Справочник строителя | Добавки, придающие бетону специальные свойства
Механизм противоморозного действия добавок
По механизму действия противоморозные добавки в бетоны, твердеющие при температуре ниже 0 °С, разделяются на три группы.
К первой группе относятся 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 А1 отвечает 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.
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.
См. так же:
Противоморозные добавки
Выбор противоморозных добавок
Требования к материалам и подбор состава бетона с противоморозными добавками
Вернуться к списку
|
Распечатать
|
