Классификация химических добавок

Классификация химических добавок представляет собой систематизированное распределение неорганических и органических веществ естественного и искусственного происхождения, вводимых в состав бетонных и растворных смесей в процессе их приготовления, по группам в зависимости от их химической природы, механизма действия и целевого назначения. Химические добавки являются неотъемлемым компонентом современной технологии бетона, позволяющим целенаправленно регулировать реологические свойства смесей, кинетику гидратации портландцемента, а также эксплуатационные характеристики затвердевшего бетона — его прочность, морозостойкость, водонепроницаемость и долговечность.

Исторически первые химические добавки появились ещё в античности: древнеримские строители использовали животные жиры, молоко и растительные слизи для повышения удобоукладываемости и водонепроницаемости римского бетона. Промышленное производство химических добавок началось в 1930-е годы с внедрением лигносульфонатов — побочных продуктов целлюлозной промышленности. Современная номенклатура химических добавок насчитывает более 1500 наименований, а их расход в составе бетона, как правило, не превышает 1–5 % от массы цемента, что делает их применение экономически эффективным инструментом модификации свойств материала.

Классификация по назначению согласно ГОСТ 24211-2008

Основным нормативным документом, регламентирующим классификацию добавок в Российской Федерации, является ГОСТ 24211-2008 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия». Согласно этому стандарту, все добавки подразделяются на четыре крупные группы в зависимости от того, на какую стадию технологического процесса или какое свойство материала они преимущественно воздействуют.

Добавки, регулирующие свойства бетонных и растворных смесей

Первая группа объединяет вещества, воздействующие преимущественно на свежеприготовленную бетонную смесь до момента её схватывания. К этой группе относятся пластифицирующие добавки, которые повышают подвижность смеси без увеличения расхода воды, что особенно важно при бетонировании густоармированных конструкций и при использовании самоуплотняющихся бетонов. Механизм их действия основан на адсорбции молекул поверхностно-активных веществ на поверхности частиц цемента и создании электростатического или стерического отталкивания между ними, что разрушает коагуляционную структуру цементного теста.

Водоредуцирующие добавки позволяют снизить водоцементное отношение при сохранении заданной подвижности смеси, что напрямую ведёт к повышению прочности и долговечности бетона. К этой же группе относятся стабилизирующие добавки, предотвращающие расслаивание и водоотделение бетонной смеси при транспортировке и укладке, а также добавки, регулирующие сохраняемость подвижности смеси, — их применение особенно востребовано в жаркое время года и при длительной транспортировке смеси автобетоносмесителями. Воздухововлекающие добавки, такие как смола древесная омыленная (СДО) и смола нейтрализованная воздухововлекающая (СНВ), формируют в структуре смеси равномерно распределённые микроскопические поры диаметром 10–300 мкм, которые существенно повышают морозостойкость и водонепроницаемость бетона, хотя и приводят к некоторому снижению его прочности на сжатие.

Добавки, регулирующие свойства бетонов и растворов

Вторая группа объединяет добавки, воздействующие преимущественно на процессы гидратации и структурообразования затвердевающего бетона. Замедлители схватывания, к которым относятся сахар, лигносульфонаты и некоторые фосфаты, применяются при длительной транспортировке бетонной смеси и бетонировании в условиях повышенных температур, тогда как ускорители твердения, такие как хлорид кальция, нитрат кальция, хлорид натрия и поташ, сокращают сроки распалубки и обеспечивают набор прочности в ранние сроки, что особенно важно при производстве сборных железобетонных изделий.

К этой же группе относятся добавки, повышающие прочность бетона за счёт уплотнения его структуры, добавки, снижающие проницаемость и повышающие водонепроницаемость, а также ингибиторы коррозии арматуры, обеспечивающие сохранность стальной арматуры в железобетонных конструкциях, эксплуатируемых в агрессивных средах. Расширяющие добавки компенсируют усадочные деформации бетона за счёт образования в структуре цементного камня фаз с увеличенным молекулярным объёмом — преимущественно эттрингита, что особенно востребовано при возведении водонепроницаемых и монолитных резервуаров.

Добавки, придающие бетонам специальные свойства

Третья группа включает вещества, придающие бетону принципиально новые функциональные свойства. Противоморозные добавки, к которым относятся хлорид кальция, формиаты, нитраты и мочевина, понижают температуру замерзания воды затворения и обеспечивают гидратацию цемента при отрицательных температурах до −25 °C, что делает возможным зимнее бетонирование без применения электропрогрева. Гидрофобизирующие добавки на основе кремнийорганических соединений, жирных кислот и мылонафта придают стенкам пор бетона водоотталкивающие свойства, препятствуя развитию капиллярного подсоса влаги.

Особую группу составляют фотокаталитические добавки на основе диоксида титана, придающие бетону способность к самоочищению под воздействием ультрафиолетового излучения — разложению органических загрязнений, плесени, бактерий и частиц выхлопных газов. К специальным добавкам также относятся пигменты для декоративных бетонов, добавки для радиационно-стойких и жаростойких бетонов, а также вещества, обеспечивающие электропроводность бетона при введении углеродных волокон или металлических частиц.

Минеральные добавки

Отдельную позицию в классификации ГОСТ 24211-2008 занимают Минеральные добавки, которые, в отличие от химических, являются дисперсными неорганическими материалами и вводятся в бетон в значительно больших количествах — до 20–30 % от массы вяжущего. Активные минеральные добавки (тип I) подразделяются на обладающие вяжущими свойствами (микрокремнезём, метакаолин), обладающие пуццолановой активностью (зола-уноса, природные пуццоланы, трепел) и совмещающие оба типа активности. Инертные минеральные добавки (тип II) — тонкомолотые известняки, доломиты, песчаники — выполняют функцию микронаполнителей, уплотняющих структуру бетона и снижающих его себестоимость.

Классификация по химической природе

Помимо нормативной классификации по назначению, в научной и технической литературе широко применяется систематизация химических добавок по их химической природе.

Неионогенные поверхностно-активные вещества (НПАВ), такие как спирты, эфиры целлюлозы и оксиды этилена, адсорбируются на поверхности частиц цемента преимущественно за счёт водородных связей и обеспечивают стерическое отталкивание, что характерно для современных поликарбоксилатных пластификаторов (суперпластификатор С-3, модифицированные поликарбоксилаты).

Анионоактивные поверхностно-активные вещества (АПАВ) — лигносульфонаты, алкилбензолсульфонаты, мыла — диссоциируют в водных растворах с образованием отрицательно заряженных ионов, адсорбирующихся на положительно заряженных участках поверхности цемента.

Катионоактивные ПАВ встречаются в технологии бетона значительно реже из-за высокой стоимости и низкой совместимости с большинством цементов.

Электролиты-соли (хлориды, нитраты, сульфаты, формиаты) воздействуют преимущественно на кинетику гидратации за счёт изменения растворимости клинкерных минералов — алита, белита, трёхкальциевого алюмината.

Классификация по механизму действия

С точки зрения физико-химической механики структурирования цементных систем, добавки можно классифицировать по механизму их воздействия на структуру цементного камня.

Диспергирующие добавки разрушают коагуляционную структуру цементного теста за счёт пептизации слипшихся частиц цемента, что приводит к высвобождению связанной воды и повышению подвижности смеси без увеличения водоцементного отношения.

Порообразующие добавки — газообразователи (алюминиевая пудра) и пенообразователи (клееканифольные, смолосапониновые) — формируют в структуре бетона замкнутые поры, что необходимо при производстве ячеистых бетонов — пенобетона и газобетона.

Плёнкообразующие добавки на основе полимерных дисперсий, жидкого стекла и кремнийорганических соединений формируют на стенках капилляров и пор гидрофобные плёнки, снижающие капиллярный подсос влаги.

Кристаллизующие добавки (пенетрирующие материалы на основе активных химических соединений) проникают в структуру бетона и образуют нерастворимые кристаллогидраты в порах и микротрещинах, обеспечивая самозалечивание дефектов.

Хелатообразующие добавки связывают ионы кальция и алюминия в комплексные соединения, регулируя тем самым скорость гидратации и сроки схватывания — именно по такому механизму работают сахар и некоторые фосфаты как замедлители твердения.

Методология оценки эффективности добавок

Оценка эффективности химических добавок осуществляется по комплексу показателей, нормируемых ГОСТ 24211-2008 и соответствующими методами испытаний. Для пластификаторов ключевым показателем является эффективность пластификации — прирост подвижности бетонной смеси при постоянном водоцементном отношении, либо эффект водоредуцирования — снижение водопотребности при постоянной подвижности. Для воздухововлекающих добавок контролируется объём и размерный состав вовлечённого воздуха в бетонной смеси, для противоморозных — обеспечиваемая температура бетонирования и прочность бетона в заданные сроки.

Современная методология оценки добавок, развиваемая в работах Чамурлиева М. Ю., Коровкина М. О. и других исследователей, предполагает комплексный подход, учитывающий не только изолированное влияние добавки на отдельные свойства, но и её взаимодействие с минералогическим составом цемента, совместимость с другими химическими добавками, а также влияние на долговечность бетона в долгосрочной перспективе. Особое внимание уделяется оценке коррозионной стойкости модифицированных бетонов и их стойкости к щелочно-силикатной реакции.

Нормативные документы

Классификация и требования к химическим добавкам в Российской Федерации регламентируются рядом межгосударственных и национальных стандартов:

• ГОСТ 24211-2008 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия» — основной документ, устанавливающий классификацию, технические требования и методы контроля добавок.
• ГОСТ 30459-2015 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Определение и оценка эффективности» — устанавливает методы испытаний добавок.
• ГОСТ Р 56592-2015 «Добавки минеральные для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия» — нормирует требования к минеральным добавкам.
• СП 28.13330.2017 «Защита строительных конструкций от коррозии» — регламентирует применение добавок, повышающих коррозионную стойкость железобетона.

На международном уровне классификация добавок гармонизирована со стандартами EN 934 «Admixtures for concrete, mortar and grout» (серия из 15 частей, охватывающих различные типы добавок) и ASTM C494 «Standard Specification for Chemical Admixtures for Concrete», который разделяет химические добавки на семь типов — от Type A (водоредуцирующие) до Type G (водоредуцирующие с замедлением).

См. также

• Добавки для бетонов и растворов
• Минеральные добавки
• Пластификаторы
• Воздухововлекающие добавки
• Ускорители схватывания и твердения
• Противоморозные добавки
• Гидрофобизаторы
• Ингибиторы коррозии арматуры
• Несовместимость компонентов бетона
• Водоцементное отношение

Литература

//

• Ратинов В. Б., Розенберг Т. И. Добавки в бетон. Изд-во Стройиздат, 1989. 188 с. ISBN 5-274-00566-7
• Рамачандран В. С., Фельдман Р. Ф., Коллекпарди М. Добавки в бетон. Справочное пособие. Изд-во Стройиздат, 1988. 575 с. ISBN 5-274-00208-0
• Батраков В. Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. Изд-во АВБ, 1998. 768 с.
• Изотов В. С., Соколова Ю. А. Химические добавки для модификации бетона. Изд-во Палеотип, 2006. 244 с. ISBN 5-94727-300-4
• Таркаканов О. В. Химические добавки в растворы и бетоны. Изд-во ПГУАС, 2016. 156 с. ISBN 978-5-9282-1365-7
• Крамар Л. Я., Трофимов Б. Я., Черных Т. Н., Кирсанова А. А. Модификаторы цементных бетонов и растворов. Технические характеристики и механизм действия. Издательский центр ЮУрГУ, 2017. 145 с. ISBN 978-5-696-04898-7
• Перцев В. Т., Леденев А. А. Разработка эффективных комплексных органоминеральных добавок для регулирования реологических свойств бетонных смесей. 2012. 136 с. ISBN 978-5-89040-395-7
• Зоткин А. Г. Бетоны с эффективными добавками. Изд-во Инфра-Инженерия, 2016. 160 с. ISBN 978-5-9729-0079-4
• Вавржин Ф., Крчма Р. Химические добавки в строительстве. Изд-во литературы по строительству, 1964. 288 с.
• Афанасьев Н. Ф., Целуйко М. К. Добавки в бетоны и растворы. Изд-во Будiвельник, 1989. 128 с. ISBN 5-7705-0184-7

//