Современные добавки в бетон: химия прочности и долговечности

Бетон является одним из самых универсальных и широко применяемых строительных материалов, который используется в инфраструктурных проектах, жилищном строительстве, транспортных сооружениях и во множестве других отраслей. Однако современные требования к прочности, долговечности, устойчивости к агрессивным средам, скорости набора прочности и удобоукладываемости значительно превосходят возможности традиционного состава бетонной смеси.

В этой связи особое значение приобретают добавки — вещества, способные кардинально изменить свойства как свежеприготовленного, так и уже затвердевшего бетона. Эти модифицирующие компоненты вводятся в микродозах, но оказывают макроэффект, позволяя управлять водоудерживающей способностью смеси, скоростью твердения, морозостойкостью, подвижностью и даже долговечностью конструкции. Правильный выбор и дозировка добавок — это стратегически важная часть технологии бетонирования.

Идея модификации строительных смесей уходит корнями в глубокую древность. Еще в Древнем Риме при строительстве акведуков и купольных конструкций Пантеона применялись вулканические золы (пуццоланы), которые по сути были первыми минеральными добавками — они улучшали прочность и устойчивость римского бетона к воздействию воды.

В новое время добавки стали активно использоваться с началом индустриального строительства в XIX веке. Одними из первых массовых добавок стали гипс и зола, используемые в портландцементе. С середины XX века с развитием химической промышленности появились синтетические пластификаторы и ускорители твердения, позволившие улучшить укладываемость и повысить эффективность укладки бетона в сложных климатических условиях.

Определение и классификация добавок в бетон

Добавки в составы бетонов и строительных растворов внедряются с целью улучшения эксплуатационных, технологических и физических характеристик как самой смеси, так и конечного затвердевшего материала. Подобные компоненты также называют модификаторами, поскольку они значительно трансформируют свойства как свежеприготовленного, так и застывшего бетона или раствора.

Эти модифицирующие компоненты условно делятся на две большие группы: химические и минеральные добавки. Каждая из них оказывает свое специфическое влияние на состав и структуру бетона в зависимости от применяемой технологии.

Минеральные добавки, как правило, представляют собой порошкообразные компоненты тонкого помола, чья степень дисперсности эквивалентна или превышает степень помола цемента. Они могут внедряться на разных этапах: как в процессе получения цемента (например, при производстве портландцемента с минеральными добавками), так и при приготовлении бетонной смеси. Однако способ их введения (в цемент или уже в смесь) оказывает незначительное влияние на конечные показатели прочности и долговечности материала.

Важно отметить, что минеральные добавки в исходном состоянии, как правило, не обладают вяжущими свойствами. Тем не менее, при достаточно тонком измельчении и в присутствии влаги, они способны вступать в химические реакции с гидроксидом кальция. Эти реакции происходят даже при обычной температуре, но усиливаются при тепловой обработке, способствуя формированию новых соединений с вяжущими свойствами. Как правило, такие тонкодисперсные наполнители дозируются в пределах 5…30% от массы цемента, обеспечивая оптимальный эффект.

С другой стороны, химические добавки (также относящиеся к модификаторам) — это вещества природного или искусственного происхождения, которые вносятся в бетонные смеси в небольших концентрациях, обычно в пределах 0,003…5% по массе цемента. В большинстве случаев их добавляют в виде растворов одновременно с водой затворения. Действующие нормы определяются такими документами, как СТБ 1112, СТБ EN 206-1, СТБ EN 934, а также ГОСТ 24211.

Основные параметры, по которым оценивается качество химических модификаторов:

• документально установленная эффективность — способность изменять свойства бетона в заданном направлении без возникновения отрицательных эффектов, определяется согласно ГОСТ 30459 и нормативам на конкретную добавку;
• внешний облик (состояние, цвет, равномерность) — устанавливается визуальной оценкой;
• массовое содержание сухого остатка (%) — измеряется лабораторно по СТБ 1112;
• плотность (г/см³) — определяется в соответствии с установленными нормативными методиками. Допустимые колебания составляют не более 0,02…0,03 г/см³ от регламентированных значений;
• растворимость в водной среде — тестируется согласно техническим требованиям к каждой конкретной добавке;
• уровень рН (водородный показатель) — фиксируется в соответствии с СТБ 1112. Допустимое отклонение составляет не более ±0,5 от заданного значения;
• наличие веществ, способных вызывать коррозию арматуры либо снижать стойкость бетона — контролируется специальными методами, утвержденными нормативными документами. Концентрация этих компонентов не должна превышать значения, установленные производителем.

При необходимости могут быть учтены и дополнительные параметры, в том числе температура начала кристаллизации, устойчивость при многократном замораживании/оттаивании, количество нерастворимых примесей и другие факторы, влияющие на поведение добавки в бетонной смеси.

Согласно функциональному назначению, добавки классифицируются следующим образом:

• модификаторы, изменяющие параметры бетонных смесей (в том числе водоредуцирующие, пластифицирующие, стабилизирующие, водоудерживающие, повышающие транспортируемость, а также замедляющие или ускоряющие потерю подвижности);
• добавки, корректирующие процессы твердения (ускоряющие, замедляющие, противоморозные модификаторы I и II групп);
• добавки, регулирующие окончательные свойства застывшего бетона (повышающие воздухововлечение, газообразование, гидрофобные качества, стойкость к агрессивным средам и антикоррозионную защиту арматуры).

Также добавки подразделяются по нескольким дополнительным критериям:

• по составу: однокомпонентные (ДО) и комбинированные (ДК);
• по физическому состоянию: жидкие (Ж), пастообразные (П), твердые (Т);
• по химической природе: органические и неорганические соединения;
• по уровню кислотности (водородному показателю): кислые, нейтральные и щелочные (основные).

Разновидности добавок

Добавки пластифицирующего типа включают в себя следующие категории:

• средства суперпластифицирующего, сильно пластифицирующего и обычного пластифицирующего действия – способные значительно улучшать текучесть, подвижность и растекаемость бетонных смесей при введении в их состав;
• редукторы водоцементного соотношения – водопонижающие, водоредуцирующие или высокоэффективные добавки, обеспечивающие требуемую удобоукладываемость при меньшем расходе воды.

Суперпластификаторы позволяют повысить удобоукладываемость бетонных смесей от класса П1 (осадка конуса 2–4 см) до П5 (ОК = 21 см), а их способность к снижению водопотребности часто превышает 20%. Для сильнопластифицирующих средств диапазон — от П1 до П4, в то время как обычные пластификаторы действуют в пределах от П1 до П3. В стандартах ЕС принято классифицировать добавки на пластификаторы (эффективность ≤12%) и суперпластификаторы (эффективность >12%).

Указанные вещества могут снижать расход воды, не ухудшая подвижность смеси, или наоборот – увеличивать подвижность без изменения водоцементного отношения. Часто оба эффекта проявляются одновременно. Добавки такого типа относятся к категории поверхностно-активных соединений и классифицируются как гидрофильные или гидрофобные по механизму действия. Их применение эффективно для бетонов любых прочностных классов, в том числе сборных и монолитных конструкций, используемых в разнообразных условиях эксплуатации.

Результаты их применения выражаются в снижении потребности в цементе (на 5…20%), уменьшении расслоения, увеличении плотности и водонепроницаемости, а также приросте прочности при сохранении подвижности смеси. Кроме того, они способствуют улучшенной гомогенизации состава. Однако возможны и побочные эффекты – в частности, замедление набора прочности на сроке до 28 суток (до 5…10%).

Эффективность добавки возрастает при применении цементов с высокой удельной поверхностью и большим содержанием вяжущего. Тем не менее, рекомендуется учитывать химический состав и наличие активных минеральных добавок, так как они влияют на совместимость пластификаторов.

Стабилизирующие (водоудерживающие) добавки уменьшают или полностью исключают водоотделение и расслоение растворов и бетонных смесей – в некоторых случаях вдвое и более. За счёт этого улучшается равномерность структуры, повышается однородность и технологичность, в частности при перекачивании. Такие добавки замедляют процессы схватывания и твердения. Эффект достигается путём создания устойчивого микрогеля на поверхности цементных частиц, благодаря перераспределению влаги от свободной к пленочной форме.

Добавки, влияющие на сохранение подвижности способствуют изменению времени, в течение которого смесь сохраняет начальную текучесть. Это значение может увеличиваться или уменьшаться более чем в 1,5 раза. Одновременно с этим изменяется и кинетика тепловыделения и набора прочности. Иногда они вызывают появление высолов на поверхности. Такие добавки часто применяются вместе с минеральными наполнителями – особенно в тёплый период или при необходимости транспортировки бетонной смеси на дальние расстояния. В состав могут входить как ускорители, так и замедлители процессов схватывания.

Добавки расширяющего действия используются для компенсации усадочных процессов в раннем и затвердевшем возрасте бетона. Они обеспечивают деформации расширения не менее 0,2% и эффективно предотвращают образование усадочных трещин. Механизм действия позволяет классифицировать такие составы на три группы:

• добавки, обеспечивающие контролируемое расширение на стадии пластичности (как правило, это газообразующие составы);
• вещества, вызывающие расширение как в свежем, так и в затвердевшем состоянии, включая модификаторы на основе сульфоалюминатов кальция (РСАМ) и известковых компонентов;
• составы, проявляющие расширяющее действие исключительно в затвердевшем бетоне, обычно содержащие железную стружку или компоненты, окисляющиеся под действием влаги и воздуха.

Дополнительные преимущества таких добавок могут включать: уменьшение периода сохраняемости удобоукладываемости, повышение темпа тепловыделения, более раннее начало схватывания, снижение водопроницаемости и улучшение свойств бетона – прочности, морозо- и трещиностойкости, стойкости к коррозии.

Ускоряющие схватывание составы предназначены для резкого уменьшения времени, за которое бетонная смесь переходит из пластичной формы в твёрдое состояние. Эти добавки включают как активные компоненты, напрямую вызывающие схватывание (например, хлориды кальция или железа), так и пластифицирующие/водоредуцирующие добавки с комбинированным действием. Последние, при снижении водоцементного отношения, демонстрируют как ускоряющее, так и улучшающее подвижность действие.

Ускорители твердения способствуют интенсификации набора прочности, повышая скорость процессов гидратации, не обязательно изменяя момент начала схватывания. Они активизируют тепловыделение, особенно на начальной стадии, и позволяют быстрее достигать эксплуатационных характеристик. Такие добавки, как правило, являются солями сильных кислот (азотной, серной, соляной, угольной и т. п.). В большинстве случаев ускорение твердения сопровождается и ускорением схватывания. Однако нередко на поверхности конструкций появляются высолы, что следует учитывать при выборе добавки и условий её применения.

Замедлители схватывания вводятся в бетонные и растворные смеси с целью увеличения продолжительности перехода состава из пластичной в твердую фазу, снижая начальную активность взаимодействия цемента с водой. Эти добавки позволяют значительно продлить жизнеспособность смеси при укладке и транспортировке. При этом следует учитывать, что превышение рекомендуемой дозировки может привести к серьезному удлинению сроков твердения. К примеру, добавление 0,1% сахарозы от массы цемента способно отсрочить начало схватывания с 4 до 14 часов, 0,25% — до 6 суток, а превышение этой дозы способно полностью заблокировать гидратационные процессы.

Существуют следующие категории замедляющих добавок:

• водоредуцирующие и пластифицирующие замедлители – они оказывают двойной эффект: повышают удобоукладываемость смеси и одновременно отодвигают момент начала схватывания;
• высокопластифицирующие и высоководоредуцирующие – эффективны при подаче бетона насосами, так как сочетают хорошую перекачиваемость с задержкой схватывания;
• замедлители твердения – способны приостановить набор прочности на 30% и более в первые 1–3 суток, а также понижать раннюю прочность бетона при стандартных условиях твердения с незначительным снижением прочности к 28 суткам (до 5%). Их действие объясняется образованием на поверхности цементных зерен пленок ПАВ, блокирующих контакт с водой и замедляющих развитие структуры цементного камня.

Порообразующие добавки используются для формирования в структуре бетона контролируемой системы пор. Их назначение — увеличение объема вовлеченного воздуха до определенных значений: 1,5–5% — в конструкционных смесях, 6–30% — в конструкционно-теплоизоляционных, и 15–90% — в ячеистых (теплоизоляционных) бетонах. Они классифицируются следующим образом:

• воздухововлекающие – снижают поверхностное натяжение на границе фаз «вода–воздух», стабилизируя сферические воздушные пузыри диаметром до 0,2 мм в количестве 6–15%. Это повышает подвижность смеси, снижает риск расслоения, способствует морозостойкости и уменьшает теплопроводность. Однако прочность может снизиться, особенно у бетонов низких марок. Этот недостаток можно компенсировать сокращением количества воды при сохранении подвижности;
• газообразующие – в процессе взаимодействия с продуктами гидратации цемента выделяют газ, равномерно распределяющийся по объему смеси. В ячеистом бетоне объем газа может достигать 90%, формируя замкнутые, равномерные поры, не ухудшающие прочность при заданной плотности. Различаются:
• однокомпонентные – содержат один основной газообразующий агент и минимальное количество дополнительных веществ. В Беларуси применяются такие добавки, как жидкость ГКЖ-94 и алюминиевая пудра ПАК;
• многокомпонентные – включают ряд компонентов, обеспечивающих дополнительные свойства: уменьшение водопотребности, ускоренное твердение, повышение прочности и др.;
• пенообразующие – это вещества с высоким поверхностным действием, образующие устойчивую техническую пену. При смешивании с цементным тестом увеличивают объем воздуха до 10–25%, способствуя получению легких ячеистых бетонов с пониженной плотностью.

Воздухововлекающие и газообразующие добавки, наряду с увеличением морозостойкости, водонепроницаемости и антикоррозионной стойкости, дополнительно уменьшают теплопроводность и массу легких и теплоизоляционных бетонов.

Добавки, усиливающие прочностные характеристики обеспечивают прирост прочности в проектном возрасте не менее чем на 20%, одновременно снижая усадку, проницаемость и ползучесть. Они также положительно влияют на антикоррозионную устойчивость готового бетона.

Добавки для снижения проницаемости значительно повышают водонепроницаемость — как минимум на две марки (например, с W10 до W14–W16) и многократно (в 10 раз и более) снижают коэффициент диффузии. При этом может наблюдаться изменение реологических характеристик смеси, рост прочности, устойчивости к морозу и агрессивным средам, а также повышение защитных свойств бетона по отношению к арматурной стали.

Добавки-антикоррозионные — это вещества, повышающие стойкость арматуры в бетоне к коррозии, особенно в условиях агрессивных сред. Они активируют процесс пассивации стали, формируя на её поверхности пленки гидроксида железа, препятствующие дальнейшему окислению. Эффективность добавки можно оценить по уровню плотности тока: при потенциале +300 мВ он не должен превышать 10 мА/см². Чем ниже порог тока, вызывающего скачок напряжения, тем действеннее ингибитор. Рост напряжения указывает на развитие коррозии, что делает контроль этого параметра важным для оценки эффективности.

Дополнительно такие ингибиторы увеличивают текучесть смеси, способствуют набору прочности даже при минусовых температурах, улучшают электропроводность бетона, уменьшают проницаемость к ионам и могут по-разному влиять на окончательную прочность материала.

Антикоррозионные добавки, направленные на улучшение стойкости самого бетона, связывают в нем свободный гидроксид кальция Ca(OH)₂ в труднорастворимые соединения. Это способствует снижению пористости, улучшению гидрофобных свойств, формированию расширительных деформаций и, как следствие, увеличению герметичности и долговечности конструкции.

Добавки, обеспечивающие увеличение морозостойкости бетонных смесей представляют собой, как правило, специально подобранные комбинации компонентов, среди которых основное место занимают воздухововлекающие и пластифицирующие вещества. Эти составы не только способствуют росту подвижности смеси без потерь по прочности после твердения, но и обеспечивают комплексное улучшение таких характеристик, как водонепроницаемость, стойкость к коррозии и долговечность самого бетона. Эффективность подобных добавок оценивается по достижению повышения морозостойкости на две и более марки.

Противоморозные добавки предназначены для обеспечения возможности твердения бетона и строительных растворов в условиях пониженных температур. Их основная функция заключается в защите материала от замерзания на этапах транспортировки, укладки и до начала прогрева. При понижении температуры до отрицательных значений, свободная вода в смеси переходит в лед, приостанавливая гидратационные процессы цемента, что одновременно влечет прекращение тепловыделения. Образование ледяных кристаллов внутри цементного камня на ранних стадиях его формирования вызывает разрушение микроструктуры, что увеличивает пористость и приводит к существенной потере прочности.

Для предотвращения этих разрушений применяются специальные химические соединения, которые либо понижают точку замерзания воды, либо одновременно с этим ускоряют процессы схватывания и твердения. При наличии таких добавок в составе смеси вода сохраняет жидкое состояние даже при температуре в диапазоне –10…–30 °С, что позволяет продолжить процесс гидратации цемента. Однако стоит учитывать, что применение противоморозных добавок может сопровождаться сокращением времени сохраняемой удобоукладываемости и образованием на поверхности изделий высолов.

Гидрофобизирующие добавки призваны значительно уменьшить капиллярное впитывание влаги в структуру бетона. Они действуют путем взаимодействия с продуктами гидратации цемента, где их молекулы осаждаются на внутренних стенках микропор и капилляров, образуя влагонепроницаемые гидрофобные пленки. Это приводит к затруднению проникновения воды внутрь материала и снижает смачиваемость поверхности. Основным показателем эффективности данных добавок является уровень снижения водопоглощения.

Согласно классификации, добавки подразделяются по степени их воздействия: добавки третьей группы (например, ГКЖ-10, ГКЖ-11) способны сократить водопоглощение в 1,4–1,9 раза; ко второй группе относятся, в частности, полигидросилоксаны, снижающие водопоглощение в 2–4,9 раза; к первой группе причисляются самые эффективные, такие как органо-минеральные соединения, обеспечивающие пятикратное и более снижение поглощения воды.

Помимо гидрофобизации, эти добавки способствуют равномерному распределению макропор (размером 0,05…0,5 мм) и улучшению общей структуры цементного камня. Они также способствуют снижению тепловыделения в процессе твердения, увеличению стойкости к циклам замораживания-оттаивания и защите от химической коррозии. Однако использование подобных добавок может сопровождаться снижением скорости схватывания и замедлением набора прочности.

Кольматирующие (уплотняющие) добавки представляют собой вещества, способствующие проникновению в поры цементного камня и последующему их заполнению нерастворимыми соединениями. В результате существенно увеличивается как водонепроницаемость, так и устойчивость бетона к газам и агрессивным средам. Кроме того, такие добавки оказывают положительное влияние на устойчивость к химической и биологической коррозии.

Полифункциональные добавки или так называемые многоцелевые модификаторы (ПФМ), выполняют сразу несколько функций, одновременно улучшая ряд эксплуатационных характеристик как бетонной смеси, так и затвердевшего материала. Они позволяют добиться баланса между подвижностью, удобоукладываемостью, прочностью и другими свойствами. Применение комплексных добавок позволяет нейтрализовать побочные эффекты, присущие их отдельным компонентам.

Типичным примером таких веществ являются органо-минеральные составы марки МБ, состоящие из микрокремнезема, золы-уноса, суперпластификаторов, регуляторов твердения и других компонентов, находящихся в оптимальных пропорциях. Представленные в виде порошка с насыпной плотностью порядка 800 кг/м³, они обеспечивают получение бетонов с повышенной прочностью (до 50…60 МПа и выше), высокими показателями плотности (водонепроницаемость на уровне W12 и более), увеличенной морозостойкостью (F300+) и отличной стойкостью к коррозии.

Химические добавки производятся в различных формах:

• в порошкообразной (например, СН, НК) с содержанием сухого вещества не менее 90%;
• в жидкой (С-3, а также продукции компаний «Стахема», «Полипласт» и других), где массовая доля сухих веществ не превышает 30…35%;
• в пастообразной (например, СНВ, СДО), содержание активных веществ в которой достигает 70% и выше.

Все эти формы позволяют выбрать оптимальное решение для конкретных условий бетонирования, повышая эффективность строительных процессов.

Интересные факты о добавках в бетон:

• Некоторые добавки работают на молекулярном уровне, влияя на рост кристаллов цементного камня и уменьшая микротрещины.

• Современные противоморозные добавки позволяют вести бетонирование при температурах до –25 °C без применения тепловой обработки.

• Воздухововлекающие добавки специально создают в бетоне микропузырьки воздуха, увеличивая его морозостойкость и устойчивость к циклам замораживания-оттаивания.

• Существуют биодобавки, содержащие бактерии, способные заделывать микротрещины в бетоне, используя минеральные компоненты и влагу — технология самовосстановления.

• В ряде стран (например, в Японии и Германии) разработаны экологичные добавки на основе отходов промышленности, таких как зола уноса и доменный шлак, что позволяет снизить углеродный след строительства.

Добавки в бетон — это важнейший инструмент современной строительной технологии, позволяющий адаптировать бетонные смеси под конкретные условия эксплуатации, архитектурные задачи и требования к срокам строительства. Их грамотный выбор и точное дозирование позволяют не только улучшить технологические и эксплуатационные свойства бетона, но и оптимизировать затраты, увеличить срок службы конструкций, повысить устойчивость к воздействию окружающей среды.

Классификация добавок по химическому составу, физическому состоянию, функциональному назначению и нормативным параметрам служит основой для стандартизации в проектировании и строительстве. Понимание принципов действия минеральных и химических модификаторов открывает широкие возможности для инноваций в производстве высокоэффективных бетонных смесей нового поколения.

• Об авторе
• Недавние публикации

Александр Лавриненко

Александр Лавриненко недавно публиковал (посмотреть все)

• Современные добавки в бетон: химия прочности и долговечности - 14.06.2025
• Фибра в составе бетона: виды, свойства и применение - 14.06.2025
• Арматура в железобетонных конструкциях: классификация, свойства и применение - 14.06.2025