Такие современные модификации бетонов, как высококачественные, бетоны высокой морозостойкости, самоуплотняющиеся бетоны получены только благодаря добавкам.
Но и в технологии обычных бетонов добавки играют все большую роль. Они делятся на две группы: химические и минеральные добавки.
Химические добавки, вводимые в бетон в относительно небольших количествах, от 0,01 % до 1-2% от массы цемента, наиболее многочисленны и включают ряд групп.
Важнейшие из них:
- пластифицирующие;
- воздухововлекающие;
- гидрофобизирующие;
- ускорители и замедлители;
- противоморозные.
Минеральные добавки вводятся в бетон в относительно больших количествах (30-150 кг/м3 и более). Это золы ТЭС, микрокремнезем, пылевидные отходы дробления горных пород и т. д.
В последнее время существенно расширилось применение комплексных добавок. Они могут включать как два или несколько видов химических добавок, так и комплекс химических и минеральных добавок. Они наиболее перспективны, так как позволяют улучшить одновременно несколько свойств бетона, а также устранять недостатки однокомпонентных добавок.
Добавки в бетон весьма многочисленны. К настоящему времени применяется более 500 различных их видов.
Большая часть химических добавок представляет собой поверхностно-активкые вещества.
Поверхностно-активные вещества
Бетонные смеси являются сложными системами, включающими твердую, жидкую и газообразную фазы. Между ними имеются поверхности раздела: «твердая фаза—вода» и «вода—воздух». Существуют органические вещества, растворяющиеся в воде и способные накапливаться (адсорбироваться) на этих поверхностях, существенно изменяя свойства смесей. Они называются поверхностно-активными веществами (ПАВ).
В зависимости от свойств молекул ПАВ адсорбируются либо на твердых поверхностях, либо на поверхности раздела «вода—воздух». В первом случае они могут улучшать смачивание (тогда это гидро-филизирующие добавки или пластификаторы) или наоборот придавать твердым поверхностям водоотталкивающие свойства (гидро-фобизирующие добавки). Следствием адсорбции ПАВ на зернах цемента может явиться ухудшение доступа к ним воды и замедление схватывания и твердения. У некоторых добавок этот эффект наиболее выражен (добавки — замедлители схватывания).
При адсорбции на поверхностях раздела «вода—воздух» ПАВ снижают поверхностное натяжение воды, вызывая вовлечение в бетонную смесь воздуха (воздухововлекающие добавки).
Пластифицирующие добавки
Основная проблема в технологии бетона связана с тем, что для получения подвижных смесей требуется значительное количество воды (40—70% от массы цемента), тогда как при твердении химически связывается небольшая ее часть (15—20%). Избыточная вода образует поры, ухудшающие свойства бетона.
Поэтому для получения бетона с требуемыми свойствами приходится «жертвовать» легкостью укладки, применяя малоподвижные и даже жесткие смеси и интенсивное виброуплотнение. Возможно и второе решение — применение смесей повышенной подвижности с увеличенным расходом воды. Его приходится компенсировать дополнительным количеством цемента, получая бетоны пониженного качества с высоким объемом цементного камня.
Сегодня эта проблема существенно уменьшена, а иногда и практически устранена благодаря применению пластифицирующих добавок второго и третьего поколения. Применение пластифицирующих добавок позволяет:
1) снижать водосодержание смесей и В/Ц без ухудшения формовочных свойств;
2) получать высокоподвижные и литые смеси при ограниченном водосодержании и расходе цемента.
Вообще пластифицирующие добавки известны с сороковых годов XX века, но большое значение приобрели после разработки суперпластификаторов (семидесятые годы) и гиперпластификаторов (девяностые годы). Благодаря последним достигнут еще более высокий уровень формовочных свойств смеси — самоуплотняющиеся бетоны.
