Химические добавки для бетонов: преимущества и проблемы применения

Спецпроекты

16 Мар 2021, 11:56

eye-icon

15

comment-icon

0

Специально для информационного портала «ЗАПОВНЮВАЧІ» инженер-консультант, основатель технологического центра HD Consult Данила Гадайчук подготовил подробный материал о химических добавках к бетонам, в котором описал их разновидности, преимущества и очертил вопросы практического применения. 

Данила Гадайчук — признанный эксперт в данном вопросе, основанный им центр специализируется на техническом сопровождении и решении инженерных задач в области технологии бетона. Поэтому в статье собрана максимально полезная и практическая информация. Она будет интересна, тем кто хочет глубже разобраться в нюансах использования добавок к бетону и получить практическую информацию из первых уст.

Современная технология производства бетонов достаточно наукоемка и требует экспертизы в сфере минералогии и гранулометрии цементов, качества заполнителей, химических и минеральных добавок, смешивающего и дозирующего оборудований, испытания бетона в состоянии незатвердевшей бетонной смеси и уже твердого бетона, строительных конструкций, и, очевидно (к сожалению, не для всех), понимания цепочки добавленной стоимости.

Классификация добавок к бетону 

Остановимся на двух самых главных эффектах добавок, которые затребованы на рынке сегодня. 

Пластифицирующий/водоредуцирующий эффект

Пластификаторы являются разжижителями цементного теста, они изменяют реологические (реология-наука про текучесть и пластические свойства веществ) характеристики бетонов за счет снижения предельного напряжения сдвига (величины прикладываемого усилия для обеспечения бетону текучести) и вязкости смеси.  

Рисунок 1. а) флокулированные частицы б) диспергированные частицы.

Другими словами, с помощью пластификаторов возможно получить бетоны с меньшим количеством воды затворения при равной его подвижности (водоредуцирующий эффект). Или наоборот, сделать из бетона П1 бетон П4 не добавляя в него воды (пластифицирующий эффект).

Общеизвестно что, чем меньше воды затворения – тем прочность бетона выше (закон водоцементного соотношения Даффа Абрамса, 1918 год).

Соответственно, сократив расход воды, для получения равной прочности и подвижности  бетона снижаем расход цемента, замещая его заполнителями.

Экскурс в историю.

Рассказываем, когда и где начали использовать определенные добавки, какой они обеспечивали процент водоредукции, и какие имели преимущества/недостатки. 

  • В Римской империи в качестве добавок использовали урину, кровь и солому они давали эффект замедлителя, воздухововлечения и фибры.
  • В 1930-х роках начали использовать лигносульфатоны. Они давали до 14% водоредукции, имели низкую стоимость, стабилизировали смесь, обеспечивали много вовлеченного крупного воздуха и выраженное замедление.
  • В 1963 году в Японии использовали нафталиносульфатоны. Они обеспечивали до 22% водоредукции, низкое сохранение подвижности бетонной смеси, замедление схватывания при высоких дозировках.
  • В 1979 — 1981 гг в Японии использовали поликарбоксилаты (сополимеры метакриловой кислоты). Они обеспечивают до 40%, очень сильную водоредукцию, возможность обеспечения хорошей сохранности подвижности (в среднем 2-3 часа), без негативного влияния на набор ранней и марочной прочности, повышение вязкости смеси (при равной осадке конуса), эффективность сильно зависит от качества инертных материалов.
  • Тогда же начали использовать фосфонованные поликарбоксилаты. Они обеспечивали до 45% водоредукции, высокое сохранение подвижности (до 9 часов), имели высокую стоимость и дозирование.
  • В 2015 году в обиход вошли полиАРИЛаты. Они обеспечивали до 45% водоредукции, возможность обеспечения малой вязкости смеси при низком соотношении воды и цемента и высшую раннюю прочность.

Практически все бетонные производства в мире используют те или иные химические добавки в первую очередь, потому что это выгодно. Еще большую роль играет повышение цен на цемент и его доставку во время сезонного пика. Снижение расхода цемента позволяет также более эффективно использовать силоса для хранения цемента предприятия, и выпускать бОльшее количество продукции с одного и того же объема завезенного цемента.

Рисунок 2.

Используя пластификаторы и снижая расход воды затворения, появляется возможность снизить расход цемента, сохраняя то же водоцементное соотношение, прочность и подвижность. Либо можно снизить расход воды при том же количестве цемента, что существенно уменьшит пористость и проницаемость бетона, что, в свою очередь, приведет к увеличению его долговечности.

При разработке состава инженер учитывает обе возможности. На рисунке 2 приведен условный график, демонстрирующий зависимость прочности и пористости цементного камня от водоцементного соотношения в разрезе применения разных классов пластифицирующих добавок.

Эффект замедления терминов схватывания цемента

Использование замедлителей дает возможность без потери подвижности транспортировать продукцию на дальние расстояния и/или иметь «страховочное» время для дополнительной выгрузки материалов.

Для основной массы потребителей бетона очень важно, чтобы замедление схватывания бетона не было также и выраженным замедлением его твердения на ранних сроках после заливки.

Зачастую понижение прочности на 1 сутки только добавляет к проектной прочности на 28 суток, но подрядные организации и ЖБИ комбинаты хотят бОльшей оборачиваемости дорогостоящей опалубки. Эта зависимость так же работает и в обратную сторону: выраженное химическое ускорение в ранних сроках твердения часто снижает проектную прочность. 

За счет грамотного выбора химических модификаторов есть возможность получить конкурентное преимущество и удовлетворить специальные запросы клиентов.

Рассмотрим несколько ярких случаев из практики.

Пример 1.

Бетон в скользящей опалубке под бетонный силос: подрядчику нужен был бетон класса В30 F200 W6 П5, который должен был после приготовления и укладки 8 часов сохранять подвижность, но на следующий день (через 16 часов) уже иметь минимальную прочность 4.5 МПа для начала передвижения опалубки. Это требование было вызвано возможными ошибками при бетонировании и необходимостью иметь достаточно времени, чтобы их устранить.

Давайте посмотрим, какие варианты были для решения этой взаимоисключающей (для уже устаревших технологий) задачи: на рисунке 3 представлен график зависимости эффективного дозирования пластификаторов на разной основе в соответствии с их пластифицирующим эффектом.

Рисунок 3.
Рисунок 4.

График на рисунке 4 демонстрирует зависимость пластифицирующего эффекта (тех же пластификаторов) от их влияния на сроки схватывания на бетонную смесь при равном расходе цемента и воды.

Современные поликарбоксилатные пластификаторы имеют лучшее соотношение эффективной дозировки/замедления схватывания, поэтому была подобрана добавка на этой основе в комплексе с точной дозировкой замедляющего компонента на основе комплекса полисахаридов.

Пример 2.

Решение проблемы использования в составах бетона отсевов дробления гранита с повышенной водопотребностью, тенденцией к расслоению смеси, и ускоренной потерей сохранности ее подвижности частично (но не полностью) основано на подборе правильной комплексной добавки.

Рассмотрим на реальном примере бетонов В25 П4, на основе цемента СЕМ ІІ 42.5, щебня гранитного и части песка из отсевов дробления. Первый состав без добавки, второй с комплексной химической добавкой, 1% от массы цемента.

 

Тип бетонаБез добавкиС добавкой, расход цемента тот жеС добавкой, цемент снят
Расход СЕМ ІІ 42.5,кг/м3290290225
Расход воды, кг/м3240185180
Осадка конуса, см222222
Прочность на 7 сутки, МПа12.421.913.1
Прочность на 28 сутки, МПа18.632.819.0

Стоимость добавки на 1 м3 бетона составляет примерно $2.1, стоимость 65 кг цемента $5.4. Инертные заполнители, которые займут объем в смеси вместо цемента и воды — $0.9. Итого выгода по материалам $2.4.

Технические преимущества применения добавки в данном конкретном случае:

  1. Дополнительная маржа производителя бетона, обычно работающего в очень высоко конкурентном поле,
  2. За счет грамотного подбора добавки возможность дополнительного регулирования сроков схватывания, раннего набора прочности, долговечности бетона.
  3. Один из ключевых механизмов решения проблемы применения ранее некондиционного материала – песка из отсевов дробления.

Технические недостатки применения добавки в данном конкретном случае:

  1. Необходимость установки одного или нескольких дозаторов хим. добавок, включение их в систему автоматики существующего завода.
  2. Необходимость усиления лабораторного контроля. Бетон без добавок «прощает» намного больше ошибок при дозировании материалов.
  3. Выбор надежного поставщика хим. добавок. К сожалению, некоторые представители компаний (как локальных, так и большим международным именем) грешат тем, что привозят образец в лабораторию или первые поставки продукции с бОльшим содержанием дорогих компонентов, со временем их снижая без предупреждения клиента, дискредитируя всю индустрию. Рекомендуется аудит независимой стороны и/или высококвалифицированные, правильно мотивированные технологи в хорошо оборудованной лаборатории на производстве.
  4. Более высокие требования к стабильности входящего сырья.

Практические нюансы использования добавок 

Рассмотрим основные практические нюансы использования добавок.

Расход добавки 

Практически все добавки работают именно с цементом , но на самом деле также большую роль вносят и другие дисперсные материалы (порошки), входящие в состав бетонной смеси. Под другими материалами имеются ввиду тонкие фракции песка <0.16 мм, активные минеральные добавки в составе цемента и/или бетона, наполнители, красители и т.д. Поэтому границы рабочей дозировки добавки обычно указываются в процентном соотношении от массы цемента или смешанного вяжущего.

Большую роль также играет технологический процесс – предел точности дозирования, способ и длительность перемешивания, место и время ввода добавки на технологической линии. Поэтому оптимальные дозировки подбираются уже на конкретных материалах под конкретное производство.

Комплексные добавки

Также стоит учитывать, что почти у всех комплексных и однокомпонентных добавок кроме первичного эффекта, есть также и вторичный/третичный… и т.д. Например, все пластифицирующие добавки предыдущих поколений также имеют эффект замедления схватывания и/или набора прочности, также ощутимое воздухововлечение.

Логика разработки комплексных добавок состоит в том, чтобы:

  1. Нивелировать нежелательные эффекты от основных действующих компонентов.

2. Использовать возможные аддитивные и синергические эффекты:

  • аддитивный эффект, это когда 10% водоредукции от одного компонента в определенной дозировке + 5% водоредукции от другого в определенной дозировке дают вместе 15%. Часто, это распространенные смеси поликарбоксилатов и лигносульфонатов;
  • синергические, это когда эффект от использования отдельных компонентов выше, чем сумма их эффекта раздельно, то есть когда 1+1>2. Такие композиции хранятся как коммерческая тайна производителя;
  • бывает также рецептура добавки предполагает введение компонентов, которые являются антагонистами. Часто такое бывает так же из-за неопытности, например, применение поликарбоксилатов в паре с нафталинформальдегидами для товарного бетона.

     3. Получить снижение себестоимости.

     4. Сделать т.н. «tailor-made» – специально разработанный, индивидуальный продукт (дословный перевод – «сшитый на заказ»). Часто это очень выгодно и для клиента (производителя бетона) и для продавца (производителя добавок).  

Но, стоит отменить, что разработка индивидуальных продуктов требует:

  • достаточно больших трудозатрат,
  • квалификации персонала,
  • наличия большого объема потребления у клиента.

Именно поэтому большие системные компании работают по-другому, применяя в основном несколько типовых продуктов для своих клиентов.

Добавки в бетон могут значительно влиять на его характеристики.

Даем ответы на наиболее популярные вопросы, с которыми эксперт сталкивался в своей практике.  

— Можно ли добавками решить все проблемы бетоноведения?

— Нет. Добавки – это финальный этап оптимизации бетонной смеси. Если есть просчеты в гранулометрии, минералогии, технологической линии – с помощью добавок решать эти проблемы зачастую неэффективно.

— Мы работаем с несколькими поставщиками/марками цемента, как подобрать добавки?

— Цементы имеют различную минералогию клинкера, композицию введенных минеральных добавок, гранулометрию частиц и при их помоле разные производители применяют разные добавки-интенсификаторы/модификаторы цемента, что существенно влияет на адсорбцию молекул поверхносно-активных веществ к ним и соответственно на оптимальную дозировку добавки в бетон. Особенно это касается добавок на поликарбоксилатной основе.

Например, цементы одного класса СЕМ II/42.5R от трех разных производителей из Западной, Центральной и Восточной Украины имеют оптимальные дозировки по одной из добавок 0.65%, 0.425%, 0.5%. Разница в полтора раза! Поэтому моя личная рекомендация – не играть в столкновение лбами разных поставщиков цемента, а по возможности выбрать один стабильный продукт.

 — Я слышал, что добавки нужны только зимой, чтобы бетон не замерзал!

— Бетон без сильных последствий переживет замораживание, если он успеет набрать хотя бы треть от проектной прочности до того как замерзнет.

Любая комплексная зимняя добавка в основном решает несколько проблем:

  • не замерзает на улице;
  • снижает количество воды затворения, снижая водоцементное соотношение и тем самым интенсифицируя выделение тепла бетоном;
  • химически ускоряет реакцию гидратации, уменьшая сроки схватывания и ускоряя набор ранней прочности;
  • снижает эвклектическую точку замерзания бетонной смеси. В зависимости от дозировки это 1 – 2 градуса, не более. То есть, если смесь замерзла бы при 0 градусов Цельсия, она при больших дозировках (> 1% солей-ускорителей) замерзнет при -2 градуса Цельсия;
  • увеличивает эффективность электрообогрева бетона (снижение затрат на электроэнергию).

Отдельно напомню, что добавки на основе хлоридов являются очень эффективными ускорителями как схватывания так и твердения, но их применение строго-настрого запрещено в бетонах, контактирующих с арматурой из-за очень быстрой коррозии металла хлоридами.

Я рекомендую использовать отдельно пластифицирующую добавку, отдельно противоморозный комплекс, так как при разной температуре дозировка пластификатора и ускоряющей добавки изменяется в разной мере.

— Вредно ли жить в доме, где были применены хим. добавки в бетон?

Современные химические добавки практически не являются вредными веществами. Первые поликарбоксилаты вообще задумывались как усилитель стирального порошка. Опасения может вызывать зимнее бетонирование стен или панелей с применением (опять же непрофессиональным) азотсодержащих противоморозных добавок.

Во время реакции может образовываться аммиак, а жить в таком доме будет действительно очень некомфортно, но это единичные случаи, и если доверять инвестиции проверенному девелоперу или лично проинспектировать объект на стадии покупки, этих рисков можно избежать.

Я заказал товарный бетон от производителя, и из-за задержки в приемке и потери подвижности смеси в автобетоносмеситель лаборант завода или водитель долили добавку. Это не снизит его эксплуатационные характеристики?

Есть такой технологический прием — дробное дозирование добавки. Вносится 80% добавки на заводе, 20% добавки непосредственно на строительном объекте перед выгрузкой. Пропорции разные для разных продуктов, но если не превышать максимальный предел дозирования для конкретного бетона, что должно быть испытано в лаборатории предприятия и/или сторонней, то можно получить большую сохранность подвижности бетонной смеси при той же дозировке добавки без потери ожидаемых свойств затвердевшего бетона. Однако в случае, если бетонная смесь уже очень заметно потеряла подвижность, рекомендую ее выгружать быстро, так как после добавления добавки будут считанные минуты до того как она вернется в предыдущее малоподвижное состояние.

Сейчас даже существуют прогрессивные системы дробного дозирования, которые штатно устанавливаются на автобетоновозах (миксерах) пока что только американских компаний, которые автоматически добавляют пластификатор, если нагрузка на редуктор бочки бетоновоза увеличивается во время длительного транспортирования или незапланированных простоев.

Если у вас возникли дополнительные вопросы, то можете их отправлять на электронный адрес автору статьи — [email protected].

Теги:
бетон

Подпишись на нашу рассылку

Дайджест главных новостей, презентации оборудования, обзоры мероприятий и многое другое.

Оставить комментарий:

Advertisement

Скреперы K-Tec

Материалы по теме

Обзор бетоноукладочного оборудования от компаний Power Curbers и Wirtgen

Обзор бетоноукладочного оборудования от компаний Power Curbers и Wirtgen

Рассмотрим детально бетоноукладочное оборудование, которое предлагают на рынке ведущие производители дорожно-строительной техники Wirtgen и Power Curbers.

30 Мар 2021, 09:47

eye-icon

16

comment-icon

0

31 марта пройдут аукционы по продаже 11 спецразрешений на пользование недрами

31 марта пройдут аукционы по продаже 11 спецразрешений на пользование недрами

9 лотов из 11, по которым запланированы ближайшие торги, номинированы недропользователями, 2 - инициированы из Инвестиционного атласа.

24 Мар 2021, 17:59

eye-icon

8

comment-icon

0

Почему беспилотные грузовики появятся сначала в карьерах

Почему беспилотные грузовики появятся сначала в карьерах

Одна из основных задач для всех отраслей промышленности - создание решений, способных обеспечить максимальную эффективность использования подвижного состава на горных предприятиях за счет современных средств автоматизации. Первой отраслью, где это произойдет, скорее всего будет добыча полезных ископаемых шахтным способом и разработка карьеров, где автоматизация производственных процессов идет полным ходом. Такого мнения придерживаются в Volvo Autonomous Solutions.

19 Мар 2021, 16:35

eye-icon

20

comment-icon

0

Advertisement

?>