Материалы для приготовления бетонов и строительных растворов

1. Вода

В технологии бетонных и железобетонных работ на изготовление 1 м³ бетона требуется 500…1000 л воды. Она необходима для приготовления бетонных и растворных смесей, поливки твердеющего бетона и промывки заполнителей. Во всех случаях к использованию допускается вода следующих видов:

• вода питьевая, удовлетворяющая требованиям ГОСТ 2874, т.е. не всякая питьевая вода пригодна для бетона. Например, минеральная, термальная, лечебная и другие виды питьевой воды из-за повышенного содержания в ней примесей и солей могут оказаться непригодными для бетона;
• вода после промывки оборудования по приготовлению и транспортированию бетонных и растворных смесей;
• поверхностная и грунтовая вода;
• техническая вода.

Все виды воды не должны содержать химических соединений и примесей в количестве, которое может отрицательно влиять на сроки схватывания и скорость твердения цемента, прочность, морозостойкость и водонепроницаемость бетона, коррозию арматуры в пределах, превышающих нормы (СТБ 1114).

Вредными примесями в воде считаются органические вещества, растворимые соли, в особенности, содержащие ионы SО₄^–2 и Сl^–1, а также взвешенные частицы глины, пыли, песка, почвы и др. Содержание их в воде ограничивается указанными стандартами.

Органические вещества, как, например, сахар, фенолы, растительные масла, жиры, замедляют процесс твердения цемента и тем самым понижают прочность бетона. Содержание каждого из них не должно быть более 10 мг/л. При большом содержании сахаров процесс схватывания и твердения цементного камня может сдвинуться на неопределенный срок. Примеси нефтепродуктов, масел, жиров могут осаждаться на поверхности цементных зерен или зерен заполнителя. В результате они либо замедляют процесс гидратации цемента, либо препятствуют прочному сцеплению цементного камня с заполнителем и тем самым понижают прочность бетона. Вода не должна содержать пленки нефтепродуктов, жиров, масел.

Наличие в воде растворимых солей (сульфат-ионов, ионов хлора и др.) может вызывать неконтролируемое изменение сроков схватывания, скорости твердения бетона, а также коррозию цементного камня и стальной арматуры. Кроме того, они могут кристаллизоваться в порах цементного камня и образовывать на поверхности изделий так называемые высолы, портящие внешний вид фасадов зданий. По этой же причине нельзя применять и воду, содержащую окрашивающие примеси. Не пригодны также болотные, торфяные и сточные воды (как бытовые, так и промышленные) без их предварительной очистки. Кроме того, на использование сточных вод необходимо получать разрешение санитарно-эпидемиологической станции. Водородный показатель рН воды должен быть в пределах 4…12,5.

В сомнительных случаях пригодность воды для бетона устанавливается, как правило, химическим анализом либо путем сравнительных испытаний прочности бетонных образцов, изготовленных на испытываемой воде и на чистой питьевой. Вода считается пригодной для бетона, если приготовленные на ней образцы показали прочность не меньшую, чем на чистой питьевой воде.

2. Заполнители

Определение и классификация. По современной терминологии слово «заполнитель» применимо ко всем типам минеральных ингредиентов (в том числе и к наполнителям) в составе бетона, которые не выполняют функции вяжущего вещества. Однако в соответствии с действующими нормативными документами под заполнителем для бетона понимается смесь минеральных зерен определенного гранулометрического состава – 0,063 мм и выше (СТБ ЕN 12620, СТБ ЕN 13139). К наполнителям (филлерам) относят тонкодисперсный минеральный материал с крупностью зерен до 2 мм (основная часть которого проходит через сито 0,063), вводимый с целью придания строительным материалам определенных свойств (СТБ ЕN 933-10). Кроме того, различают тонкие (мелкие) фракции с размером частиц, проходящих через сито 0,063.

По отечественным стандартам заполнители представляют собой рыхлую смесь зерен минерального или органического происхождения, размеры которых находятся в соответствующих пределах (рис. 1). В зависимости от их размера различают мелкие (с крупностью зерен 0,16…5 мм – пески) и крупные (с крупностью зерен 5…70 мм и более – гравий, щебень).

Рис. 1. Разновидности заполнителей: а – песок; б – щебень; в – кубовидный щебень; г – гравий; д – керамзит; е – вермикулит

По СТБ ЕN 12620 к крупным относят заполнители с крупностью зерен не менее 4 мм, мелким – не более 4 мм. Природную смесь мелкого и крупного заполнителя, содержащую 25…40% песка всего состава, называют песчано-гравийной смесью (ПГС).

По происхождению различают заполнители:

• природные – из минерального сырья, подвергшегося только механической обработке (гравий, щебень);
• искусственные – минерального происхождения, полученные в результате промышленной переработки, включая термическую или другое воздействие (аглопорит, керамзит, перлит, вермикулит);
• побочные продукты – заполнители минерального происхождения, полученные из отходов промышленной переработки и впоследствии подвергшиеся только механической обработке (металлургические и топливные шлаки и золы);
• повторно используемые – полученные путем переработки неорганического материала, ранее используемого в строительстве.

Заполнители в бетоне составляют структурный каркас, в межзерновом пространстве которого находится цементный камень. Доля их в бетоне составляет 80…90% всего объема, и поэтому правильно подобранный гранулометрический состав заполнителя способствует снижению объема пустот и сокращению расхода вяжущего, а следовательно, и усадки бетона. Бетон в таких случаях получается более экономичным, поскольку стоимость заполнителей, как правило, ниже стоимости вяжущих веществ. Кроме того, жесткий пространственный каркас из высокопрочного заполнителя увеличивает прочность бетона, повышает модуль упругости, снижает его деформативность и усадку. Легкий заполнитель снижает массу бетона, улучшает теплотехнические свойства, но способствует росту деформативности, усадки и ползучести.

Свойства. Наиболее существенное влияние на свойства бетона оказывают такие показатели качества заполнителей, как плотность, гранулометрический состав, модуль крупности, форма и характер поверхности зерен, прочность и чистота заполнителя и др. (ГОСТ 8267, ГОСТ 8736).

Для заполнителей различают плотность насыпную, истинную и плотность зерен (частиц).

Насыпная плотность (ρ_н) различных видов заполнителей, наиболее широко применяемых в строительстве, колеблется в довольно широких пределах и составляет (в сухом состоянии):

• для природных тяжелых: гравия, песка – 1500…1700 кг/м³ ;
• пористых заполнителей: аглопорита – 700…900 кг/м³ ; керамзита – 300…700 кг/м³ ; перлита – 120…200 кг/м³ ; вермикулита – 80…150 кг/м³ .

Определяется насыпная плотность по СТБ ЕN 1097-3, 6 и ГОСТ 8735.

Истинная плотность (ρ_и) крупных заполнителей соответствует, как правило, плотности породы (материала), из которых они изготовлены, мелких – определяется по ГОСТ 8735.

Численное значение плотности зерен заполнителя занимает промежуточное значение между истинной и насыпной плотностью. Разница между истинной плотностью и плотностью зерен тем больше, чем больше пористость зерен заполнителя, т.е. горной породы или искусственного исходного материала. В соответствии с СТБ ЕN 206-1 по плотности зерен (ρ_з) различают заполнители тяжелые (ρ_з > 3000 кг/м³ ), нормальной плотности (2000 < ρ_з < 3000 кг/м³ ) и легкие (ρ_з ≤ 2000 кг/м³ или насыпная плотность ρ_н ≤ 1200 кг/м³ ). Определяют плотность зерен заполнителя по методике, изложенной в СТБ ЕN 1097-6.

Гранулометрический состав заполнителя характеризуется содержанием в нем зерен различной крупности (фракций), выраженным в процентах по массе (СТБ ЕN 933-2, ГОСТ 8735). Поэтому часто гранулометрический состав называют еще фракционным (зерновым). Определяется путем рассеивания просушенной пробы мелкого и крупного заполнителей на стандартных (контрольных) ситах с разными диаметрами (размерами ячейки) отверстий. Заполнитель, зерна которого имеют размеры в пределах определенного диапазона контрольных сит, называют фракцией (0,16…0,315; 0,315…0,63; 0,63…1,25 и т.д.).

Граница раздела между крупным и мелким заполнителем по отечественным стандартам проходит по зерну в 5 мм. Однако в разных странах имеются различия в определении мелкого и крупного заполнителей. Согласно СТБ ЕN 12620, СТБ ЕN 933-1 граница раздела между крупным и мелким заполнителями проходит по зерну в 4 мм, а размер отверстий стандартных сит составляет 0,063; 0,125; 0,250; 0,500; 1; 2; 4; 5; 8; 11; 16; 22; 32; 45; 63 и 90 мм.

На каждом сите после просеивания остаются частицы (зерна) с размером, большим размера отверстий данного сита, но меньшим размера вышележащего (более крупного) сита. По результатам просеивания устанавливают частные и полные остатки на ситах, а также модуль крупности мелкого заполнителя. Суммарное содержание зерен заполнителя в пределах двух сит называют частным остатком или фракцией на данном сите и выражают в процентах. Полные остатки рассчитывают как сумму частных на данном сите и всех вышележащих (с более крупными отверстиями) ситах в процентах. Затем полные остатки сравнивают со стандартными требованиями в графической или табличной форме.

Гранулометрический состав заполнителя может быть непрерывным, если содержатся все фракции, и прерывистым, если в заполнителе отсутствует одна или более фракций. Заполнитель, как правило, должен иметь в своем составе определенное соотношение зерен разного размера (фракций), чтобы упаковка его была максимально плотной. В этом случае межзерновая пустотность в нем будет минимальной, а следовательно, потребуется и меньше расход цементного теста для их заполнения. В то же время песок должен содержать и достаточное количество крупных зерен, тогда удельная поверхность зерен тоже будет минимальной и цементного теста для их обволакивания потребуется меньше.

Однако оптимальным для бетона является такой зерновой состав, в котором имеется строго определенное содержание зерен разных фракций, а пустотность и удельная поверхность зерен стремятся к минимуму. При этом удельная поверхность зерен тем меньше, чем больше крупность зерен заполнителя. Для среднезернистых песков она составляет 50…100 см²/г.

В отличие от удельной поверхности пустотность заполнителя практически не зависит от крупности зерен, а определяется характером их упаковки и составляет 20…50%. Поэтому для уменьшения пустотности заполнителя в его состав наряду с крупными зернами необходимо вводить и зерна меньших размеров, чтобы они заполняли промежутки между более крупными зернами, а это соответственно увеличивает удельную поверхность заполнителя. Следовательно, необходимо находить оптимальное соотношение между крупностью зерен и их количественным содержанием.

Модуль крупности (М_к) (величина безразмерная) устанавливают только для мелкого заполнителя и определяют как отношение суммы полных остатков на ситах с размером отверстий 0,16…2,5 мм ко всей пробе, принятой за 100%. Чем больше М_к, тем крупнее мелкий заполнитель (песок), т.е. тем больше в нем зерен крупных фракций. Песок повышенной крупности имеет значение модуля 3,0…3,5; крупный – 2,5…3,0; средний – 2,0…2,5; мелкий – 1,5…2,0 и очень мелкий – 1,0…1,5. Пески ниже средней крупности использовать в бетонах, как правило, не рекомендуется.

Форма зерен заполнителя оценивается соотношением их размеров (СТБ ЕN 933-3). Лучшими считаются заполнители с округлой или кубовидной формой зерен. Удлиненные (игловатые) или пластинчатые (лещадные) зерна, толщина или ширина которых меньше длины в 3 раза и более, укладываются в бетоне чаще всего в строго ориентированном положении (горизонтальном), что делает структуру бетона неоднородной, а его свойства неодинаковыми в разных направлениях (рис. 2). Кроме того, межзерновая пустотность заполнителя с такой формой зерен тоже увеличивается, что требует большего расхода цемента. Содержание зерен лещадной и игловатой формы ограничивается стандартами и определяется по СТБ ЕN 933-3 и СТБ ЕN 933-4. Для получения бетона высокого качества содержание их не должно превышать 35%.

Рис. 2. Разновидности заполнителя с зернами некубовидной и пластинчатой (игловатой и лещадной) формы

Если заполнитель имеет окатанную форму зерен разной крупности, то межзерновая пустотность его уменьшается с увеличением степени окатанности. В международной практике имеют место и другие определения и классификации формы зерен заполнителя (BS812:1960, США).

Характер поверхности заполнителя тоже оказывает существенное влияние на свойства бетонной (растворной) смеси и затвердевшего бетона. Бетонные смеси, приготовленные на заполнителях, имеющих гладкую поверхность (например, гравии), обладают лучшей удобоукладываемостью, чем такие же смеси, приготовленные на заполнителях с шероховатой поверхностью (щебне). В то же время прочность бетонов на заполнителях с более развитой и шероховатой поверхностью при прочих равных условиях всегда выше, чем у бетонов на гравии. Объясняется это большей площадью и качеством сцепления шероховатого заполнителя с цементным камнем.

Прочность заполнителей зависит от их плотности, структуры, других факторов и устанавливается, как правило, только для крупных заполнителей, поскольку прочность обычно применяемых кварцевых песков заведомо выше прочности бетона.

Методика определения прочности для разных заполнителей различная и изложена в соответствующих нормативных документах, в том числе для легких заполнителей в СТБ ЕN 13055-1. Например, прочность щебня характеризуется маркой, соответствующей пределу прочности при сжатии исходной горной породы в водонасыщенном состоянии и составляет 20…140 МПа. Прочность гравия (а также и щебня, если нет данных о прочности исходной горной породы) тоже характеризуется маркой, определяемой по дробимости при испытании на сжатие в стальном цилиндре (ГОСТ 8269.0, СТБ ЕN 1097-2). Чем слабее гравий (щебень), тем больше будет после испытаний раздробленных зерен. Испытываемую пробу гравия (щебня) затем просеивают через сито с размером отверстий 5 мм и определяют показатель дробимости. Он равен отношению содержания раздробленных зерен к общей массе пробы и выражается в процентах. По дробимости, например, гравий подразделяется на марки Др8…Др24. Чем больше число в обозначении марки, тем слабее гравий (щебень) и применять его следует для более низких классов бетона.

Чистота заполнителя оценивается по содержанию в нем вредных примесей: пылевидных, глинистых, органических, сернистых соединений и др. (ГОСТ 8735). Содержание их в заполнителях тоже ограничивается стандартами. Например, пылевидные и особенно глинистые примеси создают на поверхности зерен заполнителя пленку, препятствующую сцеплению их с цементным камнем, повышают водопотребность бетонной смеси и расход цемента, понижают прочность и морозостойкость бетона. Другие примеси могут вступать во взаимодействие с вяжущим веществом и образовывать соединения, понижающие прочность бетона, или вызывать коррозию и т.д.

3. Арматура

Под арматурой понимают линейно протяженные элементы в железобетонных конструкциях, предназначенные для восприятия растягивающих (главным образом) и сжимающих усилий. В зависимости от назначения различают арматуру:

• рабочую, устанавливаемую по расчету для восприятия растягивающих усилий;
• монтажную (конструктивную) – по конструктивным и технологическим соображениям. Она обеспечивает проектное положение рабочей арматуры в конструкции и более равномерно распределяет усилия между отдельными стержнями рабочей арматуры. Кроме того, монтажную арматуру могут устанавливать для восприятия не поддающихся расчету усилий от случайных факторов, а также усадки бетона, изменения температуры, влажности и т.п. Тогда ее называют конструктивной.

Рабочую и монтажную арматуру объединяют в арматурные изделия (сетки, каркасы). По способу применения различают напрягаемую (СТБ 1706, СТБ ЕN 10138-1…10138-4) и ненапрягаемую арматуру (СТБ 1704, СТБ EN 10080).

Арматура может быть металлическая (стальная) и неметаллическая. Преимущественно в строительстве применяется стальная арматура.

По виду проката ее подразделяют на гибкую и жесткую. Гибкая арматура получила наибольшее распространение. Применяют ее в виде отдельных стержней, проволоки или разнообразных изделий из них (сетки, каркасы, витые канаты, пряди и пучки).

По технологии изготовления различают:

• горячекатаную гладкую и периодического профиля диаметром 3…80 мм (ГОСТ 5781);
• термомеханически упрочненную периодического профиля диаметром 6…40 мм (ГОСТ 10884);
• механически упрочненную в холодном состоянии (холоднодеформированную) гладкую и периодического профиля диаметром 3…12 мм;
• арматурные канаты диаметром 6…19 мм, состоящие из группы проволок, свитых так, чтобы было исключено их раскручивание (СТБ ЕN 10138-3).

В большепролетных конструкциях могут применяться канаты других видов – спиральные, двойной связки, закрытые.

По форме поверхности арматура может быть гладкой (S240), периодического профиля для лучшего сцепления с бетоном (S400, S500 и другие классы) и с другим профилем поверхности. Арматура периодического профиля имеет на поверхности, как правило, два продольных ребра и поперечные выступы, идущие по одно-, двухили трехзаходной винтовой линии (рис. 3).

Рис. 3. Виды арматуры с различной конфигурацией периодического профиля: а – металлическая; б – неметаллическая

Стальную арматуру диаметром более 10 мм изготовляют, как правило, в виде стержней различной длины (чаще всего 12 м), меньших диаметров – в мотках. В так называемых сталежелезобетонных конструкциях (состоящих из стальных и железобетонных элементов) применяют листовую и профильную сталь.

По механическим свойствам арматура подразделяется на классы: ненапрягаемая – S240, S400, S500 (СТБ 1704, СТБ EN 10080)

и для предварительно напряженных конструкций – S800, S1200 и S1400 (СТБ 1706, СТБ ЕN 10138-1,2,3,4). Численное значение класса выражает нормативное сопротивление в МПа (Н/мм²). Каждому классу арматуры соответствуют определенные марки арматурной стали.

Арматурную проволоку в зависимости от механических свойств выпускают обыкновенную и высокопрочную, а по форме поверхности – гладкую и периодического профиля (двухили трехстороннего). Основной качественной характеристикой арматурной проволоки является предел прочности (для обыкновенной проволоки) и предел текучести – для высокопрочной (СТБ 1341 и СТБ 1704, ГОСТ 6727 и ГОСТ 7348, ГОСТ Р 52544 и DIN 488). Арматурную проволоку диаметром до 8 мм выпускают в мотках и называют катанкой.

Арматурные канаты (ГОСТ 13840) вьют из высокопрочной холоднотянутой проволоки. Шаг свивки обычно принимают равным 10…16 диаметрам каната. Их выпускают 7-проволочными (К-7) с диаметром проволоки 2…5 мм и диаметром каната, равным сумме диаметров трех проволок, 19-проволочными (К-19) с диаметром проволоки 2,8 мм и диаметром каната 14 мм, многопрядными и др. Длина арматурных канатов ограничивается массой мотков (до 1300 кг).

Арматурные пучки, как правило, изготовляются на месте производства работ и состоят из параллельно расположенных высокопрочных проволок. Проволоки располагаются как в одной плоскости, так и по окружности с зазорами, обеспечивающими проникновение цементного раствора внутрь пучка. По длине через каждый 1 м пучки обматывают мягкой проволокой или опрессовывают металлической полосой, а концы закрепляют специальными анкерами. В многопрядных пучках число отдельных проволок диаметром 4…5 мм может достигать 100 шт. В некоторых случаях вместо проволоки применяются канаты.

Арматурные сетки (ГОСТ 10922, ГОСТ 23279) изготовляют из стержней (прутков арматурной проволоки) диаметром 3…40 мм, расположенных в двух взаимно перпендикулярных направлениях и соединенных в местах пересечений сваркой (крестообразное соединение). Бывают с квадратными или прямоугольными ячейками, плоскими и рулонными. Диаметр проволоки в рулонных сетках составляет 3…5 мм. Рабочая арматура в сетках может быть расположена в одном (продольном или поперечном) или обоих направлениях.

Арматурные каркасы (ГОСТ 10292) изготовляют из продольных и поперечных стержней, соединенных в местах пересечения сваркой (в отдельных случаях – вязкой проволокой). Они могут быть плоскими и пространственными. Плоские каркасы состоят из одного или двух продольных рабочих стержней, монтажного стержня и привариваемых к ним поперечных стержней, расположенных в одной плоскости. Предназначены они для армирования линейных изгибаемых или растянутых железобетонных элементов и конструкций с малой шириной поперечного сечения. Пространственные каркасы изготовляют с поперечными стержнями, расположенными в разных плоскостях.

Жесткую арматуру (прокатные уголки, швеллеры, двутавры) используют в монолитных конструкциях высотных каркасных зданий, в тяжело нагруженных и большепролетных перекрытиях и покрытиях.

Неметаллическая арматура (композитная) выпускается в виде проволоки и стержней различного диаметра (4…20 мм) с равномерно распределенной спиральной рельефностью (см. рис. 3). Изготовляется из продольно ориентированных стеклянных (стеклоровинг), базальтовых (базальторовинг), углеродных и других волокон, связанных в монолит различными смолами (СТБ 1103). В зависимости от вида волокна подразделяется на неметаллическую стеклопластиковую (АНС), базальтопластиковую (АНБ) и др. Положительными свойствами такой арматуры являются высокая коррозионная стойкость, повышенное сопротивление разрыву, низкая плотность (в 3–4 раза ниже металлической), меньшее относительное удлинение при растяжении (в 5–10 раз) и др. Одновременно она характеризуется меньшим модулем упругости, а значит – повышенной способностью к пластическим деформациям и чуствительностью к сжимающим нагрузкам, что затрудняет использование ее в преднапряженных конструкциях.

Наиболее рационально применять неметаллическую арматуру в малоэтажном строительстве, при армировании малых архитектурных форм, промышленных полов, в конструкциях, подверженных воздействию коррозии, перепаду температур и других неблагоприятных условиях их эксплуатации.

4. Фибра

Фибра (от англ. fibre и лат. fibra – волокно, жилка) представляет собой мелкодисперсный равномерно распределенный армирующий компонент в объеме бетона. Вводится в процессе приготовления бетонной смеси с целью повышения физико-механических характеристик бетона. В зависимости от материала изготовления фибра для бетона подразделяется на металлическую (стальную), стеклянную, из базальтовых горных пород, коаксиального строения и другие виды (СТБ ЕN 14889-1 и 2).

Металлическая (стальная) фибра чаще всего выпускается из низко- и высокоуглеродистой и коррозионно-стойкой стали, иногда с латунным покрытием. По способу изготовления и исходному материалу стальную фибру подразделяют:

• на фрезерованную из слябов – имеет недостаточно стабильные свойства, поскольку фрезерование приводит к перекалу металла (синеломкости);
• рубленую из листа – отличается невысокой прочностью и точностью изготовления;
• экструдированную из стального расплава – не обладает повышенными прочностными характеристиками, но достаточно экономичная;
• проволочную – считается наиболее универсальной с гарантированными заданными свойствами. Получают путем формовки и резки тонкой холоднотянутой проволоки, а также рубкой снятых с эксплуатации канатов.

Стальная фибра может иметь различные конфигурацию, поперечное сечение (круглое, прямоугольное) и размеры (рис. 4). В зависимости от способа анкеровки в бетонной матрице ее разделяют в основном на два вида: с фрезерованными концами (плющеные, загнутые или высаженные в виде конуса) и волнообразную. Более качественной считается фибра с крючками на концах и волнистая. Прочность стальной фибры составляет 400…1600 МПа.

Стеклянная фибра – это короткие и тонкие волокна, получаемые путем рубки стеклянных нитей (ровингов), а также вытягиванием расплавленной стекломассы с последующим охлаждением. Она обладает достаточно высокой прочностью на растяжение, устойчивостью к воздействию щелочей и применяется в основном для дисперсного армирования мелкозернистых бетонов и штукатурных растворов.

Базальтовая фибра представляет собой тонкие отрезки заданной длины (5…100 мм), полученные из расплавов базальтовых горных пород. Используется при армировании различных видов бетонных изделий, газо- и пенобетонов, штукатурных растворов. В настоящее время разработаны новые виды фиброволокна коаксиального строения (в отличие от моноструктурных полипропиленовых волокон). Такое волокно в поперечном сечении состоит из ядра и оболочки.

Рис. 4. Образцы фибры (а–в)

В качестве ядра используются высокопрочные волокна (например, из полиэтилентерефталата), которые обладают высокой прочностью на разрыв и в то же время низкой деформативностью. Оболочка выполняется из полимеров или сополимеров с высокой поверхностной энергией и улучшенной адгезией к цементному тесту.

5. Добавки

Определение и классификация. Добавки в бетонные и растворные смеси вводят с целью положительного воздействия на свойства смеси и затвердевших бетонов и растворов. Называют такие добавки еще модификаторами, так как они очень существенно изменяют (модифицируют) как свойства бетонных смесей (растворов), так и затвердевших бетонов и растворов. Их подразделяют на добавки минеральные и химические.

Минеральные добавки вводятся как при производстве вяжущих веществ в их состав (например, портландцемент с минеральными добавками), так и в бетонные смеси при их приготовлении. При этом способ введения таких добавок (в цемент или бетонную смесь) мало влияет на конечные свойства бетона. Они представляют собой в основном тонкомолотые порошки-наполнители с дисперсностью, равной или превышающей тонкость помола цемента. Сами по себе они обладают небольшими или вообще не обладают вяжущими свойствами, но в сильно измельченном виде и в присутствии влаги способны вступать в химическую реакцию с гидроксидом кальция даже при нормальной температуре (но в большей степени – при термальной обработке бетона) с образованием соединений, обладающих вяжущими свойствами. Тонкодисперсные добавки вводят обычно в количестве 5…30% от массы цемента. (Механизм их действия был изложен в гл. 7.)

К химическим добавкам (модификаторам) для бетона в настоящее время относят природные или искусственные химические вещества, вводимые в бетонную смесь в небольшом количестве (0,003…5% от массы цемента), как правило, в виде растворов вместе с водой затворения (СТБ 1112, СТБ EN 206-1, СТБ ЕN 934, ГОСТ 24211). Основными качественными характеристиками таких веществ являются:

• нормируемый уровень эффективности – способность придавать смеси или бетону специальные свойства в соответствии с предназначением и не вызывать отрицательные последствия. Определяется по ГОСТ 30459 и нормативным документам на конкретный вид добавки;
• внешний вид (агрегатное состояние, цвет, однородность) устанавливается визуально;
• массовая доля сухого вещества (%) – устанавливается путем испытаний в лабораторных условиях по СТБ 1112;
• плотность (г/см³ ) – устанавливается путем испытаний в соответствии с действующими нормативными документами на методы испытаний. Отклонения от указанных в документах величин в зависимости от плотности не должны составлять более 0,02…0,03 г/см³ ;
• растворимость в воде – определяется по методике, изложенной в нормативном документе на конкретную добавку;
• водородный показатель (значение рН) – определяется по СТБ 1112. Фактическое значение не должно отличаться более чем на ±0,5 от указанного в документах;
• содержание веществ, ухудшающих коррозионное состояние арматуры или бетона, – устанавливается в соответствии с методиками, указанными в нормативных документах на конкретный вид добавки. Их содержание не должно превышать максимального значения, указанного изготовителем.

При необходимости качественными характеристиками могут служить и другие показатели (температура замерзания, изменение свойств при размораживании, содержание нерастворимых веществ и др.).

В зависимости от назначения или основного эффекта действия добавки подразделяют на виды:

• регулирующие свойства бетонных смесей (пластифицирующие и водоредуцирующие; стабилизирующие; водоудерживающие; улучшающие перекачиваемость; регулирующие сохраняемость бетонных смесей (замедляющие и ускоряющие потерю подвижности)); поризующие (воздухововлекающие, газообразующие и пенообразующие);
• регулирующие твердение бетона (ускоряющие, замедляющие и противоморозные I и II групп);
• регулирующие свойства бетона (кольматирующие, воздухововлекающие, газообразующие, гидрофобизирующие и повышающие защитные свойства бетона по отношению к стальной арматуре).

В зависимости от количества входящих в состав добавок продуктов они подразделяются на однокомпонентные (ДО) и комплексные (ДК), по агрегатному состоянию – на жидкие (Ж), пастообразные (П) и твердые (Т), по химической природе – органические и неорганические, и в зависимости от водородного показателя – кислые, нейтральные и основные.

Разновидности. К добавкам пластифицирующего действия относят:

• суперпластифицирующие, сильнопластифицирующие и пластифицирующие – способные при введении в бетонную смесь повышать ее реологические свойства (подвижность, растекаемость);
• водоредуцирующие (водопонижающие, водопонизители), высоководоредуцирующие – позволяющие получать бетонные смеси требуемой удобоукладываемости с пониженным расходом воды.

Суперпластифицирующие добавки позволяют увеличить подвижность бетонной смеси от марки П1 (ОК = 2…4 см) до марки П5 (ОК = 21 см), а их водоредуцирующая способность превышает, как правило, 20%, сильнопластифицирующие – П1…П4, а пластифицирующие – П1…П3. В европейской практике такие добавки подразделяют на суперпластификаторы с водоредуцирующим эффектом более 12% и пластификаторы.

Таким образом, пластифицирующие и водоредуцирующие добавки обеспечивают снижение содержание воды в бетонной смеси, не влияя на ее консистенцию, или повышают ее подвижность без изменения содержания воды, или вызывают оба действия одновременно. Они представляют собой в основном поверхностноактивные вещества и по характеру действия подразделяются на гидрофильно-пластифицирующие и гидрофобно-пластифицирующие. Такие добавки могут применяться для бетонов любых классов прочности и назначения, для изготовления как сборных, так и монолитных конструкций и в различных условиях эксплуатации. Эффективность введения их проявляется, прежде всего, в экономии цемента для равнопрочных бетонов (на 5…20%), уменьшении расслаиваемости бетонной смеси, повышении плотности и непроницаемости бетона, а также прочности равно подвижных составов. Они способствуют также гомогенизации бетонной смеси и, как следствие, повышению ее однородности. В отдельных случаях может наблюдаться замедление процессов твердения бетонной смеси и снижение прочности бетона в пределах 5…10% в проектном (28 сут) возрасте.

Пластифицирующий эффект от введения таких добавок повышается с увеличением тонкости помола цемента и его расхода в бетоне или растворе. Однако при использовании тех или иных пластификаторов следует учитывать химико-минералогический и вещественный (наличие минеральных добавок) состав цемента, а также характеристики других составляющих.

Стабилизирующие (водоудерживающие) добавки снижают или предотвращают расслоение бетонных и растворных смесей и раствороили водоотделение в 2 раза и более. При этом повышается водоудерживающая способность и однородность, улучшается перекачиваемость бетонных и растворных смесей, замедляется схватывание и твердение бетонов и растворов. Механизм их действия заключается в изменении свойств поверхности частиц цемента и соотношения между пленочной и свободной водой в пользу пленочной, что приводит к образованию на поверхности цементных зерен устойчивого микрогеля, который обеспечивает создание «несущего скелета» в цементном тесте и позволяет заполнителю свободно перемещаться.

Добавки, регулирующие сохраняемость подвижности смесей, увеличивают или снижают время сохраняемости первоначальной подвижности смесей в 1,5 раза и более. Изменяется также кинетика нарастания прочности и тепловыделения бетонов и растворов. При их использовании возможно образование высолов на поверхности изделий. Могут использоваться также замедлители (реже ускорители) схватывания вместе с минеральными наполнителями. Применяют их, как правило, в жаркое время года или в случае транспортирования бетонной смеси на большие расстояния.

Расширяющие добавки предназначены для предотвращения действия усадки в пластичном и затвердевшем бетоне и обеспечения деформаций расширения 0,2% и более или позволяют поддерживать нормативные уровни усадочных деформаций, обеспечивающих отсутствие усадочных трещин как в цементном камне, так и в растворах и бетонах в течение всего срока эксплуатации. По механизму действия их делят на три категории:

• контролирующие осадку конуса бетонной смеси и обеспечивающие расширение в пластичном состоянии бетона. В основном это газообразующие добавки;
• контролирующие осадку конуса и обеспечивающие расширение в пластичном и затвердевшем состоянии бетона. В основном состоят из сульфоалюмината кальция (РСАМ – расширяющий сульфоалюминатный модификатор) и материалов на основе извести;
• не контролирующие осадку конуса, но обеспечивающие расширение только в затвердевшем состоянии бетона. Как правило, состоят из гранулированного железа (железные опилки) и химических веществ, которые способствуют окислению железа в присутствии влаги и воздуха.

В качестве дополнительного эффекта действия таких добавок может быть снижение времени сохраняемости удобоукладываемости смесей, увеличение скорости тепловыделения, ускорение схватывания, снижение проницаемости, повышение прочности, коррозионной стойкости, морозостойкости и трещиностойкости бетонов и растворов.

Ускорители схватывания сокращают время перехода смеси из пластичного состояния в твердое. Разновидностью таких добавок являются как вещества, вызывающие этот эффект (хлорид кальция, хлорид железа и др.), так и ускорители схватывания водоредуцирующие и пластифицирующие, которые оказывают комбинированное действие, т.е. повышают подвижность бетонной смеси (основное действие) и ускоряют схватывание (дополнительное действие, проявляющееся при снижении расхода воды за счет эффекта пластификации).

Ускорители твердения ускоряют процесс твердения или темп набора начальной прочности бетона, изменяя или не изменяя время схватывания бетонной смеси, а также увеличивают скорость (интенсивность во времени) тепловыделения. Они представляют собой главным образом растворимые в воде соли сильных кислот (серной, соляной, угольной, азотной и др.). Ускорители твердения, как правило, ускоряют и схватывание цементного вяжущего. В процессе твердения возможны также высолы на поверхности изделий и конструкций.

Замедлители схватывания снижают первоначальную скорость реакций между цементом и водой и вводятся в бетонные и растворные смеси с целью увеличения сроков схватывания и сохранения подвижности смеси, т.е. увеличения времени перехода бетонной смеси из пластичного состояния в твердое. Некоторые добавки при превышающей оптимальное значение передозировке отодвигают время схватывания и твердения на неопределенное время. Например, добавка 0,1% сахарозы от массы цемента увеличивает начало схватывания с 4 до 14 ч, 0,25% – до 6 дн., а большее содержание может полностью «отравить» цемент. Разновидностями добавок, замедляющих схватывание, являются:

• замедлители схватывания водоредуцирующие и пластифицирующие – оказывают комбинированное действие: повышают подвижность бетонной смеси (основное действие) и замедляют начало схватывания (дополнительное действие);
• замедлители схватывания высоководоредуцирующие и высокопластифицирующие – целесообразны к применению при нагнетательных способах подачи бетона, так как повышают перекачиваемость бетонной смеси (основное действие) и замедляют начало схватывания (дополнительное действие);
• замедлители схватывания и твердения – замедляют процесс твердения на 30% и более, повышают подвижность смеси и ее сохраняемость, снижают скорость тепловыделения и прочность бетонов и растворов в раннем возрасте (1, 2 или 3 сут) нормального твердения при снижении прочности в возрасте 28 сут в пределах 5%. Действие таких добавок обусловлено образованием адсорбционных слоев из молекул ПАВ на поверхности частиц цемента, затрудняющих к ним доступ воды для нормальной гидратации. В результате происходит замедление процесса формирования структуры цементного камня и, соответственно, кинетики набора прочности бетона.

Порообразующие добавки увеличивают объем воздуха от 1,5 до 5% в конструкционных, от 6 до 30% – в конструкционно-теплоизоляционных и от 15 до 90% – в теплоизоляционных (ячеистых) бетонах. Различают добавки:

• воздухововлекающие – при приготовлении бетонной смеси снижают поверхностное натяжение жидкости на границе вода – воздух, способствуют вовлечению и диспергированию в цементное тесто воздуха в виде большого количества стабильных и взаимно отделенных сферических пузырьков, остающихся в затвердевшем бетоне в виде микропор шаровидной формы в объеме 6…15%. Насыщение цементного теста тонкодисперсными шарообразными пузырьками воздуха увеличивает его объем, повышая подвижность и снижая расслаиваемость бетонных и растворных смесей. Это приводит к уменьшению плотности и, соответственно, теплопроводности бетона. При использовании бетонов низких марок уменьшаются также водопоглощение и водопроницаемость, увеличиваются морозостойкость и коррозионная стойкость, но снижается и прочность бетона. Однако отрицательный эффект снижения прочности можно компенсировать путем уменьшения водопотребности при сохранении равноподвижности смеси;
• газообразующие – обеспечивают газообразование в смеси (15% и более) за счет химического взаимодействия с продуктами гидратации цемента. В ячеисто-бетонных смесях объем выделяющегося газа может достигать 90%. В результате в бетоне создается пористость в виде тонкодисперсных равномерно распределенных замкнутых пор-ячеек без снижения прочности при одинаковой средней плотности бетона. Различают два класса таких добавок:
• однокомпонентные, состоящие в основном из газообразующего компонента и небольшого количества других ингредиентов, применяемых для стабилизации пор и ускорения газовыделения. На территории Республики Беларусь находят применение газообразующие добавки: жидкость гидрофобизирующая 136-41 (ГКЖ-94) и пудра алюминиевая (ПАК);
• многокомпонентные, содержащие различные химические вещества определенного назначения (для уменьшения водопотребности, увеличения прочности и др.);
• пенообразующие – это, в основном, поверхностно-активные органические вещества, обеспечивающие возможность получения технической пены требуемой кратности и стойкости, которая при смешивании с компонентами бетонной смеси позволяет увеличивать в ней объем воздуха в пределах 10…25% и получать бетоны ячеистой или поризованной структуры.

Газообразующие и воздухововлекающие добавки помимо улучшения вышеперечисленных свойств бетона повышают его морозостойкость, водонепроницаемость, коррозионную стойкость, уменьшают плотность и теплопроводность легких и ячеистых бетонов.

Добавки, повышающие прочность бетонов и растворов в проектном возрасте на 20% и более, снижают проницаемость, усадку и ползучесть, повышают коррозионную стойкость.

Добавки, снижающие проницаемость, увеличивают на две марки и более водонепроницаемость бетонов и растворов (например, с марки W10 до W14…W16) и снижают коэффициент диффузии в 10 раз и более. При этом возможно изменение удобоукладываемости смесей, увеличение прочности, повышение коррозионной стойкости и морозостойкости бетонов и растворов и их защитного действия по отношению к стальной арматуре.

Добавки, повышающие защитные свойства бетона по отношению к стальной арматуре (ингибиторы коррозии), – это вещества, обеспечивающие коррозионную стойкость арматуры в агрессивных по отношению к ней средах. Механизм действия добавок-ингибиторов коррозии арматуры заключается в том, что в их присутствии происходит быстрое окисление растворимого оксида двухвалентного железа с образованием на поверхности стали пассивирующих защитных пленок из гидроксида железа. Плотность тока пассивации стали при этом составляет не более 10 мА/см² при потенциале +300 мВ. Чем меньше плотность тока, при котором возникает резкое увеличение напряжения, тем более эффективным является ингибитор. Постепенное увеличение напряжения указывает на развитие процессов коррозии.

Добавки-ингибиторы увеличивают также подвижность смесей, способствуют твердению при отрицательных температурах, снижают диффузионную проницаемость, увеличивают электропроводность бетонов и растворов и по-разному влияют на их прочность.

Добавки, повышающие коррозионную стойкость бетона в процессе его эксплуатации, полностью или частично связывают в бетоне легко растворимый свободный гидроксид кальция Ca(OH)₂ в нерастворимые или плохо растворимые водой соединения, уменьшают объем пор, способствуют развитию деформаций расширения либо гидрофобизируют структуру бетонов и растворов, что во всех случаях обеспечивает рост непроницаемости бетона.

Добавки, повышающие морозостойкость бетона, представляют собой преимущественно композиции из воздухововлекающих и пластифицирующих компонентов. Они увеличивают также подвижность бетонной смеси без снижения показателей прочности затвердевшего бетона, способствуют повышению долговечности, водонепроницаемости и коррозионной стойкости бетона. Критерием эффективности таких добавок является повышение морозостойкости на две марки и более.

Противоморозные добавки обеспечивают твердение бетона и раствора при отрицательных температурах, т.е. защищают смеси от замерзания на время от ее изготовления до укладки и подачи внешнего тепла.

При отрицательной температуре вода замерзает, гидратация цемента прекращается, останавливается процесс выделения тепла. Замерзание химически несвязанной воды в бетоне (образование льда) разрыхляет еще слабую структуру цементного камня, а это приводит к росту объема пор и большой потере прочности бетона. Чтобы обеспечить твердение бетона на морозе, в бетонные и растворные смеси вводят вещества (добавки), либо понижающие температуру замерзания воды, либо совмещающие действия понижения температуры замерзания воды и ускоряющие процессы схватывания и твердения. При введении противоморозных добавок вода может оставаться в жидком состоянии даже при температуре до –10…30 °С и процесс гидратации цемента будет продолжаться. При этом может наблюдаться снижение времени сохранения удобоукладываемости смесей и образование высолов на поверхности конструкций и изделий.

Гидрофобизирующие добавки снижают капиллярное водопоглощение бетона. Механизм действия таких добавок заключается в том, что при контакте с продуктами гидратации цемента их молекулы осаждаются на стенках мелких пор и капилляров, образуя гидрофобные (водоотталкивающие) покрытия. В результате ухудшается смачивание поверхности водой, затрудняется ее проникновение в объем материала и снижается водопоглощение. Поэтому эффективность их действия оценивается по степени уменьшения водопоглощения бетона. В зависимости от степени снижения водопоглощения их подразделяют на три группы. Добавки третьей группы (ГКЖ-10, ГКЖ-11 и др.) снижают водопоглощение бетона в возрасте 28 сут в 1,4–1,9 раза, второй (полигидросилоксаны и др.) – в 2–4,9 раза, первой (органо-минеральная и др.) – в 5 раз и более.

Гидрофобизирующие добавки способствуют также формированию плотной и однородной структуры бетона благодаря уменьшению количества и размеров макропор (в пределах 0,05…0,5 мм) и их более равномерному распределению в массе цементного камня. Снижается также скорость тепловыделения, повышается морозо- и коррозионная стойкость бетона. Но при этом замедляется скорость схватывания и твердения и соответственно снижается прочность бетонов и растворов.

Кольматирующие (уплотняющие) добавки способствуют заполнению пор в бетоне водонерастворимыми продуктами и, как следствие, повышают водо- и газонепроницаемость, коррозионную стойкость бетонов.

Добавки полифункционального действия (полифункциональные модификаторы – ПФМ, многофункциональные, комплексные) позволяют одновременно изменять несколько свойств бетонной смеси и затвердевшего бетона, оказывая более одного из основных эффектов действия (например, повышать удобоукладываемость смеси и увеличивать прочность бетона). Применение добавок в комплексе позволяет резко уменьшить или полностью устранить нежелательное побочное действие каждой составляющей комплексной добавки. В качестве примера можно привести комплексные органо-минеральные добавки (модификаторы) серии МБ. Они представляют собой порошкообразные материалы насыпной плотностью около 800 кг/м³ и содержат микрокремнезем, золу-унос, суперпластификатор, регулятор твердения и другие добавки в разных соотношениях. Применение таких добавок более эффективно, чем тех же материалов, введенных в состав бетона раздельно. Они позволяют получать бетоны более высокой прочности (50…60 МПа и выше), низкой проницаемости (W12 и выше), повышенной коррозионной стойкости и морозостойкости (F300 и более).

Все разновидности химических добавок выпускаются либо в виде порошка (СН, НК и др.) с массовой долей сухого вещества не менее 90%, либо водного раствора (С-3, добавки фирм «Стахема», «Полипласт» и др.) с массовой долей сухого вещества до 30…35%, либо пасты (СНВ, СДО и др.) с массовой долей сухого вещества до 70% и более.