Оборудование для производства пенобетона > Статьи > Ускорители твердения > Часть 5.1 — Ускорители схватывания и твердения в технологии бетонов

Часть 5.1 — Ускорители схватывания и твердения в технологии бетонов

Посмотреть все статьи

Часть 5.1

6.7.1.3 Влияние хлористого кальция на схватывание цементов при пониженных положительных температурах.

Отечественные погодно-климатические условия часто вынуждают работать если не совсем на морозе, то когда достаточно прохладно. Очень часто влияние окружающей температуры абсолютно не учитывается. И если в традиционных строительных работах это выражается в замедлении темпов работ, то при производстве пенобетона, снижение температуры в цехе на “несущественные” 5оС может явиться первопричиной брака.

Взаимодействие цемента с водой – химический процесс. Скорость протекания любой химической реакции сильно зависит от температуры. С возрастанием температуры она увеличивается, и наоборот, за редким исключением. (Одно такое интересное исключение будет использовано, когда мы будем бороться с высолами на кирпичной кладке – но это в другой рассылке).

Химическое взаимодействие цемента с водой отмечено одной особенностью – процесс идет в две стадии. Сначала, в течение нескольких часов, происходит т.н. схватывание. После его окончания – начинается твердение. И даже по прошествии 28 суток, набор прочности бетоном не прекращается. Он продолжается и дальше, годами, но именно прочность через первые 4 недели твердения и условились называть марочной прочностью. В соответствии с этой 28-ми суточной прочностью и нормируется т.н. марочность изготовленного бетона.

Снижение температуры влияет как на твердение, так, что очень важно для производства пенобетона, — на схватывание. Наглядно этот процесс иллюстрирует Таблица 6713-1

Таблица 6713-2

Время схватывания некоторых цементов марки М-400 при различных температурах.

Вид цемента

Периоды

Температура окружающей среды

+70оС

+50оС

+30оС

+15оС

+5оС

+0оС

Свежий портландцемент

Начало схватывания, через чч-мин

0-37

1-10

1-45

3-00

4-45

8-00

Конец схватывания, через чч-мин

0-55

2-00

2-45

6-10

14-40

25-35

Период схватывания, чч-мин

0-18

0-50

1-00

3-10

9-55

17-30

 

Свежий пуццолановый портландцемент

Начало схватывания, через чч-мин

0-47

0-43

1-45

2-45

6-50

9-50

Конец схватывания, через чч-мин

0-57

2-07

4-30

6-35

16-20

25-35

Конец схватывания, через чч-мин

0-10

1-26

2-45

4-10

9-30

15-45

Как видно из таблицы, даже для свежих цементов, совсем незначительное снижение температуры заметно удлиняет период схватывания.

Подавляющее большинство строителей качество цемента характеризует двумя показателями – “хороший” и “плохой”. Иногда, при этом, упоминается его марочность и завод производитель – но это уже редкость.

С таким подходом к цементу браться за пенобетон не следует. Уже, во первых, потому, что при хранении цемент теряет примерно 10% активности в месяц. Причем эта потеря сказывается, в первую очередь, именно на начале и длительности схватывания – они многократно удлиняются. Если это усугубить еще и пониженной температурой в цехе, то брак гарантирован. Ведь какой бы распрекрасный пенообразователь Вы не применяли, все равно у него имеется некий период стойкости пены. По его прошествии цементная матрица или должна успеть схватиться и приобрести самонесущие свойства, или…. – или пенобетонный массив осядет под собственным весом, и его придется выбросить.

Нельзя исчерпывающе полно охарактеризовать влияние добавки хлористого кальция на начало и длительность схватывания цемента – уж слишком это тонкий параметр. Да и не нужно это – меняющиеся всякий раз входные параметры бетонной смеси будут непредсказуемо корректировать результаты. Единственное, что можно сказать с полной определенностью – при всех прочих равных условиях, можно смело утверждать, что добавка 1% хлористого кальция от массы цемента, по его влиянию на схватывание цемента, равносильна повышению температуры на 15 – 20оС.

6.7.1.4 Влияние (ХК) на повышение пластичности бетонов.

Хлористый кальций способствует повышению пластичности бетонной смеси. В прикидочных расчетах можно считать, что для получения равноподвижных смесей, каждый процент введенного (ХК) позволяет уменьшить количество воды затворения примерно на 5%. Чем более жесткая изначально бетонная смесь, тем сильнее выражен этот эффект.

6.7.1.5 Влияние хлористого кальция на усадку бетонов.

В разных источниках мне неоднократно встречались утверждения, что ускорители на основе хлористых солей взывают очень сильную усадку бетонов. В случае с пенобетонами, эта усадка, мол, способна привести к полной невозможности использования хлоридов – пенобетон очень сильно растрескивается. Подобные суждения, иначе как спекулятивными, назвать нельзя. И вот почему.

Усадка бетонов зависит от множества причин. Если рассматривать усадку с научной точки зрения, то было бы гораздо корректней разделить усадку, как явление, на два разных процесса вызывающих, тем не менее, одинаковое физическое проявление и накладывающиеся друг на друга. Это воздействие на твердеющую цементную матрицу обусловленное капиллярными силами – т.н. влажностная усадка. И проявление результатов химических реакций между цементом и водой – т.н. контракционная усадка.

Я не буду в рамках данной темы давать развернутое объяснение – проблеме усадки и мерам борьбы с ней будет посвящена отдельная рассылка. Замечу только, что усадка зависит:

1 От свойств вяжущего, т.е. от вида цемента.

2. От количества вяжущего – цементного теста в бетоне. Чем больше цемента, тем усадка больше. Зависимость, примерно, прямо пропорциональная.

3. От свойства, состава и гранулометрии заполнителей.

4. От количества воды в бетоне. С увеличением В/Ц усадка значительно увеличивается.

5. От условий созревания бетона. Если принять усадку бетона при его вызревании при 100% влажности (пропарочная камера) за эталон, то тот же бетон, вызревавший при относительной влажности в 50% (летний навес с легким сквознячком) даст усадку в 3 – 4 раза большую. (И уже не одно поколение начинающих пенобетонщиков испытали это явление непосредственно на себе).

6. От абсолютных геометрических размерностей массива бетона и условий его армирования. Иными словами — чем меньше пенобетонный блок, тем проявление усадочных явлений в нем будут меньшими.

7. От величины добавки некоторых ускорителей, вступающих в непосредственное химическое взаимодействие с минералами цементного клинкера, — и хлористого кальция, в том числе.

Вот последний пункт и рассмотрим подробней. Исследованиями установлено, что да, действительно, хлористый кальций увеличивает усадочные явления в бетоне. Примерно в 1.2 – 1.3 раза по сравнению с аналогичным, бездобавочным бетоном. Но, мы видели ранее, что повышение относительной влажности среды вызревания бетона может снизить усадку чуть ли не в 4 раза. Как и наоборот. Иными словами, снижать усадку наиболее эффективно, действуя именно в этом направлении – в обеспечении влажностных, еще лучше тепло-влажностных условий вызревания бетона. А это не только достаточно хлопотно и затратно, но и, порой, просто невыполнимо технически.

Как это ни парадоксально, но получается, что любой эффективный ускоритель, пусть он даже сам склонен повышать усадку, в конечном итоге общую усадку снижает. За счет ускоренной гидратации цемента под воздействием ускорителя, бетону уже нет нужды целый месяц устраивать, буквально, тепличные условия.

Кроме того, повышенные дозировки цемента в бетоне, зачастую обусловлены исключительно потребностью иметь высокую раннюю прочность — как правило, для ускорения оборачиваемости формоснастки. Двигаясь по другому пути – улучшая кинетику набора прочности ускорителями “взрывного” действия (в первую очередь это соляная кислота и её соли – хлориды), можно избежать излишнего перерасхода цемента. Это не только само по себе экономически выгодно, но и позволяет минимизировать усадку.

 

6.7.1.6 Влияние хлористого кальция на кинетику набора прочности в первые часы твердения.

Процессы твердения бетона в раннем возрасте протекают интенсивней и с большей полнотой, когда его температура повышается, а не наоборот. Это относится как к бетону с ускорителями, так и к бездобавочному бетону. Объясняется это тем, что, например, при понижении температуры, т.е. при более высокой начальной температуре, процессы гидролиза минералов, входящих в состав цементного клинкера, протекают сперва интенсивно – начинают образовываться коллоидные массы. Но затем эти процессы как бы искусственно тормозятся понижением температуры.

Кроме того, известь, выделяющаяся при гидратации цемента, имеет т.н. “аномальную растворимость” – её растворимость с уменьшением температуры наоборот увеличивается. Поэтому она вновь переходит в раствор из начавших выкристализацию новообразований – по сути, частично их разрушая. Таким образом, нарушается целостная и упорядоченная структура начавшего образовываться цементного камня, и это приводит к некоторому понижению его прочности на общем фоне твердения.

При постепенном повышении температуры мы имеем обратную картину. В этом случае процессы твердения протекают плавно, постепенно развиваясь. Благодаря этому получается более равномерная, упорядоченная и плотная структура цементного камня. Этому способствует также и то, что известь, сначала перешедшая в раствор в большом количестве, затем, с повышением температуры, начинает из него выкристаллизовываться и образовывать либо коллоиды и гели, либо кристаллические сростки. Эти процессы способствуют уплотнению гелей и, тем самым, увеличению прочности цементного камня.

Исследованиями было установлено количество тепла, дополнительно выделяющегося в присутствии хлористого кальция при гидратации 4 основных минералов цементного клинкера (см. Таблица 6716-1)

Таблица 6716-1

Элементарное тепловыделение основными минералами цементного клинкера

(за первые 24 часа в кал на 1% содержания в 1 г цемента)

 

Минералы цементного клинкера

C3S

C2S

C3A

C4AF

Без добавки (контрольные)

0.8

0.19

1.62

0.01

С добавкой 1% CaCl2

0.78

0.26

1.47

0.25

Анализ таблицы показывает, что добавка хлористого кальция несколько повышает количество тепла за первые 24 часа, выделяемые двухкальциевым силикатом (C2S) и четырехкальциевым алюмоферитом (C4AF), и уменьшает количество тепла, выделяемого трехкальциевым алюминатом (C3A). На тепловыделение трехкальциевого силиката (C3S) добавка хлористого кальция почти не оказывает влияния.

Если взять уже упоминавшийся ранее цемент ПЦ-400 завода Комсомолец и в свете данных из этой таблицы произвести подсчеты, то получим следующие цифры:.

Минералогический состав этого цемента следующий:

C3S — 62.7%

C2S — 16.4%

C3A — 3.4%

C4AF – 16.2%

Для бездобавочного цемента, выделение тепла составит:

(62.7 * 0.8) + (16.4 * 0.19) + (3.4*1.62) + (16.2*0.01) = 50.16 + 3.12 + 5.51 + 0.16 = 58.94 кал

Добавка 1% (ХК) позволяет с каждого грамма цемента дополнительно получить 3.27 кал тепла

(62.7 * 0.78) + (16.4 * 0.26) + (3.4*1.47) + (16.2*0.25) = 48.91 + 4.26 + 4.99 + 4.05 = 62.21 кал

Если принять расход цемента в 480 кг/м3 (типовой для пенобетона) то тепловая прибавка от добавки в его состав всего 1% хлористого кальция составит ни много, ни мало – 1569 ккал. Много это или мало? Если перевести цифры в общепонятный формат, то этого количества тепла, в его бензиновом эквиваленте, хватит среднему легковому автомобилю, чтобы проехать более 20 км.

Таким образом, хлористый кальций может быть применен как в работах при нормальных температурах (от +10оС до +25оС) для ускорения процессов схватывания и твердения, так и в работах при пониженных температурах (ниже +10оС). И хотя в обоих случаях он дает значительную интенсификацию процессов схватывания и твердения, в последнем случае, т.е. при пониженных положительных температурах, его сравнительная эффективность значительно выше.

 

6.7.1.7 Влияние хлористого кальция на твердение бетона в период 1 – 28 суток, и на конечную марочную прочность.

При наличии необходимой влажности твердение бетона, как правило, происходит тем интенсивней, чем выше его температура. С понижением температуры и, особенно с приближением её к 0оС твердение бетона резко замедляется, что особенно сильно сказывается в самом раннем возрасте. Объясняется это сильным снижением активности воды в химической реакции взаимодействия с цементом. При температуре окружающей среды 0оС вследствие продолжающейся реакции гидратации цемента, которая сопровождается тепловыделением, в бетоне некоторое время поддерживается положительная температура и набор прочности, хоть и незначительный, продолжается. По мере его затухания, уменьшается и количество выделяющегося тепла, что еще более снижает темп набора прочности.

Переходу критической точки через 0оС препятствует скрытая теплота льдообразования. Замерзание в бетоне воды, связанное с переходом её из жидкого состояния в твердое, происходит не сразу с наступлением температуры, равной нулю, а значительно ниже. Часть воды при отрицательной температуре вообще остается в жидкой фазе, поэтому твердение бетона продолжается, хотя и очень замедленно. При этом активные цементы, содержащие повышенный процент высокоосновных минералов клинкера, обеспечивают более быстрое накопление прочности бетона. Малоактивные клинкерные цементы и цементы с тонкомолотыми добавками при температурах, близких к 0оС, более резко замедляют твердение растворов и бетонов.

 

Добавки для производства пенобетона.

 

Данный вопрос имеет большое практическое значение при производстве работ, как в зимних, так и особенно, в осенних или весенних условиях. Методы производства работ должны выбираться с учетом резкого замедления твердения растворов и бетонов с приближением температуры к 0оС. Значительную роль в таких случаях играют добавки – ускорители схватывания и твердения. Для упрощения способов производства работ и для обеспечения надлежащего качества бетона в названных выше условиях следует применять более активные и высокоэкзотермичные цементы.

Таблица 6717-1

Относительная прочность бетона на сжатие при различных температурах твердения, % от 28-суточной

(твердение при +20оС и влажности 90-100%)

Бетон

Срок твердения, суток

Средняя температура бетона, °С

 

-3

0

+5

+10

+20

+30

+40

Марки 200 на портландцементе М-300

1

4

6

10

18

27

36

2

8

12

18

30

43

55

3

5

12

20

25

40

52

65

5

8

20

30

40

55

65

78

7

10

30

40

50

65

74

85

14

12

40

55

65

80

90

100

28

15

55

68

80

100

 

Марок 200 -300 на портландцементе М-400

1

3

5

9

12

23

35

45

2

6

12

19

25

40

55

65

3

8

18

27

37

50

65

77

5

12

28

38

50

65

80

90

7

15

35

48

58

75

90

100

14

20

50

62

72

90

100

28

25

65

77

85

100

 

Марки 400 на портландцементе М-500

1

8

12

18

28

40

55

2

16

22

32

50

63

75

3

10

22

32

45

60

74

85

5

16

32

45

58

74

85

96

7

19

40

55

66

82

92

100

14

25

57

70

80

92

100

28

30

70

80

90

100

 

Марки 500 на портландцементе М-600

1

9

13

21

32

45

59

2

17

25

36

52

65

75

3

23

35

46

62

75

85

5

34

47

58

75

83

90

7

20

42

57

68

85

90

100

14

30

58

73

82

95

100

28

35

75

83

92

100

 

Марки 200 на шлакопортландцементе М-300

1

3

6

12

20

35

2

4

7

12

20

35

50

3

2

7

12

18

30

46

63

5

4

13

20

30

45

60

80

7

6

18

25

40

55

70

92

14

8

25

40

55

75

90

28

10

35

55

70

100

 

Марок 200- 300 на шлакопортландцементе М-400

1

3

6

10

16

30

40

2

3

8

12

18

30

40

60

3

5

13

18

25

40

55

70

5

8

20

27

35

55

65

85

7

10

25

34

43

65

70

100

14

12

35

50

60

80

96

28

15

45

65

80

100

При применении портландцементов, содержащих трехкальциевого алюмината более 6%, скорость нарастания прочности по сравнению с приведенными выше (см. Таблица 6717-1) данными увеличиваются примерно на 10%. Разница в скорости набора прочности бетона на двух цементах одинаковой марки, но с различным содержанием С3А приведено в Таблице 6717-2

 

Таблица 6717-2

Нарастание прочности бетона марок 200-300 на портландцементе марки 400 Белгородского и Воскресенского заводов

Возраст бетона, сут

Средняя температура бетона в конструкции, оС

-3

0

+5

+10

+20

+30

+40

Б

В

Б

В

Б

В

Б

В

Б

В

Б

В

Б

В

1/2

2

2

4

4

6

6

10

14

15

25

25

30

1

2

4

5

6

9

12

12

14

22

28

41

48

53

55

2

5

6

10

14

18

24

26

30

40

48

53

63

70

70

3

8

10

18

22

25

32

35

40

50

60

69

75

85

90

5

14

17

28

35

38

46

50

55

65

70

81

85

98

98

7

18

20

37

43

48

53

56

60

75

80

91

95

100

102

14

20

25

51

59

67

72

72

80

87

92

104

105

28

25

30

70

75

84

85

93

93

100

100

Примечание Б — портландцемент Белгородского завода (С3А<6%), В — то же, Воскресенского завода (С3А>6%)

Добавка хлористого кальция существенно меняет характер твердения бетона. Множество испытаний средней интенсивности нарастания прочности бетона на портландцементе с добавкой хлористого кальция отражено в Таблице 6717-3

 

Таблица 6717-3

Влияние добавки СаС12 на прочность бетона

Возраст бетона, (суток)

Относительная прочность бетона с добавкой хлористого кальция, % от R28 без добавок, на цементах марки М-400

на портландцементе

на шлакопортланд- и пуццоланововом портландцементе

без добавок

с добавкой хлористого кальция, %

без добавок

с добавкой хлористого кальция, %

I

2

3

1

2

3

1

15

20

23

27

8

15

17

20

2

27

40

45

50

18

24

30

37

3

40

50

55

60

25

30

40

45

5

55

65

70

80

40

50

55

60

7

70

77

85

90

50

55

60

70

14

85

95

100

105

70

80

90

95

28

100

ПО

115

100

110

120

 

В зависимости от окружающей температуры, эффективность хлористого кальция отражает Таблица 6717-4

 

Таблица 6717-4

Увеличение прочности бетона в % при различных температурах твердения и добавке 2% CaCl2

Возраст бетона, суток

Процент увеличения прочности бетона при температуре, оС

+5

+15

+25

2

85

65

45

3

70

50

35

7

50

30

20

28

30

15

10

 

В приведенных выше таблицах (Таблица 6717-1 — 6717-4) данные представляют собой средние значения, выведенные из большого числа опытов, проведенных в лаборатории ускорения твердения бетона НИИЖБ в 1970—1974 гг. и уточняют величины набора относительной прочности до 28-суточного возраста по сравнению с ранее публиковавшимися данными, которые были основаны на экспериментах 1939— 1941 гг., когда марки цементов отличались от современных. Кинетика роста прочности устанавливалась на бетонах, изготовленных из смесей подвижностью 6-8 см осадки конуса.

 

6.7.1.8 Влияние хлористого кальция на твердение бетона при ТВО

Как и для всех остальных добавок, для (ХК) характерен сброс прочности бетонов после ТВО при дозировках превышающих определенную величину (см. Таблица 6718-1).

Анализ и сопоставление аналогичной таблицы (см. Таблица …) по сульфату натрия свидетельствует, что для случая изготовления пенобетона, когда расход цемента и В/Ц велики, (ХК) намного предпочтительней – сброс прочности наблюдается при дозировках более чем в 2 раза больших, чем для (СН).

Для (ХК) это, по сути предельные разумные дозировки, с лихвой перекрывающие все потребности пенобетонщиков по кинетике схватывания – осадки не будет.

Таблица 6718-1

Влияние добавки (ХК) на прочность пропаренного бетона в зависимости от расхода цемента и принятом В/Ц в % от R28 сразу после ТВО

Вид и расход цемента в бетоне

В/Ц

Добавка (ХК), в % от массы цемента

Предельно допустимая добавка (ХК) для данного расхода цемента

0

1

2

3

3.5

Бетон на белгородском (низкоалюминатном) цементе, с расходом 250 кг/м3

0.4

67

77

82

84

83

2.5

0.46

60

70

74

74

73

2.3

0.52

57

64

67

66

65

2.1

0.58

50

59

60

56

53

1.6

0.64

45

52

52

48

47

1.3

 

Бетон на белгородском (низкоалюминатном) цементе, с расходом 350 кг/м3

0.4

60

70

76

76

75

2.5

0.46

54

63

68

68

67

2.3

0.52

50

58

61

59

57

2.0

0.58

45

53

54

52

48

1.7

0.64

40

46

45

44

43

1.2

 

Бетон на белгородском (низкоалюминатном) цементе, с расходом 450 кг/м3

0.4

57

68

73

74

73

2.5

0.46

51

61

65

65

64

2.4

0.52

47

57

58

57

56

2.2

0.58

44

50

51

47

46

1.8

0.64

39

45

45

40

37

1.7

Примечание: Таблица 6718-1 составлена по результатам графических данных с погрешность. +/- 1.

Длительность ТВО (пропаривания) – 9 часов. Режим пропаривания в первоисточнике не указан.

 

6.7.1.9 Достоинства и недостатки хлористого кальция.

Если в сопоставимом формате попытаться проанализировать достоинства и недостатки (ХК) картина может выглядеть следующим образом.

Достоинства:

1. Является отходом основных химических производств, а потому дешев и легко доступен.

2. Из условий получения, практически не содержит вредных примесей, способных оказывать негативное влияние на человека.

3. Побочные примеси, как правило, других хлоридов, улучшают (как минимум не ухудшают) его эффективности как ускорителя.

4.Хорошо растворяется даже в холодной воде с выделением тепла.

5. Возможно его хранение в форме высококонцентрированных растворов без опасности выкристализации при похолодании.

7. Легко поддается модифицированию “внешними” ингибиторами, которые тоже являются ускорителями.

8. Совместим практически со всеми другими хим. добавками в составе полифункциональных комплексов.

9. Способен самопроизвольно модифицировать технические лигносульфонаты, будучи в составе полифункциональных комплексов.

10. Способен незначительно пластифицировать бетонные смеси, особенно жесткие.

11. Как самостоятельно, так и совместно с другими хлоридами, в повышенных дозировках выступает в качестве высокоэффективной противоморозной добавки.

12. Полностью вступает в химическую реакцию с минералами цементного клинкера, поэтому не склонен к образованию высолов и выцветов.

13. Позволяет “реанимировать” лежалые цементы. В этом случае особенно эффективен для лежалых высокомарочных цементов. (В них, как правило, содержание трехкальциевого алюмината повышено).

14. Положительно влияет на ускорение схватывания и твердения бетонов с большим содержанием золы-уноса.

15. Ускоряет и облегчает прогрев бетона при ТВО из-за повышенного выделения тепла при ускоренной гидратации цемента.

16. Позволяет применять повышенные дозировки, по сравнению с другими добавками, при ТВО, без сброса прочности.

17. Резко ускоряет как кинетику набора прочности при нормальном хранении, так и 28-ми суточную прочность.

Недостатки:

1. Вызывает коррозию стальной арматуры и оборудования.

2. В повышенных дозировках, свыше 3% от массы цемента, усиливает усадку бетона.