2.11. Добавки к цементам, бетонам и растворам

Влияние добавок на свойства материалов связано, главным образом, с их физическим и химическим воздействием на цемент и процессы его гидратации и твердения. Одни и те же вещества одинаковым образом влияют на свойства цементного теста, раствора и бетона. В одних случаях их удобно использовать в виде сухого порошка, например, вводить в сухие строительные смеси или добавлять к цементу при помоле, а в других случаях – вводить в виде водного раствора в бетонную или растворную смесь.

Эти вещества могут иметь природное происхождение, или быть получены искусственным путем в качестве основного или побочного продукта производства. По химическому составу они делятся на минеральные и органические. Минеральные в свою очередь можно разделить на растворимые в воде и нерастворимые. К нерастворимым относятся активные минеральные добавки, рассмотренные в разделе 8.8, а к растворимым – добавки-ускорители твердения бетона и противоморозные добавки.

Из добавок органического состава применяются главным образом: 1) разнообразные поверхностно-активные вещества (ПАВ), образующие с водой истинные растворы, из которых они адсорбируются на поверхность раздела фаз; 2) производные целлюлозы (в воде набухают, образуя высоковязкие коллоидные растворы); 3) пленкообразующие полимеры, диспергирующиеся в воде, дают коллоидные растворы, частицы которых коагулируют (сливаются) при удалении воды.

2.11.1. Добавки, ускоряющие твердение бетона представляют собой, главным образом, хорошо растворимые в воде соли сильных кислот (серной, соляной, угольной, азотной и др.). Наибольшее практическое значение имеют следующие добавки.

1. Хлорид кальция CaCl₂ (ХК) – сильный ускоритель, который увеличивает суточную прочность на сжатие почти вдвое. Влияние на прочность уменьшается со временем, а конечная прочность может даже снизиться. Снижается также сульфатостойкость цемента.

При гидратации портландцемента в присутствии CaCl₂ обнаружено образование труднорастворимых двойных солей-гидратов типа 3CaO·Al₂O₃·nCaCl₂·mH₂O и оксихлорида 3CaO·CaCl₂·15H₂O. На ранних стадиях гидратации ХК ускоряет кристаллизацию гидросульфоалюмината кальция (ГСАК).

Дозировка ХК составляет обычно 2…3 % от массы цемента. При более высоких дозировках вызывает быстрое схватывание, которое можно частично нормализовать, заменяя часть ХК хлоридом натрия NaCl (ХН), не ускоряющим схватывание.

Хлориды вызывают коррозию стальной арматуры, поэтому в железобетоне их применяют, как правило, в сочетании с нитритами и нитратами кальция, являющимися ингибиторами коррозии.

2. Поташ K₂CO₃ (П) – очень сильный ускоритель, вызывающий мгновенное схватывание портландцемента. Он вступает в обменную реакцию с гидроксидом кальция с образованием труднорастворимого CaCO₃:

K₂CO₃+Ca(OH)₂=CaCO₃+2KOH.

Вследствие высокой щелочности среды образование ГСАК практически приостанавливается после 4 часов гидратации. Добавки поташа, а также Na₂CO₃ или NaF, могут вызвать расширение и растрескивание бетона, если в заполнителях содержится аморфный кремнезем, с которым щелочь вступает в реакцию. Бетон с добавкой поташа характеризуется низкой морозостойкостью, а при повышенной температуре твердения возможно снижение его конечной прочности.

3. Нитрат кальция Ca(NO₃)₂ (НК) и нитриты кальция Ca(NO₂)₂ и натрия NaNO₂ (НН), как ускорители твердения уступают хлориду кальция и поташу, однако Ca(NO₃)₂ является достаточно сильным ускорителем. Он вызывает быстрое схватывание цемента. В отличии от НК NaNO₂ может ускорять или замедлять схватывание в зависимости от концентрации. Эти добавки так же, как и CaCl₂, образуют труднорастворимые комплексные соли-гидраты, например, 3CaO·Ca(NO₃)₂·10H₂O.

Главным достоинством нитратов и нитритов является то, что они пассивируют стальную арматуру, предотвращая ее коррозию в бетоне.

4. Хлорное железо FeCl₃, сульфат трехвалентного железа Fe₂(SO₄)₃ и сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃ не только ускоряют твердение бетона, но и придают ему другие ценные свойства. Например, соли трехвалентного железа повышают непроницаемость, деформативность, водоудерживающую способность и долговечность бетона. Эти соли подвергаются гидролизу с образованием сильной кислоты и труднорастворимых гидроокисей металлов, например: FeCl₃+3H₂O=Fe(OH)₃+3HCl.

Для повышения эффективности добавок их часто делают комплексными, т. е. составленными из нескольких индивидуальных веществ. К комплексным добавкам-ускорителям относятся ННК – нитрит+нитрат кальция (1:1), ННХК – нитрит-нитрат+хлорид кальция (от 1:1 до 3:1) и другие.

Из органических ускорителей известен формиат кальция, который ускоряет схватывание и твердение подобно неорганическим солям.

2.11.2. Противоморозные добавки при растворении в воде сильно понижают температуру ее замерзания (табл. 2.5)

Таблица 2.5