Оптимальные дозировки противоморозных добавок

Температура бетона с противоморозными добавками, уложенного в конструкции различной массивности и различной степени утепленности, в большей или меньшей степени отличается от температуры наружного воздуха. Совершенно очевидно, что для назначения количества противоморозных добавок необходимо исходить из фактической средней температуры бетона за период его выдерживания. Среднюю температуру бетона в каждом конкретном случае можно определить расчетным путем исходя из температуры наружного воздуха, массивности конструкции, степени ее утепления, температуры уложенной бетонной смеси, расхода и тепловыделения цемента.

Казалось бы, что количество добавки очень просто назначать в зависимости от средней (расчетной) температуры твердения бетона по температуре замерзания раствора затворения. Однако такое решение на учитывает, что по мере связывания воды изменяется состав жидкой фазы и температура ее замерзания. Кроме того, состав жидкой фазы и температура ее замерзания изменяются и вследствие участия добавок в химических процессах твердения.

На рис. 41 показаны температуры замерзания растворов поташа и растворов КОН, образующихся при полном взаимодействии К2СО3 с Са(OH)2 по уравнению (8). Из данных рис. 41 видно, что, например, 25%-ный раствор поташа замерзает при -12,5°С. Однако если весь К2CO3 прореагирует с Ca(OH)2, то температура замерзания жидкой фазы бетона составит около -28°С. При этом не учтено еще связывание воды гидратными продуктами.

Ho с другой стороны для протекания этой реакции необходимо какое-то время, а степень ее завершенности зависит от концентрации раствора поташа и количества Ca(OH). Поэтому в реальных условиях температура замерзания жидкой фазы бетона с добавкой поташа находится между температурой замерзания раствора K2CO3 и КОН, приближаясь к последней (по вертикали) по мере гидратации цемента.

Из данных рис. 42 видно, что оптимальные результаты независимо от состава бетона получены при введении поташа в количестве 5% от веса цемента, несмотря на то, что температура замерзания жидкой фазы бетона составляет -6,6 и -4,6°С при В/Ц соответственно 0,45 и 0,65. Объясняется это тем, что обменная реакция но уравнению (6) протекает полнее и быстрее при введении небольших количеств поташа.

При увеличении добавки соли до 7% незамерзающая жидкая фаза этих бетонов была получена при -9,6 и -6,3°С, однако его прочность в дальнейшем не увеличилась, а наоборот, твердение замедлилось. Это показывает, что потаи не только понижает температуру замерзания жидкой фазы бетона, но и активно участвует в процессах гидратации. И в данном случае возможное частичное замерзание жидкой фазы сказывается на прочности бетона менее значительно, чем повышение ее щелочности и понижение активности воды за счет повышения концентрации раствора затворения.

При затворении бетонной смеси водными растворами хлористого кальция температура замерзания жидкой фазы в процессе твердения, наоборот, повышается вследствие интенсивного связывания соли в комплексные гидратные продукты. Если при О С влияние добавок (NaCl и CaCl2) на твердение бетона примерно одинаково, то при отрицательных температурах видно преимущество более "нейтральной" в смысле химического взаимодействия соли -хлористого натрия (рис. 43).

Ho и относительно "нейтральные" соли (NaCl; NaNO2) заметно изменяют температуру замерзания жидкой фазы бетона в процессе его твердения (рис. 44). Эти изменения зависят от минералогии используемого цемента и скорости охлаждения бетона до температуры окружающей среды.

Если же назначать количество добавки от веса цемента, не учитывая расход воды, то температура замерзания раствора затворения в зависимости от В/Ц бетона может отличаться более чем в 2 раза (табл. 35). Несомненно, что это может отразиться как на интенсивности твердения, так и на структуре бетона с повышенным В/Ц при возможном преждевременном его замерзании.

Исследования показали, что при назначении количества добавок в зависимости от веса цемента или от веса воды затворения прочность бетона как на сжатие, так и на изгиб отличается незначительно, если количество добавок назначено правильно. Под этим имеется в виду, что вводимое количество добавки должно быть достаточным, чтобы обеспечить незамерзание жидкой фазы с учетом происходящих в ней изменений, поскольку избыток добавки при назначении ее количества по температуре замерзания раствора затворения уменьшает активность воды вследствие уменьшения количества "свободных" молекул.

Из этого следует, что оптимальное количество добавок должно определяться прежде всего температурой замерзания раствора затворения, которая всегда несколько выше температуры воздуха (в зависимости от массивности конструкции, ее утепления, количества выделяемого при гидратации тепла и др.), а также факторами, обусловливающими изменение состава жидкой фазы в процессе твердения бетона, т. е. составом раствора затворения, минералогией цемента и скоростью охлаждения бетона до температуры среды.

Многолетние исследования хлористого кальция в качестве ускорителя твердения, а также способность этой соли понижать температуру замерзания воды в конечном итоге привели к тому, что CaCl2 стал применяться в качестве противоморозной добавки к бетону. Однако вскоре выявилась бесперспективность этой добавки из-за быстрого схватывания бетонной смеси, связывания соли в комплексные гидратные продукты и в конечном итоге замерзания бетона (рис. 43).

Другая соль - хлористый натрий, которая в качестве противоморозной добавки к строительным растворам применялась еще в конце прошлого века, оказалась эффективной и для бетона. В отличие от CaCl хлористый натрий, являясь более "нейтральной" солью в смысле взаимодействия с продуктами гидратации цемента, существенно замедляет схватывание цемента и твердения бетона в ранние сроки.

Более эффективной добавкой, особенно при низких отрицательных температурах, оказалась смесь хлористых солей натрия и кальция. Начиная с 1940 г. многие исследования были направлены на отыскание оптимальных сочетаний NaCl с CaCl2. В результате было установлено, что более интенсивному твердению бетона на морозе способствует введение добавок 5% NaCl, 7% NaCl + 3% CaCl2, 6% NaCl + 9% CaCl2 (от веса воды затворения) при температурах соответственно -5, -10 и -15°C.

Эти дозировки хлористых солей, как правило, способствуют более интенсивному твердению бетона. Однако в ряде случаев необходимо увеличивать количество вводимых хлористых солей - в зависимости от вещественного и минералогического состава цемента (рис. 45) и других факторов.

Влияние минералогического состава цемента более заметно для бетона с добавками поташа проявляется следующим образом: чем больше содержится в цементе трехкальциевого алюмината, тем меньше надо вводить поташа при одной и той же отрицательной температуре. Из рис. 46 видно, что при использовании низкоалюминатного (C3A < 7%) брянского портландцемента лучшие результаты получены при введении 7% поташа, в то время как для бетона на николаевском портландцементе (С3А больше 7%) -с 5% добавки.

Для бетона с добавкой нитрита натрия оптимальная дозировка соли также зависит от минералогического состава цемента. Для бетона на брянском портландцементе (табл. 36) при температуре -10°С из числа изученных оптимальной является добавка 7% этой соли, а на спасском 10%. Таким образом, при одной и той же отрицательной температуре в бетоны ка основе высокоалюминатных портландцементов нитрита натрия необходимо вводить больше при использовании низкоалюминатных портландцементов.

В производственных условиях бетон с противоморозными добавками можно укладывать в конструкции различной массивности, т. е. охлаждать с различной скоростью, хотя потом бетон может твердеть при одной и той же средней температуре.

Чтобы установить оптимальные дозы поташа и нитрита натрия для бетонов, быстро остывающих до температуры среды, в НИИЖБ в металлических формах изготовляли бетонные образцы размером 7,07x7,07x7,07 см, которые сразу же после уплотнения выносили на мороз. Медленное охлаждение бетона иммитировали, выдерживая образцы (10x10x10 см) в стандартных условиях до помещения их в холодильные камеры.

Скорость охлаждения наиболее заметно влияет на бетоны с добавками поташа и нитрита натрия, видимо, вследствие их однокомпонентности. Например для бетонных образцов на брянском портландцементе, хранившихся при -10°C без предварительного выдерживания, наибольшая прочность зафиксирована при введении 7% поташа (рис. 47). При помещении образцов на мороз через 1 сутки лучшие прочностные показатели получены при введении 5% поташа.

При быстром охлаждении образцов прочность их, как правило, тем выше, чем больше поташа или нитрита натрия было введено (табл. 37). Однако при изменении дозировок этих солей на 2-3% при одной и той же температуре твердения прочностные показатели образцов не столь заметно отличаются, как, например, при изготовлении образцов больших размеров, при предварительном их выдерживании в нормальных условиях до помещения на мороз.

На основании данных табл. 37 можно сделать вывод, что при быстром охлаждении уложенного бетона (малый объем, низкая начальная температура бетонной смеси) оптимальные дозировки поташа должны быть на 2-3% больше, чем при медленном охлаждении бетона. Однако увеличение дозировки соли с 12 до 15% (табл. 37) при выдерживании бетона на морозе в лучшем случае повышает прочность на 11%, но в дальнейшем при положительных температурах твердение несколько замедляется. Увеличение количества добавки нецелесообразно и с экономической точки зрения.

Таким образом, оптимальное количество противоморозной добавки определяется ее видом, температурными условиями твердения, а также минералогическим составом цемента или В/Ц бетона в зависимости от скорости его охлаждения. С учетом этих факторов на основании анализа экспериментальных данных установлены оптимальные дозировки солей для медленного охлаждения бетона, т. е. при использовании оттаянных или подогретых заполнителей или при бетонировании массивных (Mп < 112) конструкций (табл. 38).

При укладке небольшого объема бетона, а также при работе на холодных материалах, т. е. когда возможно быстрое охлаждение бетона до температуры среды, меньшее из указанных в табл. 38 количеств добавок при той или иной температуре следует вводить в бетон с В/Ц < 0,45, а большее - с В/Ц = 0,45 и более.

Поскольку в табл. 38 количество добавок дано в % от веса цемента, то чтобы не ввести в состав бетонной смеси при высоких расходах цемента избыточного количества соли, выпадающего в твердую фазу до замерзания раствора (по кривой AB рис. 30), количество добавки необходимо уменьшить настолько, чтобы процентная концентрации 5 раствора затворения (с учетом влажности заполнителей) не превышала эвтектическую (23% для NaCl, 31% дл CaCl2, 28% для NaNO2, 40% для К2CO3).

Следует отметить, что количества добавок (табл. 38) точки зрения интенсивности твердения являются оптимальными в большинстве случаев, в том числе и при изготовлении бетона на смешанных (шлаковых и пуццолановых) портландцементах. Ho в целом ряде случаев целесообразность применения того или иного количества добавки может определяться и особенностями производства работ - длительностью транспортирования смеси, способом ее укладки и др.