тонкодисперсным кальцитом. В этом случае при анализе процессов структурообразования необходимо учитывать не только дисперсность минеральных частиц с целью формирования оптимальной топологической структуры композита, но и параметры кристаллических ячеек компонентов минеральных добавок, поскольку этим обусловлена возможность образования контактов срастания между микрочастицами наполнителя и гидратными фазами цементного камня.

Немаловажным фактором при проектировании и назначении дозировок комплексных добавок является исследование влияния индивидуальных компонентов и модификаторов в целом на свойства бетонной смеси и бетона. Известно, что для снижения замедляющего влияния пластифицирующих добавок в составе комплексных смесей используются добавки, повышающие скорость твердения и прочность бетона. Одной из эффективных добавок является сульфат натрия (СН), широко применяемый в составе комплексных ускоряюще-пластифицирующих добавок. Однако для более полного представления о механизме действия добавки СН и целесообразности ее применения в составе комплексных смесей необходимы детальные исследования не только общего характера влияния ускорителя на кинетику твердения и прочность бетона, но и на состав продуктов гидратации и микроструктуру цементного камня.

Исследования, выполненные более чем на 20 видах цемента, показали, что оптимальной дозировкой индивидуальной добавки сульфата натрия является 1–2 % от массы цемента. В этом случае для большинства цементов достигается стабильный прирост прочности 15–20 % по сравнению с бездобавочными составами. В отдельных случаях повышение прочности бетона составляет до 40 %. Рентгенофазовые исследования продуктов гидратации основного минерала цементного клинкера — трехкальциевого силиката, гидратированного с добавкой СН, показали, что в присутствии сульфата натрия происходит активация образования гидратной извести и тоберморитовых фаз.

Таким образом, эффективность добавки СН в многокомпонентных бетонах будет значительно повышаться в присутствии тонкодисперсных минеральных добавок, содержащих силикатные составляющие вследствие связывания гидратной извести в гидросиликатные фазы.

Однако количество активных минеральных добавок в составе бетона должно тщательно контролироваться. Установлено, что при дозировке добавки СН в количестве 2 % от массы цемента активация твердения происходит в большей степени, чем при меньшем ее содержании. Однако в этом случае отмечается определенная нестабильность характера повышения прочности по сравнению с составами с меньшим количеством ускорителя. Подобное явление может быть объяснено активацией процессов образования твердых растворов CSH(I) и CSH(II), а также AFm- и AFt-фаз, которые при повышенном содержании добавки распадаются с выделением метастабильных фаз. Это отражается на кинетике твердении и прочности структуры. В этом случае система находится в неустойчивом, неравновесном и химически активном состоянии. В присутствии ускоряющих добавок, в том числе и СН, происходит образование промежуточных неустойчивых структур, которые активируют (но, возможно, и тормозят) стадии превращения гидратов. Так, избыточное количество извести в цементной системе с добавкой СН приводит не только к активации образования гидросиликатов кальция, но и к стабилизации состояния эттрингита. При повышенном содержании добавок система находится в более неустойчивом состоянии, что в конечном итоге сказывается различным характером изменения прочности при равных условиях твердения.

Таким образом, состав комплексных добавок для наполненных многокомпонентных бетонов должен проектироваться не только по показателям технологических свойств бетонных смесей, но и по показателям основных физико-механических свойств цементной матрицы и бетона, которые во многом определяются фазовым составом продуктов гидратации, кинетикой перекристаллизации гидратов AFm- и AFt-фаз в присутствии компонентов добавок, параметрами структурной топологии, возможностью образования контактов срастания и многими другими факторами.

Подобный подход к проектированию состава бетона позволит исключить возможные факторы негативного влияния индивидуальных и комплексных добавок на свойства бетонов и получать высокопрочные и качественные материалы гарантированной долговечности.