ИЗУЧЕНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ХИМИЧЕСКИХ ДОБАВОК В ТЕКСТУРУ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ

Аннотация. В статье анализируется изучение физико-механических свойств цементного камня и скорость твердения бетона под влиянием различных химических добавок.

Ключевые слова: химические добавки, цемент, бетон, цементный камень.

На сегодняшний день строительный рынок изобилует ассортиментом технологических добавок для бетонов и цементов, производство которых организовано как отечественными предприятиями, так и зарубежными производителями. Однако такое многообразие разновидностей добавок не часто дает возможность получения бетона с требуемыми характеристиками. Подразумевается не только влияние добавок на свойства бетона, но и совместимость с уже имеющимися в цементной структуре интенсификаторами помола.

Также значительное влияние оказывает технология производства цемента, определяющая качественные характеристики бетона.

Полагаясь на ряд проведенных научных исследований, можно сделать вывод, что наибольшее ускорение твердения бетонов достигается за счет применения химических добавок.

Наличие химической добавки в цементе, в том числе введенной в малых дозировках при помоле клинкера, может оказать воздействие на условия дальнейшего физико-химического взаимодействия используемых при изготовлении бетонной смеси добавок-пластификаторов и новообразований цементного теста (кристаллогидратов Са). Вероятно, в данном случае может образоваться структура новообразований с более дисперсной поверхностью. Описанный процесс приводит к интенсивному кристаллообразованию, к очевидному интенсивному росту прочности коагуляционных и кристаллических структур в цементном тесте [1] и в итоге, к более интенсивному схватыванию бетонной смеси и набору прочности бетона в раннем возрасте. Т.е., стоит предположить, что наличие химических (органических) добавок в цементе усиливает действие вводимых в бетонную смесь при ее приготовлении добавок-пластификаторов как диспергаторов новообразований.

В ряде исследований [2, 3, 5] представлены варианты и целесообразность использования комплексных химических добавок многофункционального действия, пластифицирующих бетонную смесь на шлакопортландцементе, сокращающих время твердения бетона в раннем возрасте, увеличивающих плотность бетона за счет снижения водопотребности и кольматации пор продуктами реакций, повышающих прочность сцепления нового бетона со старым и межремонтные сроки эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций в средах, характерных для прокатных и агломерационных цехов предприятий черной металлургии.

В качестве пластифицирующей добавки в цементное тесто на шлакопортландцементе в одном из анализируемых исследований была выбрана традиционная добавка лигносульфоната технического ЛСТ, которая по эффекту пластификации уступает суперпластификатору С-3, но дешевле и в определенных дозировках более целесообразна.

Большую популярность среди строительных растворов обрел поризованный бетон - этот стройматериал содержит в себе от 5 до 25% воздушных пор, при этом один кубический метр изделия включает в себя от 800 литров легкого крупнозернистого заполнителя. Указанные параметры позволяют после отвердения поризованного бетона получить плотность 700-1400 кг/м³, а самые легкие типы такого бетона оказываются не тяжелее воды. Данные характеристики дают определенные преимущества в ходе возведения зданий и сооружений различного назначения.

Изучение влияния химических добавок на скорость затвердевания поризованного бетона позволяет сделать вывод, что наибольшую эффективность как добавка-ускоритель имеет добавка Na₃N, известная как мощный ингибитор коррозии. Данная добавка способствует воздухововлечению, что позволяет примерно на 25% снизить дозировку воздухововлекающей добавки. Также следует отметить, что средняя плотность поризованного бетона изменяется и под воздействием добавки Ca(NO₃)₂.

Добавка Na₃N содержит только разноименно заряженные ионы с вяжущим и относится к добавкам-ускорителям I класса (классификация Ратинова). Действие данной добавки основывается на росте скорости процесса растворения исходных продуктов (в частности минералов-силикатов) как результата изменения ионной силы раствора, т.е. как следствие изменения энергии взаимного электростатического притяжения и отталкивания сольватных оболочек ионов, создающих ионную атмосферу. Значительную роль играет концентрация ионов, входящих в состав раствора, и их величина заряда.

Эффект изменения ионной силы для добавок-электролитов считается универсальным несмотря на то, что в цементах он частично «завуалирован» вступающими в химическое взаимодействие с алюмосодержащими фазами цементного клинкера, в частности с С₃А. Такое поведение объясняется растянутым во времени взаимодействием, в связи с чем добавки-электролиты более или менее продолжительное время могут сохраняться в жидкой фазе цементного теста и камня, изменяя растворимость продуктов гидратации цемента.

Согласно литературным источникам, азотистокислый натрий (NаNО₂) – добавка, участвующая также в обменной реакции с образованием комплексных соединений. По Ратинову такая реакция проходит только при участии Са(ОН)₂, который выделяется при гидратации белита и алита:

3СаО Al₂O₃ + n Ca(OH)₂ + 2n NaNO₂+ m H₂O =3СаО Al₂O₃ n Ca(NO₂)₂.m H₂O + 2n NaOH,

где n= 1 или 3,

m = 10-12 или 14-32.

В данной реакции гидронитрилалюминат Ca является продуктом. Специфика взаимодействия состоит в том, что в реакцию не вступает катион, сохраняющийся в жидкой фазе, следовательно участвует только анион. Алит поставляет недостающие ионы Са для образования гидронитрилалюмината Са. В связи с этим реакция обмена часто протекает медленно и ограничивается скоростью присоединения молекул воды к ионам алита.

Содержание С₃А в цементе нежелательно, т.к. при воздействии сульфатов на цементный камень расширение вследствие образования гидросульфоалюмината Са из С₃А может привести к разрушению цементного камня, исключение составляет прочность цемента в раннем возрасте. Однако стоит отметить, что С₃А необходим при обжиге цементного клинкера как плавень — понижает температуру обжига, что содействует соединению окиси кальция и кремнезема при более низких температурах. Следовательно, С₃А необходим в процессе производства цемента.

Анализируя выше сказанное, можно сделать вывод о том, что включение в обменную реакцию и С₃А, и Са(ОН)₂ будет увеличивать интенсивность процесса твердения при введении добавки NaNO₂. Добавление Na₃N способствует:

– улучшению физических и механических свойств бетона вследствие использования нитрита натрия в комплексе с пластифицирующими добавками;

– снижению трудозатрат, повышению прочности бетона, снижению расхода цемента;

– добавки ингибиторы позволяют использовать такие отходы металлургической промышленности, как шлаки, введение которых в цементы приводит к понижению защитных свойств бетона по отношению к арматуре [3].

Нитрат кальция (Са(NО₃)₂) содержит одноименный с вяжущим ион и вступает в реакцию присоединения с С₃А с образованием труднорастворимых соединений, которые состоят из гидронитроалюминатов Ca, т.е. данная добавка принимает непосредственное участие в формировании структуры цементного камня. Таким образом в теле цементного камня откладываются продукты взаимодействия, заполняя поры, в связи с чем они вписываются в структуру наравне с другими новообразованиями. Данный процесс включает все основные уровни дисперсности, начиная от зарождения кристаллов двойных солей-гидратов до их роста [2].

В отличие от Na₃N в этой реакции принимает участие и анион, и катион добавки Са(NО₃)₂, следовательно, данные добавки будут дополнять друг друга, усиливая положительный эффект ускорения твердения поризованного бетона.

Результаты исследований [2, 3, 5] свидетельствуют о возможности получения равнопрочного соединения нового бетона со старым за счет применения комплексных химических добавок.

Опыт работы с ускоряющими добавками применительно к поризованному бетону показал, что традиционные, новые, а также комплексные добавки, ускоряя процесс твердения бетона, приводят к значительному снижению уровня воздухововлечения и, как следствие, росту средней плотности бетона. Для исключения образования побочных технологических эффектов не следует увеличивать концентрацию воздухововлекающей добавки.

Список литературы:

1. Кузьменков М.И., Хотянович О.Е. Химическая технология вяжущих веществ: учебное пособие для студентов специальности «Химическая технология неорганических веществ, материалов и изделий». – Минск: БГТУ, 2008, – 276 с.
2. Долгова О.А., Трошкина Е.А. Повышение стойкости бетона в условиях реконструкции предприятий черной металлургии. // Бетон и железобетон в третьем тысячелетии: Материалы четвертой Международной научно-практической конференции. Том 1. – Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2006. – С. 173.
3. Долгова О.А., Хамидулина Д.Д. Адгезионные и физико-механические свойства цементно-песчаного раствора с химическими добавками // IV Международная научно-практическая Интернет-конференция «Состояние современной строительной науки». Сборник научных трудов.– Полтава: Полтавский ЦНТЭМ, 2006.–С.97–99.
4. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика / В.Г. Батраков. 2-е изд., – Москва: Стройиздат, 1998, – 768 с.
5. Москвин В.М., Гаркави М.С., Долгова О.А., Сафронов М.Ф. Бетоны с комплексными добавками для ремонтно-восстановительных работ // Бетон и железобетон. – 1988. – №11. – С. 9–10.
6. Юхневский П.И. Влияние химической природы добавок на свойства бетонов / П.И. Юхневский. – Минск: БНТУ, 2013, – 310 с.
7. Unland G., Meltke K., Popov O., et al. Assesment of the grindability of cement clinker. Part 2 // Cement International, 2003, №2, p. 55-63.