Воздухововлекающие добавки

Воздухововлекающие добавки — это химические добавки на основе поверхностно-активных веществ (ПАВ), целенаправленно вводимые в состав бетонной смеси при её перемешивании для образования в структуре затвердевшего бетона системы равномерно распределённых замкнутых воздушных пор. Являются одним из наиболее эффективных и экономически обоснованных средств повышения морозостойкости и долговечности бетонных конструкций, эксплуатируемых в условиях многократного замораживания-оттаивания, воздействия противогололёдных реагентов и агрессивных сред.

Химический состав и классификация

Согласно классификации ГОСТ 24211-2008, воздухововлекающие добавки относятся к первой группе — добавкам, регулирующим свойства бетонных смесей. По химической природе большинство из них представляет собой анионоактивные ПАВ, способные значительно снижать поверхностное натяжение водной фазы цементного теста.

Наиболее распространёнными типами являются:

• Добавки на основе природных смол: смола древесная омыленная (СДО), смола нейтрализованная воздухововлекающая (СНВ), канифольное мыло.
• Соли лигносульфоновых кислот: технические лигносульфонаты и их модификации.
• Соли нефтяных кислот: нафтеновые мыла, мылонафты.
• Соли органических сульфокислот: алкилсульфонаты, алкилбензолсульфонаты, сульфонол, нейтрализованные сульфированные парафины (КТП, ОТП), натриевые соли высших жирных кислот.
• Синтетические моющие вещества: синтетические детергенты на основе ПАВ.
• Соли, получаемые из протеинов: белковые гидролизаты.
• Комплексные и полимерные модификаторы: многокомпонентные составы на основе силиконов, полиоксиэтиленовых эфиров, а также современные торговые марки типа Micro Air 125, CemAir, Sika Air и др.

По механизму получения воздушной фазы в бетоне выделяют собственно воздухововлекающие добавки (вовлекают атмосферный воздух при перемешивании), газообразующие (генерируют газ за счёт химической реакции, например, алюминиевая пудра) и пенообразующие (формируют стабильную пену, предварительно приготовленную вне смесителя).

Механизм действия

Принцип работы воздухововлекающих добавок основан на их адсорбционной активности на границе раздела фаз «вода — воздух». При интенсивном перемешивании бетонной смеси молекулы ПАВ ориентируются гидрофильными группами к воде, а гидрофобными — к воздуху, формируя устойчивый адсорбционно-сольватный слой вокруг микроскопических пузырьков. Этот слой создаёт электростатический и стерический барьер, предотвращающий коалесценцию (слипание) пузырьков и их разрушение при уплотнении смеси.

В результате в структуре затвердевшего бетона образуется замкнутая пористость с размером сферических пор от 10 до 300 мкм. Эти поры не сообщаются между собой и не образуют сквозных капилляров, что принципиально отличает их от технологических дефектов и каверн.

Влияние на свойства бетонной смеси и затвердевшего бетона

Повышение морозостойкости

Основное назначение воздухововлекающих добавок — обеспечение высокой морозостойкости бетона. При замерзании свободной воды в капиллярах цементного камня её объём увеличивается примерно на 9%. Микроскопические воздушные поры, созданные добавкой, служат компенсационными резервуарами, принимающими в себя расширяющийся лёд и гелевую воду. Это снимает гидравлическое и осмотическое давление в порах, предотвращая зарождение микротрещин и последующее разрушение структуры бетона при циклическом замораживании-оттаивании. Применение воздухововлекающих добавок позволяет повысить марку бетона по морозостойкости с F50–F100 до F300–F600 и выше.

Улучшение удобоукладываемости и водонепроницаемости

Воздушные микросферы действуют в бетонной смеси как микроскопические шарикоподшипники, снижая внутреннее трение между зёрнами заполнителя и частицами цемента. Это повышает подвижность смеси без увеличения расхода воды, снижает её расслаиваемость и водоотделение. Замкнутые воздушные поры прерывают непрерывную капиллярную сеть, делая путь фильтрации воды более извилистым, что повышает водонепроницаемость на 1–2 ступени.

Наиболее ярко пластифицирующий эффект воздухововлекающих добавок проявляется в смесях с малым расходом вяжущего вещества (до 250–270 кг/м³), где увеличение объёма цементного теста за счёт вовлечения воздуха существенно улучшает реологические свойства. При содержании вовлечённого воздуха не более 5% удаётся повысить пластифицирующее действие добавки, снизить величину водоцементного отношения и получить требуемую прочность бетона с сокращённым расходом цемента.

Эффективность применения воздухововлекающих добавок увеличивается в цементах с минимальным содержанием трёхкальциевого алюмината (C₃A), что связано с особенностями их адсорбции на поверхности клинкерных минералов.

Влияние на прочность

Обратной стороной вовлечения воздуха является снижение прочности бетона на сжатие. В среднем, каждые 1% дополнительно вовлечённого воздуха снижают прочность на 4–6%. Однако за счёт пластифицирующего эффекта воздухововлекающих добавок появляется возможность снизить водоцементное отношение на 5–10%, что частично или полностью компенсирует потерю прочности. При оптимальном содержании воздуха (4–7%) и правильно подобранном составе бетона снижение 28-суточной прочности не превышает 5–8%, что считается допустимым с учётом многократного повышения долговечности.

Дозировка и совместимость

Оптимальная дозировка воздухововлекающих добавок составляет 0,005–0,05% от массы цемента (в пересчёте на сухое вещество) или 0,1–0,3% от массы готового товарного продукта. При таких дозировках добавки не оказывают существенного влияния на степень гидратации цемента и не влияют на состав продуктов гидратации вяжущего вещества. Даже если добавки изготовлены на основе веществ, способных замедлять процессы гидратации (на основе лигносульфонатов), их содержание столь незначительно, что эффектом замедления можно пренебречь.

Дозировка строго регламентируется результатами лабораторных испытаний, так как передозировка ведёт к избыточной пористости, резкому падению прочности и нарушению кинетики твердения.

Воздухововлекающие добавки вводят в смесь вместе с водой затворения. Если кроме данного вида добавок предусмотрены и другие химические добавки, то предпочтительно их раздельное введение, поскольку зачастую эффект вовлечения воздуха снижается при одновременном введении.

Совместимость воздухововлекающих добавок с суперпластификаторами (особенно на основе поликарбоксилатов) требует обязательной проверки. Многие высокоэффективные пластификаторы обладают антипенным эффектом и могут разрушать воздушную фазу, поэтому в комплексных составах часто применяют специальные стабилизаторы вязкости или подбирают модифицированные формы ПАВ, устойчивые к действию поликарбоксилатных эфиров.

Применение в специальных бетонах

Полистиролбетон

Воздухововлекающие добавки находят применение в производстве полистиролбетона — лёгкого бетона с полистирольными гранулами в качестве заполнителя. Введение воздухововлекающих добавок в полистиролбетон позволяет дополнительно снизить плотность материала, повысить его морозостойкость и улучшить структуру цементного камня. При этом воздушные поры, создаваемые добавкой, дополняют пористую структуру полистиролбетона, образованную гранулами пенополистирола, что приводит к синергетическому эффекту повышения теплозащитных и эксплуатационных свойств материала.

Рекомендации по применению

Воздухововлекающие добавки рекомендуется применять в основном для бетонов на портландцементе. При использовании различных смешанных вяжущих веществ необходимо экспериментально устанавливать расход добавок для обеспечения требуемого эффекта.

Долговечность большинства воздухововлекающих добавок составляет не менее одного года. В процессе хранения они не меняют своих свойств, в том числе и при замораживании. Они не токсичны, поэтому не требуют специальных мер предосторожности, однако всегда необходимо соблюдать технику безопасности и меры, предписанные производителями добавок.

Нормативные документы

• ГОСТ 24211-2008 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия»
• ГОСТ 30459-2008 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Методы определения эффективности»
• ГОСТ 10181-2014 «Смеси бетонные. Методы испытаний»
• ASTM C260 «Standard Specification for Air-Entraining Admixtures for Concrete»
• EN 934-2 «Admixtures for concrete, mortar and grout — Part 2: Concrete admixtures»

См. также

• Методы определения содержания воздуха в бетонной смеси
• Совместимость воздухововлекающих добавок и суперпластификаторов
• Влияние размера воздушных пор на морозостойкость
• Пеногасители в технологии бетона
• Полистиролбетон

Литература

//

• Рамачандран В.С., Фельдман Р.Ф., Коллепарди М. Добавки в бетон. Справочное пособие. — М.: Стройиздат, 1988. — 575 с. ISBN 5-274-00208-0.
• Баженов Ю.М. Технология бетона. — М.: Изд-во АСВ, 2002. — 500 с. ISBN 5-93093-138-0.
• Ратинов В.Б., Розенберг Т.И. Добавки в бетон. — М.: Стройиздат, 1989. — 188 с. ISBN 5-274-00566-7.
• Изотов В.С., Соколова Ю.А. Химические добавки для модификации бетона. — М.: Палеотип, 2006. — 244 с.
• Аларханова З.З. Химические добавки для бетонов и растворов: номенклатура, классификация, основной эффект действия // Вестник КНИИ РАН. Серия: Естественные и технические науки. — 2022. — № 1(9). — С. 31-39.
• Морозова Н.Н., Кайс Х.А. Оценка водоредуцирующей активности химических модификаторов в минеральных добавках для цементных бетонов // Вестник технологического университета. — 2015. — Т. 18, № 15. — С. 101-105.
• Демидов Р. В. Введение воздухововлекающих добавок как способ улучшения свойств бетонной смеси и бетона // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. — Самара: СамГАСУ, 2015. — С. 118-120.
• Андрианов А. Ю., Семина И. С. Влияние воздухововлекающей добавки на основные физико-механические свойства полистиролбетона // Архитектура, строительство, транспорт. — Омск: СибАДИ, 2015. — С. 441-445.
• ГОСТ 24211-2008. Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия. — М.: Стандартинформ, 2009.
• ГОСТ 30459-2008. Добавки для бетонов и строительных растворов. Методы определения эффективности. — М.: Стандартинформ, 2009.

//