О противоморозных добавках

25 сентября 2013

Механизм противоморозного действия добавок

Posted in О противоморозных добавках

По механизму действия противоморозные добавки в бетоны, твердеющие при температуре ниже 0 °С, разделяются на три группы.

К первой группеотносятся антифризы — вещества, понижающие температуру замерзания жидкой фазы бетона и являющиеся либо слабыми ускорителями, либо слабыми замедлителями схватывания и твердения бетона, то есть практически не влияют на скорость структурообразования. К этой группе относятся ХН, НН, М и другие.


Твердение бетона без последующего обогрева основано на том, что при введении в его состав вышеуказанных добавок при отрицательных температурах сохраняется жидкая фаза. В этом случае минералы портландцемента способны гидратироваться, обеспечивая твердение бетона, но со скоростью несколько меньшей, чем при положительной температуре. Понижение температуры замерзания воды обусловлено тем, что при растворении добавок происходит их химическое взаимодействие с водой. В результате образуются сольваты — более или менее прочные соединения частиц растворенного вещества с молекулами воды (например, ионов Na и NO2-при растворении нитрита натрия). Поэтому для превращения воды раствора в лёд необходимо затратить энергию не только на замедление движения молекул воды, но и на разрушение сольватов.

Количество молекул воды, связываемых с каждой частицей растворенного вещества, т. е. состав сольватов, и сила этой связи зависят, главным образом, от электрических свойств частиц, их размеров и сочетаний, а также от содержания частиц в единице объёма воды (от концентрации раствора). При этом, однако, в нем постепенно уменьшается содержание «свободных» молекул воды, способных к взаимодействию с минералами цемента. Вследствие образования сольватов вода в растворах замерзает постепенно, по мере охлаждения.

Представленная на рис.1 диаграмма состояния системы «соль-вода» в зависимости от температуры показывает, что раствору с концентрацией А1отвечает температура начала замерзания Т1. При этом в результате перехода части воды затворения в лёд, концентрация раствора повышается, соответственно понижается температура замерзания раствора (участок кривой ОАЭ). Лишь в точке, отвечающей концентрации АЭ, в твердую фазу выпадут в виде криогидрата оставшиеся вода и соль (эвтектика). Поэтому нижний температурный предел применения добавки ограничен температурой её эвтектической точки.

image001

 

Рис. 1. Диаграмма состояния «соль — вода»

Согласно диаграмме состояния системы «соль — вода — лёд» изменение каким-либо образом равновесной концентрации раствора вызовет либо таяние, либо образование льда. Практически все противоморозные добавки применяются в концентрации меньшей равновесной, поэтому при охлаждении бетона ниже температуры замерзания водного раствора введенной добавки в нём начинается льдообразование, которое протекает совместно с формированием собственной структуры бетона. Благодаря этому обстоятельству, а также тому, что в присутствии добавок лёд имеет чешуйчатое строение, в бетоне не происходит заметных деструктивных процессов, отражающихся на его прочности.

Одновременно с этим часть введенных солей переходит в твердую фазу в виде новообразований, понижая концентрацию раствора, а некоторое количество воды — в образующиеся кристаллогидраты, повышая её. Развитие этих противоположных процессов приводит к непрерывному изменению количества льда в бетоне: вначале оно увеличивается, а затем, когда процесс перехода добавки в твердую фазу стабилизируется и в жидкой фазе бетона установится равновесная для данной температуры концентрация добавки, уменьшается.

В образовании структуры бетона, твердеющего на морозе, большую роль играют продукты реакции между введенными электролитами, минералами портландцементного клинкера и гидроксидом кальция. В результате химического взаимодействия добавок с алюминийсодержащими фазами цемента образуются двойные соли типа ГХАК, ГНиАК, ГНАК и другие, а взаимодействие электролитов с Са(ОН)2 приводит к образованию гидроксисолей разной основности.

Исследования показали, что структура бетона с противоморозными добавками, формирующими первичный структурный каркас, характеризуется более высокими механическими показателями, плотнее, менее водопроницаема и обладает большей морозостойкостью. Коэффициенты газо- и водопроницаемости при давлении до 2 МПа на 2...3 порядка ниже, чем у бетонов без добавок.

Ко второй группе относятся добавки, обладающие слабыми антифризными свойствами, но являющиеся сильными ускорителями твердения бетона — сульфаты железа, алюминия и некоторых других металлов. На ранней стадии твердения бетонной смеси такие добавки обеспечивают создание достаточно плотной микрокапиллярной структуры цементного камня, что обусловлено протеканием обменных реакций с образованием труднорастворимых соединений. В этом случае твердение бетона при отрицательной температуре объясняется тем, что в микрокапиллярной структуре цементного камня вода не замерзает, обеспечивая тем самым процессы гидратации клинкерных минералов. При этом, чем выше концентрация солевого раствора и чем меньше диаметр капилляров, тем при более низкой температуре в них будет замерзать вода. Кроме того, реакции взаимодействия добавок с продуктами гидратации сопровождаются сильным тепловыделением, что также положительно влияет на процессы твердения бетона.

Процессы льдообразования в бетоне с добавками проходят одновременно со структурообразованием. Причем создание микрокапиллярной структуры бетона на сравнительно раннем этапе его твердения вызывает дополнительное понижение температуры замерзания поровой жидкости в результате понижения давления пара в порах с радиусом менее 10-7 м за счет кельвиновского эффекта. Однако, в следствии практически полного связывания этих добавок в трудно растворимые соединения, рассчитывать на них как на добавки, понижающие температуру замерзания жидкой фазы в бетонах, нельзя.

К третьей группе относятся такие добавки, которые сильно ускоряют схватывание бетонной смеси и твердение бетона и обладают хорошими антифризными свойствами. К ним относятся: поташ, хлористый кальций, хлорное железо, ННХК, ННХК+М и другие. Растворы таких добавок имеют достаточно низкую эвтектическую температуру, например, поташ: -36,5 °С, хлорид кальция: -55 °С, нитрат кальция: -28,2 °С, нитрит-нитрат кальция: -29,6 °С.

Ускорение твердения бетона вызывается, главным образом, тем, что эти добавки повышают растворимость силикатных составляющих цемента и образуют с продуктами его гидратации двойные или основные соли. При взаимодействии добавок с алюминий содержащими фазами цемента также образуются двойные соли типа ГХАК, ГНАК и другие. Кристаллы образующихся солей имеют, как правило, удлиненную форму, благодаря чему они как бы «армируют» цементный камень. Однако, за счет химического связывания добавок (кроме поташа), температура замерзания жидкой фазы бетона постепенно повышается в зависимости от скорости образования перечисленных двойных и основных солей. По мере охлаждения бетона выкристаллизовывается «пресный» лёд, поэтому концентрация раствора возрастает, что приводит к понижению температуры его замерзания. Этому же способствует уменьшение количества воды за счет гидратации цемента и образования кристаллогидратов.

25 сентября 2013

Выбор противоморозных добавок

Posted in О противоморозных добавках

Вид противоморозной добавки выбирается в зависимости от типа и условий эксплуатации конструкций, темпа строительства, метеорологических условий (температуры наружного воздуха и скорости ветра) и технико-экономических показателей.

Количество выбранной противоморозной добавки для получения требуемого снижения температуры замерзания воды устанавливается в зависимости от класса бетона или марки раствора, марки или активности цемента, подвижности бетонной или растворной смеси, предельной крупности и зернового состава заполнителя. При этом, количество добавки, вводимой с целью предотвращения замерзания воды затворения и воды, поглощаемой крупным заполнителем, назначается не от массы цемента, как величины при прочих равных условиях переменной, а от расхода воды затворения бетонной смеси.

Для правильного дозирования и равномерного распределения противоморозные добавки следует вводить в бетонную смесь в виде водного раствора рабочей концентрации, т. е. раствора, которым затворяется смесь без дополнительного введения в неё воды. Требуемая концентрация рабочего раствора устанавливается при подборе состава бетона.

Расход противоморозной добавки устанавливается по формуле:

Д = В · Дт.п., кг/м3,

где В - расход воды для затворения бетонной смеси, л/м3;

Дт.п. — содержание сухого вещества (твердого продукта) противоморозной добавки в 1 л водного раствора заданной концентрации в зависимости от требуемой температуры замерзания воды, кг/л.

Расход противоморозной добавки Д, определенный по вышеприведенной формуле, следует проверять и сопоставлять с нормативными допусками её содержания в бетоне (С) в зависимости от расхода цемента:

С = Д · 100/Ц, %,

где Ц - расход цемента на 1 м3 бетона, кг.

Если установленное количество С превышает предельно допустимое содержание добавки в бетоне, то такую добавку можно применять только с добавлением ингибиторов коррозии стали.

При поставке противоморозной добавки в жидком виде (концентрированный раствор) раствор рабочей концентрации приготовляется смешиванием добавки с водой затворения. Если добавка доставляется в виде твердого продукта или в пастообразном состоянии, то раствор рабочей концентрации может приготовляться путем растворения добавки в заданном количестве воды, либо сначала готовится концентрированный раствор добавки, который затем разбавляется водой.

При приготовлении раствора рабочей концентрации необходимое количество добавки для получения раствора требуемой концентрации определяется по данным Руководства в зависимости от содержания безводного продукта в 1 л раствора определенной плотности.

При выборе дозировок добавок следует учитывать следующие ограничения:

при работе на холодных материалах в бетоны с водоцементным отношением В/Ц < 0,5 необходимо назначать меньшее из указанных пределов количество добавок, а в бетоны с В/Ц > 0,5 — большее;

в бетоны на портландцементах, содержащих С3А более 6 %, при работе на подогретых заполнителях следует вводить меньшее количество добавок П, ХК+ХН, НК+М, ННК+М, ННХК+М, а при содержании в портландцементах С3А меньше 6 % следует вводить меньшее количество НН и ХК+НН.

Назначение оптимального количества противоморозной добавки имеет важное значение, так как при недостаточном ее количестве может произойти преждевременное замерзание бетона, а при избыточном — темп твердения бетона может замедлиться и неоправданно увеличивается стоимость бетона.

25 сентября 2013

Назначение и виды

Posted in О противоморозных добавках

Твердение бетонов и растворов при пониженной температуре происходит медленно, так как замедляется процесс гидратации цемента. Уже при температуре - 3...- 6 °С вода в бетоне замерзает, и процессы гидратации вяжущего и твердения бетона практически прекращаются. При оттаивании, при условии сохранения жидкой фазы, эти процессы возобновляются, и бетон продолжает увеличивать свою прочность. Однако для бетона, замороженного в раннем возрасте, после оттаивания и последующей выдержки характерны рыхлая структура, низкая прочность и морозостойкость. Это объясняется тем, что свежеуложенный бетон содержит много воды, которая при замерзании расширяется, разрыхляет цементный камень и нарушает сцепление заполнителя с цементной матрицей.

Поэтому для обеспечения требуемого набора прочности бетона в зимнее время необходимо создавать такие условия, при которых будут активно протекать процессы твердения вяжущего, т. е. необходимо обеспечивать наличие жидкой фазы. Эту задачу можно решить, например, путем выдерживания забетонированной конструкции при положительной температуре. Такое выдерживание можно осуществлять при обогреве бетона в термоактивной опалубке, использованием разогретых смесей с последующим укрытием поверхности конструкции теплоизоляционными материалами и другими способами.

В тех случаях, когда на строительной площадке по техническим или организационным причинам такие способы не могут быть реализованы, целесообразно в бетон вводить противоморозные добавки — вещества, понижающие температуру замерзания воды и способствующие твердению бетона при отрицательных температурах.

Применение бетонов с противоморозными добавками осуществляется при возведении монолитных б