Оборудование для производства пенобетона > Статьи > Ускорители твердения > Часть 5 — Ускорители схватывания и твердения в технологии бетонов

Часть 5 — Ускорители схватывания и твердения в технологии бетонов

Посмотреть все статьи

Готовые хлористые соли, как ускорители схватывания и твердения бетонов.

При исследовании разных ускорителей схватывания и твердения бетонных композиций, было установлено, что соли двухвалентных металлов более действенны, чем соли одновалентных. А еще более эффективны соли трехвалентных металлов. Также было выявлено, что из всех этих солей наиболее действенны соли соляной кислоты – хлориды, особенно если принять во внимание также и очень высокую их растворимость в воде.

Хлористые соли очень давно и очень успешно применяются в строительной практике в качестве ускорителей и противоморозных добавок. Они дешевы, доступны. Пожаро-взрыво безопасны. Не ядовиты. Не оказывают негативного влияния на людей и окружающую среду. Но на сегодняшний день у них имеется два очень серьезных недостатка – дешевизна, коррозионная активность по отношению к железу и высочайшая эффективность.

Первый недостаток – дешевизна, все время предопределяет их судьбу. В пору социалистического строительства, в угоду копеечной экономии, хлориды использовали массово и повсеместно. Оказалось, что их коррозионную активность можно достаточно легко нивелировать добавками нитритов (нитрита натрия или нитрита кальция) или иными ингибиторами типа катапина. Пока смешением ингредиентов в нужных пропорциях занимались узкоспециализированные предприятия, производившие комплексы на основе хлоридов типа ННХК (нитрит-нитрат-хлорид кальция) все было более-менее благополучно. Но как только практически то же самое пытались делать на местах, комплекс ХК+НН, например (хлорид кальция + нитрит натрия), в так называемых построечных условиях, часто приключалась какая ни, будь бяка, смакуемая потом ежегодником “Аварийные обрушения в строительстве”. Действительной первопричиной всех этих неприятностей служили не хлориды сами по себе, а, в первую очередь, нарушение технологического регламента работы с ними. Национальную отечественную черту – разгильдяйство, увековечили на законодательном уровне, — вообще запретив применение хлоридов для большинства более-менее ответственных конструкций. С учетом отечественной ментальности абсолютно верное решение – береженого, Бог бережет. Между тем на Западе хлориды давно и достаточно широко применяются. Даже бетоносмесительное оборудование идет сразу с мерниками для хлористого кальция.

Бурный всплеск интереса к ускорителям наблюдается в последнее время. За период развала многие бетонные заводы, по тем или иным причинам, утратили свое паросиловое хозяйство – использовать отработанный способ ускорения твердения бетонных изделий при помощи тепловлажностной обработки уже стало просто физически невозможно. Выход единственный – работать по так называемой беспропарочной технологии с использованием ускорителей — химических интенсификаторов схватывания и твердения.

И хотя национальное строительное законодательство для очень многих видов железобетона прямо и непосредственно запрещает использование неингибированных хлористых солей, никто ведь не запрещал их использовать в простых бетонах. О какой, скажите на милость, коррозии может идти речь при производстве изделий, где железной арматуры нет вообще? – те же малые архитектурные формы, элементы мощения, ячеистые и легкие бетоны и т.д. В этом случае опять срабатывает, как это ни парадоксально, один из недостатков хлоридов – их высокая эффективность при низкой цене.

Ведь чего греха таить, многие продавцы технологии и оборудования для производства элементов мощения, например, абсолютно не заинтересованы в распространении правдивой информации об отечественных модификаторах для бетонов. Многие из них основной бизнес делают именно на продаже форм для производства тротуарных камней. А все остальное – антураж, призванный обеспечить именно их продажу. Разумеется, эффективные и дешевые ускорители для подобного бизнеса как кость в горле – оборачиваемость форм резко увеличивается, соответственно объемы их продаж падают.

Очень интересный факт, исключительно полно характеризующий отношение к ускорителям на основе хлоридов на Западе – в середине 70-х годов в Великобритании 90% объема продаж ускорителей составляли 16 торговых марок. Так вот 12 из них были изготовлены на основе хлористых солей. Выпускаемые в начале 70-х в Чехословакии 7 добавок-ускорителей – все были изготовлены на основе хлоридов. А вот как относятся к ускорителям в такой, достаточно консервативной и требовательной к качеству строительства, стране, как США (см. Таблица 67-1)

Таблица 67-1

Перечень коммерческих ускорителей используемых в США

(по состоянию на 1986 г.)

Товарное название

Производитель или поставщик

Действующий ингридиент-ускоритель

Darex SetAcselerator

W.R. Grace

формиат

Rapid Set

Standard Chemicals Ltd of Canada

формиат

PDA High Early 202

Protex Industries

хлорид 23%

TCDA тип E

Mulco Inc.

хлорид 8% + лигносульфонат

Sikacrete

Sika Chemicals

хлорид + лигносульфонат

Pozzolith High Early

Master Builders

смесь хлоридов

Porzite L-75

Sternson Ltd

хлорид + лигносульфонат

 

 

6.7.1 Хлорид кальция

Хлорид кальция (ХК) применяется в строительной практике издавна — первые документально подтвержденные свидетельства датируются 1873 г., а первый патент на его применение был выдан в 1885 г. До 1890 г. во всем мире насчитывалось только 7 публикаций по вопросу применимости (ХК). Но в последствие количество литературы о нем многократно выросло. Интерес к (ХК) очевиден из несчетного опубликованных статей, патентов, обзоров, книг и симпозиумов, на которых обсуждаются как научно-методололгические аспекты использования (ХК) в технологии бетонов так и узко практические вопросы, с целевым технологическим уклоном.

В то же время, следует отметить, имеются серьезные разногласия и высказываются даже неправильные взгляды по поводу эффекта воздействия (ХК) на многие свойства бетонов. В одних странах использование (ХК) запрещено, в других — в бывшем СССР, США и Канаде разрешено при обеспечении определенных мер предосторожности при производстве армированных и, особенно, преднапряженных, конструкций.

С химической точки зрения хлорид кальция CaCl2 – кальциевая соль соляной кислоты. Существует несколько его кристаллогидратов, а именно – безводный, дву-, четырех- и шести- водный. Хлористый кальций очень гигроскопичен, его используют даже в качестве осушителя. Поэтому его дозирование перед применением в строительной индустрии должно обязательно учитывать этот факт. Вычислять сложным химическим путем, сколько же безводный (ХК) нахватался воды, и какой собственно кристаллогидрат мы имеем, абсолютно излишне. Достаточно использовать водные растворы (ХК), а, измеряя их плотность весьма легко вычислить, сколько же там безводного хлорида кальция (см. Таблица 671-1)

Таблица 671-1

ТАБЛИЦА ПЕРЕВОДА УДЕЛЬНОГО ВЕСА И ПЛОТНОСТИ

Растворы хлористого кальция (t = +18°C)

 

Плотность

Градусы Вё

Содержание безводного СаС12 в кг на 1 л раствора

Содержание безводного СаС12 в кг на 1 кг раствора

1.0039

0.7

0,0051

0,0051

1,0079

1.05

0.0102

0,0101

1,0119

1,65

0.0154

0,0152

1,0159

2,1

0,0206

0,0203

1,0200

2.7

0.0259

0,0254

1.0241

3.4

0,0311

0,0304

1,0282

3.9

0.0365

00355

1.0323

4.4

0,0419

00406

1.0365

4,7

0.0473

0.0456

1,0449

5,4

0,0528

0,0507

1,0467

6,0

0,0582

0,0557

1,0491

6,7

0,0638

0,0608

1,0534

7,1

0,0693

0,0658

1,0577

7,7

0,0750

0,0709

1,0620

8,0

0,0807

0,0760

1,0663

8,7

0,0864

0.0810

1,0706

9,4

0,0922

0,0861

1,0750

10,0

0,0980

0,0912

1,0794

10,6

0,1038

0,0962

1,0838

10,9

0,1098

0,1013

1,0882

11,5

0,П58

0,1064

1,0927

12,5

0,1218

0,1115

1,0972

12,7

0,1278

0,1165

1,1017

13,0

0,1340

0,1216

1,1062

13,6

0,1402

0,1267

1,1107

14,2

0,1463

01317

1,1158

14,9

0,1548

0,1388

1,1199

15,4

0,1589

0,1419

1,1246

16,0

0,1652

0,1459

1,1292

16,5

0,1716

0,1520

1,1339

16,9

0,1781

0,1571

1,1386

17,1

0,1846

0 1621

1,1433

18,0

0,1912

0,1672

1,1480

18,5

0,1978

0,1723

1,1527

19,1

0,2044

0,1773

1,1575

19,5

0,2111

0,1824

1,1622

20,1

0,2179

01875

1,1671

20,6

0,2247

0,1925

1,1719

20,9

0,2316

0,1976

1,1768

21,4

0,2385

0,2027

1,1816

22,0

0,2454

0,2077

1,1865

22,5

0 2525

0,2128

1,1914

23,0

0,2546

0,2179

1,1963

23,5

0,2668

0,2230

1,2012

24,0

0,2739

0,2280

1,2062

24,5

0.2812

0,2331

1,2112

25,0

0,2885

0,2382

1,2162

25,5

0,2958

0,2432

1,2212

96,0

0,3032

0,2483

1,2262

26,4

0,3107

0,2534

1,2312

26,9

0,3181

0,2584

1,2363

27,4

0,3258

0,2635

1,2414

27,9

0,3334

0,2686

1,2465

28,4

0,3410

0,2736

1,2516

28,8

0,3488

0,2787

1,2567

29,3

0,3567

0,2838

1,2618

29,7

0,3638

0,2888

1,2669

30,2

0,3723

0,2939

1,2721

30,6

0,3804

0,2990

1,2773

31,3

0,3883

0,3040

1,2825

32,0

0,3964

0,3091

1,2877

32,2

0,4046

0,3142

1,2929

32,6

0,4127

0,3192

1,2981

33,1

0,4210

0,3243

1,3034

33,5

0,4293

0,3294

1,3087

33,9

0,4376

0,3344

1,3140

34,6

0,4461

0,3395

1,3193

35,0

0,4546

0,3446

1,3246

35,4

0,4632

0,3497

 

Таблица 671-2

Содержание хлорида натрия в растворах и их плотность

Концентрация раствора, %.

Плотность раствора при 20оС, г/см3

Температурный коэффициент плотности раствора

Содержание безводного ХН в 1 литре раствора (кг)

1

1,005

0,00022

0,010

2

1,013

0,00024

0,020

3

1,020

0,00026

0,031

4

1,027

0,00028

0,041

5

1,034

0,00030

0,052

6

1,041

0,00031

0,062

7

1,049

0,00033

0,073

8

1,056

0,00034

0,084

9

1,064

0,00036

0,096

10

1,071

0,00037

0,107

15

1,109

0,00043

0,166

20

1,148

0,00049

0,230

23

1,172

0,00052

0,270

25

1,189

0,00054

0,297

 

6.7.1.1 Механизм действия хлористого кальция на цемент.

Рассматривая механизм действия (ХК) на цемент следует сначала оговорить его минералогический состав.

Основу всех портландцементов составляют 4 минерала, синтез которых происходит при обжиге клинкера – полупродукта, после помола которого, собственно, цемент и получается, а именно:

- трехкальциевый силикат – 3CaO x SiO2 (C3S)

- двухкальциевый силикат — 2CaO x SiO2 (C2S)

- трехкальциевый алюминат — 3CaO x Al2O3 (C3A)

- четырехкальциевый алюмоферит — 4CaO x Al2O3 x Fe2O3 (C4AF)

В нормальном цементе, без добавки какого либо ускорителя эти минералы следующим образом участвуют в твердении цементного камня:

- трехкальциевый силикат (C3S) – дает нарастание прочности всегда, — пашет во все сроки твердения

- двухкальциевый силикат (C2S) – до 28-ми суток его вклад в прочность незначителен, но после этого срока он “просыпается” и обеспечивает последующий набор прочности в течение многих лет.

- трехкальциевый алюминат (C3A) – оказывает значительный прирост прочности в самом начале твердения и до срока в 28 дней, затем его вклад минимален.

- четырехкальциевый алюмоферит(C4AF) – его роль в твердении незначительна и, в основном, сказывается в поздние сроки твердения цемента, эдакий бедный родственник.

Допустим мы задались целью ускорить набор прочности цементом. На какие минералы, из приведенных выше, и как, нам следует воздействовать?

Трехкальциевый силикат дает прирост прочности все время, — значит нужно просто повысить его активность, — пусть делает это проворней.

Двухкальциевый силикат у нас получается “тормознутый”, нам нужен прирост прочности не через месяц, а быстрей. Если не сразу, то хоть бы через неделю он должен включиться в работу.

Трехкальциевый алюминат и так самый шустрый. Именно ему мы, в основном, и обязаны суточной и трехсуточной прочностью. А если его еще подстегнуть. Пусть выложится по полной программе в первые дни твердения, а затем, трава не расти, пусть даже “сбрасывает” прочность – к тому времени трехголовый силикат в самую силу войдет, подстрахует.

Четырехкальциевый алюмоферит – ну в семье не без урода, толку от него все равно почти нет. Поэтому оставим его в покое – как хочет, так пусть и знает.

Так вот, все что описано выше и проделывает хлористый кальций!!!

 

Добавки для производства пенобетона.

 

(Здесь и везде, я умышленно не привожу, на мой взгляд, блестящую, классификацию ускорителей по Ратинову и Розенберг. Считаю что их деление добавок на классы излишне академично для простого смертного, а потому будет просто непонятно практикующим строителям).

Руководствуясь вышеприведенными соображениями, в середине 30-х годов английский исследователь Rapp провел серию очень кропотливых исследований и измерил вклад каждого из основных минералов цемента в общую прочность цементного камня под воздействием хлористого кальция (см. Таблица 6711-1)

Таблица 6711-1

Элементарные прочности для различных составляющих цемента.

Содержание CaCl2 в %

Возраст в днях

Элементарные прочности в кг/см2 на 1% содержания

C3S

C2S

C3A

C4AF

0

1

+0.286

+0.015

+0.728

-0.189

1

+0.912

-0.072

+1.057

-0.763

2

+0.973

-0.074

+1.134

-0.609

           

0

7

+1.456

+0.287

+3.332

-0.014

1

+2.226

+0.014

+2.891

-0.084

2

+2.359

+0.238

+2.317

-0.490

           

0

28

+2.114

+0.273

+6.223

-0.252

1

+2.884

+0.966

+4.067

-0.882

2

+3.227

+1.120

+2.695

-1.316

Примечание: 1. Знак “+” означает что на такую величину идет прирост прочности, “-” — прочность уменьшается

2. Значения в таблице переведены из фунтов на кв. дюйм в привычные нам кг/см2 – поэтому такая дробность

Что нам дает эта таблица? Зачем она, какой с неё прок?

А давайте проанализируем упоминавшийся ранее цемент ПЦ-400 завода Комсомолец в свете данных из этой таблицы. (Разумеется расчетные данные будут не совпадать с экспериментальными, но для нас важны не абсолютные значения, а закономерность их изменения).

Минералогический состав этого цемента следующий:

C3S — 62.7%

C2S — 16.4%

C3A — 3.4%

C4AF – 16.2%

Для подсчета суточной прочности без добавки (ХК) нам следует произвести следующие подсчеты:

(62.7 * 0.286) + (16.4 * 0.015) + (3.4*0.728) – (16.2*0.189) = 17.932 + 0.245 + 2.475 – 3.061 = 17.591 кг/см2

семисуточная будет, соответственно:

(62.7 * 1.456) + (16.4 * 0.287) + (3.4*3.332) – (16.2*0.014) = 91.291 + 4.706 + 11.328 – 0.226 = 107.099 кг/см2

а 28-ми суточная:

(62.7 * 2.114) + (16.4 * 0.273) + (3.4*6.223) – (16.2*0.252) = 132.547 + 4.477 + 21.158 – 4.082 = 154.1 кг/см2

С добавкой 2% (ХК) расчетная прочность будет:

Через сутки – 54 кг/см2

Через 7 суток – 152 кг/см2

Через 28 суток – 208 кг/см2

Характер изменения этих расчетных цифр, полученных, что называется на кончике пера, очень хорошо коррелирует и с результатами натурных экспериментов.

А общий вывод из всех вышеприведенных расчетов заключается в том, что (ХК), по совокупному воздействию на цемент как смесь различных минералов, мало чувствителен к минералогическому составу конкретного цемента. Основной упор он делает, конечно, на трехкальциевый алюминат, но его в обычных цементах сравнительно немного. (Высокоалюминатные цементы способны, конечно, существенно подправить эти рассуждения, но они достаточно редки и дефицитны). Но вот влияние (ХК) на трехкальциевый силикат, пусть и не такое большое, является определяющим — практически в любом цементе этого минерала всегда наибольшее количество. Поэтому при переходе на портландцемент другого производителя дозировки (ХК) смело можно оставлять неизменными, как и общую методологию работы с ним..

6.7.1.2 Влияние (ХК) на ускорение схватывания цементов.

Помимо ускоренного набора прочности (ХК) является также и очень мощным ускорителем схватывания цементов. В технологии традиционных тяжелых бетонов время схватывания корректируют даже в сторону увеличения – ведь бетон нужно успеть приготовить, довести и уложить. Монолитное домостроение так вообще ставит взаимоисключающее условие – ускоренное твердение при замедленном схватывании.

В технологии производства пенобетонов, элементов мощения и малых архитектурных форм, слава Богу, нет таких ограничений. Приготовление и укладка бетона (пенобетона) сосредоточены в одном месте и сокращение периода схватывания только во благо.

В обобщенном виде можно считать, что (ХК), в дозировке 1.0 – 2.0% ускоряет схватывание примерно в 2 раза, а в дозировке 2.0 – 3.0% — в 2.5 раза.