Химические и минеральные добавки в технологии цемента и бетона
Скачать 139.57 Kb.
|
| ХИМИЧЕСКИЕ И МИНЕРАЛЬНЫЕ ДОБАВКИ В ТЕХНОЛОГИИ ЦЕМЕНТА И БЕТОНА Ушеров-Маршак А.В., д-р техн. наук, Циак М, канд. техн. наук, Харьковский государственный университет строительства и архитектуры, Украина, Университет Варминско-Мазурский, Польша http://www.bi.zp.ua/tem6.html Терминология и систематика Исторически устоялось разделение компонентов цемента и бетона на основную и дополнительные категории. При этом огромный по объему использования и функциональной значимости класс материалов регуляторов технологических процессов, составов и свойств цементов, бетонных смесей и бетонов как бы традиционно выделяется в дополнительную категорию, называемую добавками. Термин «добавка», как хорошо известно, охватывает химические и минеральные вещества неорганической и органической природы, растворимые и нерастворимые, инертные и реакционноспособные, жидкие и твердые, в т.ч. в дисперсном состоянии. В отечественной нормативной и научно-технической литературе III кроме термина «добавки» зачастую употребляются наименования модификаторы или, что совершенно неправомерно, наполнители. В стандартизированной международной терминологии /2,3/ различают: admixtures или добавки, вводимые в количестве до 5, и additives - более 5% от массы цемента. Аналогичные термины - domieski и dodatki приняты в Польше. Систематика добавок построена, в основном, по признакам и достигаемым технологическим эффектам. К ним относят /4,5/ -регулирование сроков и скорости схватывания и твердения, содержание воды затворения, подвижность бетонной смеси, воздухововлечение и т.п. Предпринимались основательные попытки классифицировать добавки по механизму действия, а, вернее, взаимодействия с цементами 161. Однако, в данный момент ориентироваться в разнообразии химических и минеральных добавок практически невозможно. Концерны, компании и фирмы, производящие и распространяющие эту продукцию для сохранения секретов и в рекламных целях, создают и развивают излишне сложную терминологию, оставляя потребителей перед зачастую трудно решаемыми задачами корректной и всесторонней оценки позитивных и негативных последствий использования добавок в технологии цемента и" бетона. В этом плане следует:
Специфика ситуации, сложившейся на рынке, использование нецивилизованных методов конкуренции, искажение в некоторых публикациях и изданиях 111 опыта производства и применения химических и минеральных добавок в Украине по крайней мере за последнее десятилетие побуждает нас обратиться к краткому ретроспективному анализу этого вопроса. Ретроспектива Добавки в технологии цемента и бетона используются с глубокой древности. Еще наши предки, согласно римским летописям, использовали при сооружении дорог, оснований, мостов яичные белки и кровь. Симптоматичен термин - «пуццолановые добавки» по аналогии с местностью в Италии, где они были открыты. Почти сто лет находят применение органические пластификаторы бетонных смесей. Несмотря на то, что основные детали механизма гидратации цементов, еще более усложняемые влиянием добавок, до сих пор не установлены, системы «цемент-добавка» развиваются стремительно во всем мире /4/. Отчетливо, также на протяжении полувека /8-12/, прослеживается тенденция использования комплексных химических добавок, основанная на фундаментальных положениях физической и коллоидной химии. К их числу относятся явления и понятия аддитивности, синергизма и антагонизма, корректную трактовку которых легко найти в любом соответствующем учебнике, в частности, в /13/. Направление работ Харьковской научной школы. Развитие, как раньше называли «химизации» бетона можно проследить на примере деятельности ведущей в этом направлении в Украине Харьковской научной школы. Начиная со второй половины 50s годов прошедшего десятилетия, здесь под руководством проф. О.П.Мчедлова-Петросяна был взят курс на создание комплексных химических добавок. Он базировался на законах и методах физической и коллоидной химии. Ярчайший пример: комплекс «пластификатор - ускоритель твердения - порообразователь», позволивший решить также комплекс задач технологии бетона. Ускорения твердения, экономия цемента, обеспечение безусадочности и расширения, повышение плотности и коррозионной стойкости - технологические эффекты, достигаемые благодаря сформулированному О.П.Мчедловым-Петросяном и Л.Г.Филатовым принципу компенсированного расширения /14/. Суть его проста. Снижение прочности за счет образования пор при введении алюминиевого порошка компенсируется термодинамически предпочтительным образованием на поверхности раздела «газ (пора) - твердое (цементный камень)» одного из основных структурообразующих элементов - гидросульфоалюмината кальция. Это направление развивалось в разных аспектах (В.И.Бабушкин, Г.А.Улитина, Д.А.Угинчус и др.). Обращение к химическим и минеральным добавкам, как наиболее эффективному средству управляемого структурообразования, совпало по времени и потребностям с резким ростом производства цемента и бетона, особенно железобетонных изделий заводского изготовления. Пионером в применении добавок стал будущий флагман крупнопанельного домостроения Харьковский домостроительный комбинат №1, где впервые в СССР были разработаны комплексы для агрегатно-поточной, кассетной и прокатной технологий, созданы автоматизированные отделения химдобавок (В.П.Жильцов, А.И.Бирюков, Ю.Л.Воробьев, А.Н.Плугин, В.Г.Братчиков и др.). Работы тиражировались по всей стране. Десятки миллионов кубических метров изделий и товарного бетона с добавками позволили решать проблемы строительства и оказали решающее, на наш взгляд, влияние на развитие «химизации» в стране. И сегодня работы Харьковской школы строительного материаловедения, в которых участвовали сотрудники строительных институтов и кафедр строительных материалов (И.М.Грушко и др.), заводов ЖБИ и ДСК, не потеряли актуальности. Пользуясь правом соавтора доклада, позволим привести данные хронологического характера (табл.1). Таблица 1 - Основные этапы разработки и применения добавок в бетоны и цементы
Как видно из табл. 1 ход и характер развития работ Харьковской научной школы полностью отвечает тенденциям «химизации» бетона в мире. Примечательно, что еще 20 лет назад был разработан и успешно применялся пластификатор повышенной эффективности ХДСК-1 на основе модифицированного щелочью лигносульфоната, который до эпохи суперпластификаторов позволил осуществить литьевую, безвибрационную технологию кассетных и товарных бетонов. Состояние украинского рынка химических добавок. В данное время в Украине действуют 4 основных производителя химических добавок в бетон (табл.2). Таблица 2 - Основные производители химических добавок в цементы и бетон
Анализ эффективности использования добавок разных производителей сделать не представляется возможным. Поэтому мы остановимся на некоторых особенностях, связанных с разработкой и применением добавок ООО «Будіндустрія", с которой на протяжении 5-6 лет осуществляется тесное сотрудничество. Система химических добавок «Релаксол». До начала проведения совместных работ (см.табл.1) продукция <<«Будіндустрії" была известна потребителям украинского рынка конца 80- годов. Продукт под маркой «Релаксол» хорошо зарекомендовал себя в технологиях заводского железобетона и товарного бетона. Известно, что основой добавок этой фирмы служат продукты техногенной природы производства коксохимии и переработки целлюлозы. Удачное сочетание в этих продуктах ряда компонентов - роданидов, тиосульфатов, технических лигносульфонатов и др. обеспечивает достижение высоких технологических эффектов. Кстати, эти же химические реагенты составляют основу ряда высокоэффективных добавок в цементы и бетоны, выпускаемых ведущими мировыми производителями, например «Hidelberger Cement". К ним относятся -интенсификация гидратации и темпов набора ранней прочности, антифризное действие, снижение содержания воды затворения и др. Обстоятельные физико-химические исследования гидратации и структурообразования цементов в присутствии добавок "Релаксол" и их составляющих, проведенные в Харьковском государственном техническом университете строительства и архитектуры, Национальном университете «Львіська політехіка" (проф. М.А.Саницкий) позволили обосновать эффективные составы и комбинации, концентрации добавок в зависимости от целого ряда технологических и климатических факторов. Эти работы были положены в основу предложенной в 1998 году «Системы добавок» /16/. В отличие от подхода, принятого ранее, «Система» обеспечивала потребителей четкими, понятными и совершенно конкретными сведениями для эффективного применения добавок в разнообразных целях для ЖБИ, монолитного, дорожного, легких и специальных бетонов с последующим расширением на сухие строительные и ремонтные смеси. Весьма отрадно и важно (с учетом системного принижения эффективности «Релаксола» в нецивилизованно конкурентных целях 111} упомянуть, что по результатам испытаний фирмой США «Duke Eng. Services» «Релаксол», в соответствие с /3/, отнесен к категории «F -добавок, значительно уменьшающих количество воды затворения или суперпластификаторам с ускоряющим эффектом». «Релаксол» с успехом применяется в Украине. Совместно с известными в СНГ разработчиками популярной добавки суперпластификатора С-3 внешнеэкономической ассоциацией «Полимод» и НИИЖБ «Релаксол» получает распространение в Москве и др. российских регионах. Результативно использование одной из разновидностей «Релаксола» в технологии цемента. Как показал опыт ее введения при помоле цемента на Днепродзержинском, Бахчисарайском и др. цементных заводах, обеспечивается увеличение производительности шаровых мельниц, сокращение энергозатрат на помол, рост удельной поверхности и улучшение свойств шлакопортландцемента, в частности, снижение водопотребности и рост темпов набора ранней прочности. Добавки четырех указанных выше производителей, а также импортные реагенты распространяются различными фирмами и дилерами. Хорошо, если это делают грамотные и подготовленные специалисты, осознающие все позитивные и негативные последствия использования добавок. Хорошо, если рекламные или меркантильные соображения не доминируют. Но сегодня рынок непрерывно наполняется новыми добавками разной эффективности, часто не совместимыми с традиционными цементами и методами проектирования составов бетона, приготовления, транспорта бетонных смесей и формования изделий или конструкций. Значимость таких добавок в технологии бетона возрастает. Необходимо поэтому учитывать тенденции бетоноведения и технологии бетона на стыке столетий. Перспективы Современный бетон превращается, благодаря новым химическим добавкам, во все более сложный композиционный материал, свойства которого могут намного превосходить комбинацию свойств компонентов. На пороге III тысячелетия терминология бетоноведения дополнилась новыми определениями, отражающими прогресс в науке о бетоне (табл.3). Таблица 3 - Новое в терминологии бетона
Концепции новых разновидностей бетона были сформулированы в конце 80- - начале 90- годов. Первые две предусматривали:
Термины «высокофункциональный» и «самоуплотняющийся» бетоны отвечают набору специальных функций и требований, которые не могут быть достигнуты при традиционных технологических подходах. Так, самоуплотняющийся бетон - это использование литых бетонных смесей, способных без вибрации заполнять самые сложные конфигурации конструкций в форме или опалубке, высокой однородности, без вовлеченного воздуха и водоотделения с тщательными контактами с арматурой, отсутствием предрасположенности к образованию микротрещин и снижением важности последующего ухода за твердеющим бетоном. Достигаемые эффекты отнесли за счет использования новых разжижителей и значительного содержания высокодисперсных минеральных добавок. Принципы достижения самоуплотнения определяют выбор соотношений объемов всех компонентов, включая крупный заполнитель, растворную часть и, главное, минеральные добавки. Значение крупного заполнителя, как компонента, осложняющего транспорт бетонной смеси и оказавшегося «слабым звеном» из-за концентрации напряжений в контактной зоне с цементным камнем, пересматривается по мере успешной реализации попыток роста уровня прочности бетона на сжатие и растяжение с приближением этого свойства к свойствам металлов. Исключение крупного, а затем и мелкого заполнителей - суть концепции реакционнопорошкового бетона. Напротив, значительно возрастает роль минеральных высокодисперсных добавок. К ним относят помимо традиционных зол-уноса и металлургических шлаков тонкомолотые кварцевые пески, известняковую муку, но, прежде всего, реакционноспособные микрокремензем, цеолиты, метакаолин и др. Как бы дополняются успешные поиски путей резкого увеличения прочности бетона на изгиб и растяжение применением микроармирования разнообразными волокнами, включая специальную металлическую, пропиленовую и др. фибры. В этом плане именно за счет химических добавок -суперпластификаторов освоены недостижимые ранее технологические эффекты: разжижения, снижения до 40-45% водосодержания при высокой однородности и стабильности. Сложный механизм действия суперпластификаторов новой генерации типа поликарбоксилатов и акриловых сополимеров трактуется пока в дискуссионном плане. Предполагается наличие т.н. стерических сил отталкивания в адсорбционных слоях вокруг зерен цемента. Вклад стерического эффекта оценивается гораздо выше вклада электростатических сил отталкивания между частицами, которые линейно связаны с текучестью цементного теста. В свою очередь, эффект действия добавки и сохранность его во времени во многом определяются составом и свойствами цемента. Установлено, что возможности достижения и сохранения высоких технологических эффектов ограничиваются явлением совместимости высокоэффективных добавок с цементами. Проблема совместимости, как показывает анализ ее состояния, в т.ч. по материалам VI конференции 2000 г. по суперпластификаторам и другим химическим добавкам в Ницце, выдвинута в качестве первоочередной. Нельзя не отметить, что еще в 60-70е годы СШ.Мчедловым-Петросяном /1/ был сформулирован принцип соответствия параметров любых, в т.ч. и химических, воздействий характеристикам гидратации цементов. Сегодня совместимость добавок с цементами рассматривается с разных позиций, в основном, реологических, хотя хорошо известно, что проявление любых технологических эффектов обусловлено влиянием добавок на т.н. элементарные процессы твердения -смачивание, адсорбцию, образование и кристаллизацию новообразований. Особенно наглядно действие добавок и их совместимость с цементами проявляются в начале гидратации, что может быть количественно оценено методами калориметрии. Калориметрия в оценке эффективности добавок в связи с этим оказывается весьма результативной и информативной /16/. Действительно, взаимосвязь технологических эффектов с механизмом воздействия добавок позволяет количественно, хотя и на феноменологическом уровне, оценить по значениям экзоэффектов на термокинетических зависимостях «скорость тепловыделения - время» и др. интенсивность адсорбционных явлений, длительность медленных и быстрых периодов взаимодействия, обусловленных торможением или ускорением гидратации. Можно привести примеры результативности калориметрии в создании суперпластификатора С-3 и его модификаций, упомянутого также выше пластификатора ХДСК-1, добавок системы «Релаксол» и многих других. Удалось во многих случаях даже приблизиться к пониманию механизма действия химических и минеральных добавок в цементы и бетоны /16/. Но значение калориметрии далеко не исчерпывается оценкой эффективности добавок. Калориметрическая информация позволяет корректировать и регулировать составы и технологические режимы твердения ЖБИ и монолитного, в особенности массивного бетона в зависимости от многих известных факторов. Показатели тепловыделения цемента и бетона -блестящий источник информации обеспечивают наполнение компьютерных банков и баз данных и знаний для осуществления информационных технологий бетона на заводах и строительных площадках. Заключение Использование современных исследовательских и испытательных средств, систем мониторинга бетона с химическими и минеральными добавками - основной путь реализации не изменяющейся в течение десятилетий главной технологической задачи - изготовления изделий и конструкций из материала с прогнозируемыми свойствами при минимальных затратах сырьевых, трудовых и энергетических ресурсов. Освоение наукоемких технологий бетона - дело сегодняшнего и завтрашнего дня. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
|
Похожие:
 | Конус стандартный в комплекте с воронкой для определения подвижности бетонной смеси по гост 10181 (оцинк./нерж сталь) |  | Технология приготовления и нанесения торкрет-бетона на обрабатываемую поверхность |
| | «Химические технологии функциональных материалов» приглашает научных сотрудников, студентов, аспирантов и молодых ученых принять... | |
| «Химические технологии функциональных материалов» приглашает научных сотрудников, студентов, аспирантов и молодых ученых принять... | | Расчет требуемой прочности бетона и раствора должен выполняться проектной организацией, осуществляющей разработку или привязку проекта.... |
| ... | | Энергоаудит: понятие, проведение, пример энергоаудита предприятия по производству цемента |
| Мировой судья судебного участка №1 города Минеральные Воды и Минераловодского района Ставропольского края Сапрыкин С. В | | Студенческой научно – практической конференции «общественное питание: современное состояние и актуальные проблемы развития» |