Химизация зимы. Противоморозные добавки в бетон: тенденции, рекомендации, мнения

Текст: Денис Банников

Наступает зима и Россия обречена. В условиях, когда большая часть страны по полгода пребывает в зоне отрицательных температур – она просто обречена строить зимой, вести зимнее бетонирование. Других шансов оптимизировать инвестиционный цикл – у строителей нет.

По разным оценкам и в зависимости от состояния рынка за последние пять лет доля зимнего бетонирования в общем объеме строительства колеблется от 10 до 17%. Это солидный куш для производителей и поставщиков строительной химии, и, в частности, тех добавок, которые должны обеспечить эффективность процесса при отрицательных температурах. С другой стороны, именно производители повлияли на рост зимнего строительства. Интерес тут взаимный.+

Отметим, что сам по себе термин "зимнее бетонирование" - условен, так как не определяет температуру окружающей среды, в которой твердеют бетоны. Более точная терминология «условий бетонирования при пониженных температурах» определена в СНиП 3.03.1 1 -87 на несущие и ограждающие конструкции.+

Исследования химических и физических способов обеспечения твердения конструкций при пониженных и отрицательных температурах проводились в СССР еще с 30-40-х годов прошлого века. Но в итоге использование противоморозных добавок в бетонных смесях либо было ограниченно, либо вообще находилось под запретом нормативными документами, защищающими как долговечность, так и другие качественные показатели бетонных конструкций. Для объектов транспортного строительства СНиП 3.06.04-91 и вовсе запрещает применение противоморозных добавок практически повсеместно.+

Активизация процесса зимнего бетонирования началась только в 90-х годах, когда на рынке появились совершенно новые продукты, которые позволяли регулировать не только кинетику набора прочности бетона при низких и отрицательных температурах, но и ряд других реологических свойств бетонной смеси.+

Сегодня добавки в бетоны с противоморозным эффектом позволяют проводить бетонирование даже при -25°С, обеспечивая процесс образования цементного камня и, как следствие, твердения бетона. Таким образом, главная задача современных противоморозных добавок - сократить время схватывания цемента и ускорить время твердения бетона, понизить температуру замерзания воды.+++++

Однако процесс бетонирования в зимний период - это целый комплекс мер, включающий в себя не только приготовление бетонной смеси, но и способ укладки и мероприятия по уходу за уложенным бетоном. Так что применение добавок призвано облегчить процесс приготовления и укладки бетонной смеси, но ни в коем случае не отменяет весь комплекс необходимых мероприятий.+

ХИМИЯ СОСТАВА

На сегодняшний в мире производится около 800 видов добавок в бетон, каждая добавка имеет определенные свойства и конкретное назначение, и зачастую могут работать в комплексе, в том числе в условиях зимнего строительства:+

• Пластификаторы;
• Суперпластификаторы;
• Армирующие добавки;
• Замедлители схватывания;
• Ускорители твердения;
• Пигменты;
• Воздухововлекающие добавки;
• Противоморозные добавки для бетона.

Согласно ГОСТ 24211-2008 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия» противоморозные добавки подразделяют на противоморозные для «холодного» и для «теплого» бетона и раствора, что сильно влияет на выбор как самой добавки, так и технологии бетонирования, частенько ставя в затруднительное положение производителей и потребителей бетона.+

В целом, традиционными и широко применяемыми противоморозными добавками являются целый ряд солей технической квалификации: поваренная соль NaCl, хлористый кальций CaCl2, нитрит натрия NaNO2, натриевая селитра NaNO3, кальциевая селитра Ca(NO3)2, поташ K2CO3, кальцинированная сода Na2CO3, формиат натрия NaCOОН, мочевина.+

Поташ значительно ускоряет схватывание и твердение бетона и применяется при строительных работах в зимний период, если во время выдерживания до приобретения критической прочности температура бетона с максимальной дозировкой добавки не опустится ниже 25°С.+

К недостаткам поташа можно отнести:+

• Бетонные смеси с поташом характеризуются весьма короткими сроками схватывания.
• Кристаллизация солей (гидрокарбоалюмиата, гидрокарбоната и карбоната кальция), образующихся при взаимодействии поташа с продуктами гидратации цемента, происходит с увеличением объема, что может существенно снижать морозостойкость бетона.
• Едкие щелочи, образующиеся при твердении бетона с добавкой поташа могут вызвать щелочную коррозию бетона.
• В результате взаимодействия аморфной или плохо закристаллизованной кремнекислоты с едкими щелочами в бетоне появляются внутренние напряжения, которые могут превзойти по величине прочность на растяжение заполнителя или цементного камня и вызвать появление микро- и макротрещин вплоть до разрушения конструкции.
• Бетоны с добавкой поташа, подвергаемые электропрогреву, теряют до 30% прочности по сравнению с непрогретыми бетонами и имеют низкую морозостойкость и водонепроницаемость.
• Нитрит натрия используется в качестве противоморозной добавки, если во время выдерживания до приобретения критической прочности температура бетона, с максимально допускаемой дозировкой добавки, не опустится ниже 15°С.

+

Нитрит натрия является солью азотистой кислоты, все соли которой весьма ядовиты. По степени воздействия на организм технический нитрит натрия относится к веществам 3-го класса опасности. Предельно допустимая концентрация окислов азота в пересчете на NO2 в воздухе рабочей зоны составляет 5 мг/м3 (0,005 мг/л). Это определяет необходимость производить подачу раствора нитрита натрия в расходные емкости и бетоносмесители только по трубопроводам, а емкости для приготовления, хранения и переноски порошка и растворов на заводах ЖБИ и на строительной площадке, необходимо обозначать предупредительной надписью "Яд!".+

Поэтому, несмотря на удовлетворительные технические показатели бетонов с добавкой нитрита натрия, основным и очень серьезным недостатком является его физиологическая и экологическая опасность.+

При проведении бетонных работ также необходимо учитывать, что нитрит натрия является окислителем и, например, при его совместном использовании с лигносульфонатами ЛСТ, лигносульфонатом нафталина С-3 и добавкой СДБ, могут выделяться отравляющие газы – окислы азота NO и NO2.+

Формиат натрия применяется в случаях, если во время выдерживания до приобретения критической прочности температура бетона с максимальной дозировкой добавки не опустится ниже 15°С.+

Формиат натрия относится к веществам 3-го класса опасности с предельно допустимой концентрацией в воздухе рабочей зоны 10 мг/м3 и так же, как и нитрит натрия, является добавкой, к применению которой нужно относиться с осторожностью. Существенным технологическим недостатком формиата натрия является необходимость его растворения в теплой воде перед употреблением.+

Формиат натрия изменяет растворимость силикатных составляющих цемента и образует с продуктами его гидратации двойные или основные соли, кристаллизация которых происходит с увеличением объема, накоплением в отдельных зонах конструкций локальных дефектов и разрушению этих зон.+

Общим недостатком поташа, нитритом натрия и формиата натрия и других используемых противоморозных и ускоряющих твердение добавок, не обладающих пластифицирующим и водоредуцирующим эффектом, является то, что для повышения подвижности бетонных смесей, уменьшения соотношения воды/цемента и снижения внутренних напряжений в бетоне их традиционно используют совместно с пластифицирующими добавками, что повышает стоимость бетонирования.+

Однако на рынке строительных материалов сегодня представлен целый ряд комплексных противоморозных добавок для бетонов и строительных растворов. Перспективность комплексных модификаторов современных производителей очевидна, поскольку они позволяют воздействовать на несколько свойств бетонных смесей и бетонов, и получать высокий синергетический эффект.+

Добавки в бетон нового поколения совмещают в себе свойства пластификаторов, ускорителей твердения и противоморозных добавок. Они стабилизируют, пластифицируют смесь, ускоряют набор прочности бетона на начальных этапах. При этом их применение увеличивает и тиксотропность смеси, и марочную прочность бетона (на 2 класса).+

Например, воздухововлекающие добавки способствуют образованию воздушных микропузырьков, что существенно повышает морозостойкость бетона — благодаря пространству, которое может занимать расширяющаяся при замерзании вода, проникшая в бетон. В результате вовлечения воздуха (примерно 4,5±1,5%) незначительно снижается прочность бетона на сжатие (1% вовлеченного воздуха снижает прочность бетона на сжатие на 3%), но в то же время улучшается его удобообрабатываемость.+

Содержание вовлеченного воздуха составляет обычно 4-5%. В этом случае прочность бетона практически не снижается, так как отрицательное влияние вовлеченного воздуха нейтрализуется повышением прочности цементного камня вследствие уменьшения водоцементного отношения за счет пластифицирующего эффекта добавки. Воздухововлекающая добавка гидрофобизирует поры и капилляры бетона, а воздушные пузырьки служат резервным объемом для замерзания воды без возникновения больших внутренних напряжений. В результате значительно повышаются водонепроницаемость и морозостойкость бетонов. Воздухововлекающие добавки более эффективны в бетонах с малым расходом цемента.+

Кстати, в начале, когда воздухововлекающие присадки вводили в бетон для придания ему морозостойкости, было замечено, что эти вещества придают бетонной смеси и прочие полезные свойства: уменьшают (а при благоприятных обстоятельствах могут полностью исключать) образование трещин при пластической усадке, уменьшают размывание водой, улучшают удобоукладываемость.+

Ускоритель твердения бетона – комплексная добавка, которая относится к суперпластификаторам. Обычно это водные растворы хлористых солей (например, хлористого кальция, натрия и др.) Они оказывают воздействие на раствор, активируя процесс гидратации клинкера, что ведет к более быстрому затвердеванию бетона. Добавки-ускорители применяются для получения быстросхватывающихся бетонов, повышения прочности бетона в раннем возрасте и при производстве работ в зимнее время.+

Регуляторы пластичности значительно продлевают время использования уже готовой бетонной смеси, при ее длительной транспортировке.+

Оптимальная дозировка добавки зависит от вида цемента, состава бетонной смеси, технологии изготовления конструкции. Обычно применяют (% от массы цемента): пластифицирующих добавок - 0,1-0,3; суперпластификаторов - 0,5-1; воздухововлекающих добавок - 0,01-0,05; ускорителей твердения – 1-2. На практике оптимальную дозировку добавки определяют опытным путем.+

В свое время Александр Гальцев, ведущий инженер-технолог ЦСЛ «Элгад-ТОП» (Москва), ныне главный технолог «Евробетон» обратил внимание на то, что проспекты ряда производителей противоморозных добавок обещают необыкновенную легкость в выполнении зимних работ и улучшенные свойства конечного продукта - железобетонных конструкций. "Смелость создателей добавок нового поколения и темпы расширения предлагаемого ассортимента одновременно удивляют, вдохновляют и настораживают. Но не раскрывается основное для потребителя: для чего и когда годится та или иная добавка? Ведь добавки для «теплых» и «холодных» бетонов (по классификации ГОСТ 24211-2008) различны принципиально.+

Но разве эти тонкости знают потребители? А все ли производители бетонных смесей знают об этом, покупая восхваляемые добавки для своего товара? И зачастую люди попадают в безвыходные ситуации, когда, надеясь на скорое завершение бетонных работ при отрицательных температурах, покупают бетоны с противоморозной добавкой, не зная, что такая добавка работает всего-навсего при транспортировке и укладке бетонной смеси.+

Но прогрев забетонированного массива обязателен, как и для бетонов без добавок. Иначе получится замороженный кусок бетона, который никогда не наберет проектную прочность при оттаивании. Ни одну добавку сегодня нельзя пускать в производство, не исследовав ее действие всеми доступными средствами в лабораториях потребителей на применяемых ими конкретных материалах. Начало всякого исследования - элементарное соединение предлагаемой добавки с небольшим количеством цемента и воды. Через минуту уже можно определить, стоит ли работать с этой добавкой далее. Если чувствуется выраженный запах аммиака, эту добавку в дальнейшую разработку лучше не пускать" - отмечает эксперт.+

Как отмечает в публикации журнала «Технологии бетонов» Александр Власенко, генеральный директор ООО «УК «Группа предприятий «СКТ-Стандарт» (Московская область): "... Для различных строительных процессов пути решения проблемы различны. Так, для цементных растворов важно понизить точку замерзания воды, т.е. сохранить их работоспособными и не дать замерзнуть при кладке.+

Для монолитных работ к бетонной смеси выдвинуты требования: доставить материал на объект, уложить в бортоснастку, осуществить обогрев и обеспечить набор прочности при положительной температуре до необходимой критической прочности. И применение противоморозных добавок здесь не панацея, но одна из мер комплексного подхода к решению вышеуказанных задач в этой области. Отношение к применению этих добавок можно охарактеризовать фразой «помоги, не навредив».+

ХИМИЯ РЫНКА

По оценкам разных экспертов, доля использования противоморозных добавок, в т.ч. комплексных, при бетонировании в зимний период составляет от 60 до 80%: «Сейчас в России добавки используются менее чем в 60% случаев, в то время как в Европе этот показатель достигает 90%», – считает аналитик агентства «Инвесткафе» Дарья Пичугина. По ее мнению, спрос на этот вид товара в России будет постоянно расти.+

На рынке действительно представлено большое количество компаний - производителей добавок. Например, на интернет-ресурсе http://beton.ru/ представлена классификация из примерно 200 специализированных компаний. На ресурсе http://mirmonolita.ru/specialization/all/dobavki-i-pigmenty – более 450. Хотя в обоих случаях выделить именно производителя и просто поставщика довольно сложно. Тем более сами производители, чаще всего, предлагают большую линейку строительной химии вообще, а не только противоморозных добавок.+

По мнению специалистов, рынок добавок весьма насыщен, и конкуренция между участниками достаточно высокая. Доля основных игроков занимает до 80% от общего объема. К примеру, по оценке «Инвесткафе», наибольшую долю на рынке Санкт-Петербурга (около 52%) занимает компания «Полипласт», за ней идет «Цемактив» (по разным оценкам, доля на рынке составляет от 15 до 20%). Из зарубежных компаний лидируют немецкие производители MC‑Bauchemie, BASF, швейцарская Sika – по 6% от общей доли на рынке.+

По словам генерального директора «Агентства эффективных закупок «ЭксПро» Олега Солтанова, основной тенденцией последних лет на рынке добавок является, с одной стороны, улучшение качества продуктов отечественного производства, в том числе за счет использования импортных составляющих.+

С другой стороны, освоение многими импортерами производства в России идет по той же схеме: основа импортируется, а сама добавка смешивается на местном производстве. За счет этого импорт готовых добавок значительно снизился, отмечает аналитик.+++++

ХИМИЯ ПРОБЛЕМ

Одна из проблем – отношения зарубежных и отечественных добавок на местном уровне. Результаты многочисленных исследований зарубежных добавок, проведенных российскими лабораториями, показали - как хорошо они себя не зарекомендовали на Западе, это не значит, что в России, на отечественных инертных материалах и цементе, они покажут хорошие результаты.+++++

Надо иметь в виду, что за рубежом очень высокое качество цемента и остальных компонентов бетона. В частности, огромное внимание уделяется зерновому составу щебня и даже песка.+

Опыт производственников показал, что импортные добавки в ряде случаев плохо работают, как с отечественными цементами, так и в сочетании с отечественными добавками. Например, некоторые шведские суперпластификаторы несовместимы с теми отечественными, которые обеспечивают морозостойкость бетона. То есть, выбрав одну добавку иностранной фирмы, производственники, как правило, вынуждены использовать и другие добавки того же производителя. А это не выгодно с экономической точки зрения.+

Александр Богза, бывший коммерческий директор компании «Евробетон», ныне генеральный директор АНО "Московский центр структурных преобразований промышленности" выделил в данной сфере ещё несколько актуальных проблем:+

Отсутствие подробных рекомендаций по использованию и дозировке противоморозных добавок. Для небольших и мобильных производителей не представляется возможным иметь собственную испытательную лабораторию, проводить дорогостоящие разработку рецептур и исследования, поэтому для них высокую важность представляет наличие подробных рекомендаций по дозировке противоморозной добавки при производстве бетона.+

Добавка ведет себя по-разному, вступая в реакцию с другими компонентами бетонной смеси. Это во многом зависит от марки и производителя цемента и вида наполнителя (гранит, гравий, известняк, кварцито-песчаник и др.) В связи с этим возникает необходимость владения информацией по вариантам, дозировкам и возможности сочетания противоморозной добавки с другими модификаторами и сырьем.+

Снижение необходимой дозировки противоморозной добавки. Снижение дозировок, с одной стороны, увеличивает производительность предприятия, а с другой - способствует снижению издержек не только на саму противоморозную добавку, но и на ее транспортировку и, как следствие, стоимость конечного продукта, что в условиях здоровой конкуренций является значительным преимуществом.+++++

Разработка противоморозных добавок, позволяющих сохранить бетон на более длительное время при транспортировке на строительный объект в условиях зимнего бетонирования+

Противоморозные добавки могут вызывать коррозию арматуры, отрицательно влияя на долговечность железобетонной конструкции. В связи с этим противоморозные добавки не используются в транспортном строительстве. Снижение отрицательного влияния на арматуру является еще одним направлением в области повышения качественных характеристик противоморозных добавок.+

Внедрение экологических свойств для противоморозных добавок. Об экологичности бетона не может быть и речи, пока используются добавки, содержащие соединения хлора, который имеет вредное воздействие, как на организм человека, так и на окружающую среду.+

Были использованы материалы журнала «Технологии бетонов» и других открытых источников