Состояние и перспективы химизации технологии бетона
XXV съезд КПСС поставил задачу всемерной интенсификации технологических процессов и повышения качества выпускаемой продукции в промышленности, что полностью относится к технологии сборного и монолитного бетона и железобетона.
Одним из важных и перспективных направлений совершенствования и развития технологии бетона и изготавливаемых из него конструкций является применение новых химических материалов н процессов с целью интенсификации производства, повышения качества и долговечности железобетонных конструкций, получения бетона со специальными свойствами.
Химизация технологии бетона является составной частью общего направления химизации промышленности и сельского хозяйства, основанного на достижениях современной химии, химической технологии и их дальнейшем развитии.
Основными направлениями химизации технологии бетона являются: введение в состав бетонных смесей малых количеств добавок различных веществ, изменяющих свойства бетонных смесей и затвердевшего бетона; применение в качестве основного компонента вяжущего или полностью заменяющих минеральные вяжущие полимерных материалов; изготовление полимерцементных и полимерных бетонов; применение в качестве арматуры полимерных волокон или стеклопластиковой арматуры; применение полимерных пленкообразующих материалов для создания благоприятных условий твердения бетонов; использование различных химических материалов в качестве мастик, замазок, растворов для монтажа и ремонта железобетонных конструкций, заделки стыков, деформационных швов и склеивания элементов.
Интенсивное развитие химической промышленности и, в частности, производства полимерных материалов позволяет в настоящее время в значительно более широких объемах использовать различные органические и неорганические соединения для улучшения свойств бетонов на минеральных вяжущих, а также создавать на основе мономеров и олигомеров новые эффективные виды бетонов. Особую важность приобретает использование химических добавок, т. е. введение в бетонную смесь реагентов, направленно воздействующих на ее свойства, кинетику твердения и существенно влияющих на все характеристики затвердевшего бетона.
Однако отечественная промышленность пока что не обеспечивает строительные площадки и заводы сборного железобетона необходимыми химическими веществами для модификации и обработки бетона в полном ассортименте и в должном количестве, и в основном ориентация идет на использование в бетонах всякого рода отходов химических производств.
Комиссией по добавкам координационного Совета НИИЖБ Госстроя СССР одобрена классификация добавок, основанная на учете преимущественного технологического эффекта их действия. Выявлено шесть основных классов добавок, позволяющих экономить цемент, регулировать процессы схватывания и твердения вяжущих и бетонов, их тепловыделение, создавать бетоны повышенной стойкости, водонепроницаемости, а также с некоторыми специальными свойствами.
В постановлении Совета Министров СССР «О некоторых мерах по повышению технического уровня производства железобетонных конструкций и более эффективному использованию их в строительстве» (1977) указывается на необходимость расширения объемов изготовления бетонных смесей с применением эффективных комплексных химических и других добавок, обеспечивающих повышение качества бетона, улучшение технологии укладки бетонной смеси и экономию цемента.
Задача повышения эффективности и качества строительства, поставленная в решениях XXV съезда КПСС, в области бетона и железобетона не может быть успешно решена без использования химических добавок к бетону — мощного средства совершенствования его свойств.
Введение различных химических добавок при приготовлении бетонных смесей с целью изменения их реологических свойств, структуры и физико-механических характеристик бетона является наиболее распространенным направлением химизации этого материала. В настоящее время во многих технически развитых странах промышленность выпускает широкий ассортимент добавок пластификаторов, ускорителей или замедлителей твердения, воздухововлекающнх — повышающих морозостойкость, стабилизаторов — препятствующих расслоению бетонной смеси, и др. Так, зарубежные фирмы предлагают строителям разные добавки для бетонных смесей в количестве свыше 300 наименований. За рубежом значительная доля объема бетона укладывается с добавками. Среди добавок, предлагаемых зарубежными фирмами, особого внимания заслуживают разработанные за последние годы суперпластнфикаторы, выпускаемые в Японии, ФРГ и Англии. Подвижность бетонных смесей с добавками суперпластнфнкагорами в количестве нескольких килограммов на кубометр возрастает в несколько раз, интенсивность твердения бетона не изменяется, а его физико-механическне характеристики улучшаются, что позволяет таким образом экономить цемент.
Привлечение к разработке эффективных пластифицирующих добавок для бетона специализированных институтов, работающих в области химической технологии, позволило получить эффективные отечественные добавки. В настоящее время они проходят всесторонние испытания и, можно полагать, в будущем году выйдут на производственную арену. Необходимо обратить внимание Минхимпрома СССР на этот вид перспективной продукции, которая необходима для интенсификации производства бетона и железобетона.
Но работы над новыми добавками и организацией их промышленного выпуска не должны препятствовать расширению применения в практике строительства и усовершенствованию известных добавок. В этой области у советской науки и производственников есть определенные достижения, которые должны быть закреплены и развиты. В действующих нормативных документах записаны указания об обязательном применении добавок в ответственных конструкциях мостов, морских гидротехнических сооружениях, в специальных сооружениях. Широко используют добавки такие министерства, как Минтрансстрой, Минмонтажспецстрой, Минэнерго и др. Однако еще значительные объемы бетона и железобетонных изделий изготавливаются без добавок, что можно объяснить лишь отсутствием должной инициативы н традиционно сложившейся производственной практикой.
Современная техника располагает большой номенклатурой добавок, применение которых регламентировано действующими нормативными документами. К ним в первую очередь относятся добавки неорганических веществ — электролитов, которые вводятся в состав бетонной смеси с целью ускорения или замедления процессов схватывания цемента, ускорения процесса твердения, придания бетону способности твердения при отрицательных температурах, защиты арматуры от коррозии при эксплуатации железобетонных конструкций в различных агрессивных средах, повышения коррозионной стойкости бетона.
Из большого числа электролитов, изученных в качестве добавок к бетону, широкое практическое применение нашли хлориды, сульфаты, нитраты и нитриты кальция н натрия. Добавки — ускорители твердения бетона [Ka2S04, NaN03, СаСЬ, Ca(N03)2 и др.] позволяют интенсифицировать процесс производства сборных изделий, сократить сроки распалубливания и загрузки монолитных конструкций. Ускорение цикла тепловлажностной обработки изделий путем введения добавок может достигать 40% применяемого на практике. Введением добавок—ускорителей твердения можно на 25% повысить прочность бетона в проектном возрасте или на 6—10% уменьшить расход цемента.
Хотя применение ускорителей твердения с целью уменьшения расхода цемента экономически менее выгодно, чем использование с этой целью добавок других видов, в ряде случаев это оправдывается (например, при жестких режимах тепловлажиостной обработки).
Одним из важных направлений применения добавок электролитов является интенсификация твердения бетона при отрицательных температурах. Приоритет нашей страны в этой области неоспорим. Если обычный бетон практически перестает твердеть при температурах ниже 0°С, то введение в его состав противоморозных добавок (СаС12+ +NaCl, NaN02, К2С03 и др.) придает бетону способность твердеть при охлаждении его вплоть до —25°С. Стоимость зимнего бетона в этом случае, по существу, определяется сравнительно небольшой стоимостью добавки, в связи с чем этот метод является одним из экономичных методов зимнего бетонирования.
Однако и в этом направлении решены далеко не все вопросы. Для наиболее эффективной с точки зрения темпов твердения бетона противоморозной добавки — поташа отсутствует надежный замедлитель схватывания; для других добавок этого вида, наоборот, необходимо изыскать интенсификатор твердения, особенно в начальные сроки.
Кроме указанного, многие из электролитов повышают непроницаемость бетона, а сульфаты — его сульфатостойкость. Применительно к районам с сухим и жарким климатом эти добавки показаны и с позиций повышения водоудерживающей способности бетона. "Ценным свойством нитритов является пассивация стали, вследствие чего повышается стойкость арматуры железобетонных конструкций в агрессивных средах. Вторым направлением использования этих добавок [NaN02, Ca(N02)2] является совместное их применение с хлористыми солями в железобетонных конструкциях. В этом случае они игра- щт роль ингибитора и исключают коррозию стали, позволяя в полной мере использовать действие эффективных ускорителей твердения — хлоридов. На этой основе МАДИ разработаны комплексные добавки, содержащие в своем составе как ускорители твердения, так и ингибиторы коррозии. Наиболее совершенная из них — ННХК (нитрит-нитрат-хлорид кальция) — должна уже в этой пятилетке найти широкое производственное внедрение. Минхимпрому СССР поручено поставлять строителям ежегодно свыше 100 тыс. т этой добавки.
В отличие от электролитов добавки органических веществ, широко применяемые сейчас в отечественной практике, не изменяют или способствуют замедлению процессов гидратации и твердения цемента. Обладая сильным поверхностно-активным действием, они выступают в качестве пластификаторов, улучшающих подвижность бетонных смесей, либо в качестве микропенообразовате- лей, повышающих морозостойкость или снижающих объемную массу бетона.
Хорошо известным и широко распространенным активным пластификатором является сульфитно-дрожжевая бражка (СДБ). При ее введении представляется возможным уменьшить расход цемента на 8—10% или повысить прочность бетона вследствие уменьшения расхода воды. Однако из-за замедления схватывания и твердения в начальный период применение СДБ возможно в монолитном бетоне и в сборном железобетоне при специальных режимах тепловой обработки. Некоторые работы, выполненные НИИЖБ в последнее время, показывают, что применение СДБ для экономии цемента может быть значительно более эффективным. На ряде составов бетона удавалось получить экономию цемента до 25%. Это говорит о том, что исследования СДБ должны быть усилены совместно с организациями целлюлозно-бумажной промышленности, чтобы оптимизировать ее состав как пластификатора бетонных смесей.
Как показали исследования НИИЖБ, продукты нефтехимического производства типа нейтрализованных черных контактов (НЧК, КЧНР), введенные в бетонные смеси, действуют как умеренные пластификаторы и микропенообразующие вещества, что дает возможность повысить плотность бетона, его морозостойкость илн снизить расход цемента. Более эффективна и нашла практическое применение комплексная добавка на основе СДБ и НЧК. Необходимо расширить использование такой добавки. Нефтехимическая промышленность, которая заинтересована в сбыте этих продуктов, должна с большим вниманием относиться к требованиям строителей о кондиционировании свойств продуктов и применении нейтрализаторов в виде натриевой щелочи.
В то же время строители должны внедрить на всех бетоносмесительных установках не только устройства для подготовки растворов добавок и их дозирования в бетонную смесь, но и емкости для приема исходных продуктов. При этом приходится учитывать, что многие продукты поставляются только в цистернах, н на бетонных заводах необходимо иметь емкости для одновременного приема 60 т продукта.
Положительные результаты дали обширные исследования, выполненные в НИИЖБ совместно с рядом организаций, по кремнийорганическим соединениям, отличающимся стабильными свойствами. В результате химическая промышленность стала выпускать для строителей вещества с заранее регламентированными свойствами.
Советскими специалистами разработаны и другие составы пластифицирующих, микропенообразующих и гидрофобизирующих добавок. Такие добавки, как СПД (продукт нефтехимической промышленности) и ВРП (специально синтезируемый продукт), нашли широкое применение. Возрастает использование отходов различных отраслей промышленности, прежде всего химнческой. Достаточно указать на утилизацию кубовых остатков (ПАЩ) Щекинского химкомбината. Имеются многочисленные предложения по использованию отходов различных отраслей промышленности.
Однако следует считать, что генеральные направлением в химизации технологии бетона является разработка комплексных добавок, составляемых из нескольких веществ, каждое из которых вносит свой вклад в суммарный эффект вводимой композиции. В настоящее время в строительстве и промышленности сборного железобетона применяются отдельные комплексные добавки, причем, как правило, компоненты их вводят на бетоносмесительных установках. Ширака применяются упоминаемся двойные добавки СДБ+СНВ, СДБ+ГКЖ-94, СДБ+сульфат натрия и Многие другие. Практика показывает, что одновременное введение на бетоно- смесительной установке более двух компонентов затруднительно, так как это усложняет технологию, уменьшает надежность дозирования и требует особых мер по контролю за введением добавок. В то же время исследования, проведении в ряде организаций (НИИЖБ, МАди, ВНИПИТеплопроект, ГИСИ и ДР), показывают, что существуют более эффективные составы добавок, состоящий из трех и большего числа компонентов. В последние годы в СССР по- явились работы по использованию комплексных добавок в технологии бетона, главным образом для повышения его долговечности и плотности без снижении прочности или даже с некоторым ее Увеличением. Такие добавки необходимо выпускать на специальных предприятиях и поставлять строителям в готовом для применения виде. Зарубежная техника идет именно по этому пути.
НИИЖБ создал такую четырехкомпонентную комплексную добавку — модификатор высокой эффективности. Совместно с НИУИФ и ХИИКС разработана технология заводского изготовления этого модификатора и освоено его опытное производство. Следует быстрее внедрить его в промышленных масштабах, что позволит снабдить отдаленные объекты, например строительство БАМ, эффективным средством повышения качества бетона и снижения расхода цемента.
В области разработки и применения добавок наша промышленность находится лишь в начале пути, и необходимо всемерно развивать это направление строительной технологии. Область применения добавок значительно более широка, чем те первые и основные направления, которые рассмотрены выше. Добавки необходимы и в тех случаях, когда бетону требуется придать особые свойства, например бактерицидность, электропроводность, способность мгновенно схватываться или, наоборот, сохранять подвижность длительное время.
Нет сомнения, что строители совместно с химиками смогут добиться новых, еще более существенных результатов в области химизации технологии бетона и этим внесут свой вклад в претворение грандиозных задач, поставленных в решениях XXV съезда КПСС перед строительными организациями нашей страны.